автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка методов теплогидравлических расчетов применительно к объектам ядерной энергетики и технологии

Введение.

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОМОГЕННОГО ПОДХОДА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

В СЛОЖНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМАХ.

1.1.Влияние теплогидравлических неравномерностей на эффективность кожухотрубчатьрс противоточных теплообменников.

1.1.1.Некоторые общие соображения.

1.1.2.Гомогенная модель теплообменника.

1.1.3.Интегральный метод.

1.1.4.0сновные результаты.

1.1.5.Проблема учета влияния входного и выходного участков.

1.1 .б.Заключтельные замечания.

1.2.Упрощенные расчетные подходы для анализа теплового режима при контейнерной перевозке и хранении отработавшего ядерного топлива.

1.2.1.Краткая характеристика проблемы.

1.2.2. Основные принципы построения расчетной модели.

1.2.3. Некоторые результаты экспериментальных исследований.

Выводы по главе 1.

При проектировании нового теплотехнического оборудования и анализе его текущей работы большую роль играет разработка частных физико-математических моделей для описания отдельных процессов и больших моделей, описывающих работу крупных элементов энергетической установки. Элементами такой работы является как собственно создание моделей и их рационального математического описания, так и исследования указанных частных процессов ( расчетное или экспериментальное) с целью получения так называемых замыкающих соотношений. Эти соотношения позволяют добиться адекватного описания в рамках модели тех процессов, которые не могут быть описаны в деталях. Отсутствия такого описания в райках модели может быть связано как с его нерациональностью из-за недо'пустимо большого объема необходимых частей общего алгоритма, так и с его полной невозможностью по причине недостаточных знаний о нем. В последнем случае важным элементом создания модели может оказаться экспериментальное исследование.

В рамках настоящей работы излагаются результаты исследования отдельных задач теплообмена и гидродинамики в рамках указанных общих проблем. При этом особое внимание уделялось обеспечению максимальной простоты описания отдельных процессов, что очень важно при анализе работы энергоустановки или другого объекта в целом или их отдельных крупных частей,

В силу исторических причин материалы, вошедшие в диссертационную работу, можно разделить на две группы. Наиболее крупная часть работы посвящена различным аспектам теплообмена и гидродинамики двухфаз^^ потоков ( главы 2-6). В практическом плане они связаны с несколькими конкретными проблемами энергетики. Приблизительно их можно объединить следующим образом:

1) - гидродинамика и термическая надежность рабочих каналов кипящих реакторов для стационарных и нестационарных режимов при охлаждение высокофорсированных теплоотдающих поверхностей (в частности, для разрабатываемого термоядерного реактора ТОКАМАК и исследовательского реактора ПИК), включая проблемы кризиса и закризисного теплообмена;

2) - особенности двухфазной гидродинамики каналов большого диаметра и крупных элементов энергоустановки (проблемы транспортирования пароводяной смеси в геотермальных установках и элементах обвязки тепловых и атомных электростанций, особенности определения истинного паросодержания и границ режимов течения для горизонтальных трубопроводов, проблемы расчета потерь энергии в конпурах с малым паросодержанием при существенном влиянии гравитационных сил и потерь давления в дистанционирующих решетках рабочих каналов РБМК. Последний материал является в какой-то мере промежуточным, поскольку он с одной стороны посвящен однофазному потоку, но с другой - дает возможность уточнения и упрощения методики расчета дистанционирующих решеток рабочего канала РБМК для двухфазного потока.

3) - использование устройств, воздействующих на гидродинамику двухфазного потока в целях устранения снарядного режима для борьбы с вибрациями трубопроводов.

4) - анализ проблем применения скелетных таблиц критического теплового потока в рамках общереакторных кодов и разработка рекомендаций по совершенствованию скелетных таблиц и процедур их использования.

Вторая группа работ ( глава 1 ) связана с использование методов приближенной гомогенизации для создания упрощенных методов теплового расчета однофазных теплообменников с весьма высокими значениями коэффициентов теплоотдачи (промежуточные теплообменники реакторов типа БН), и контейнеров для транспортирования отработавшего ядерного топлива, для которых, наоборот, характерна весьма низкая энергонапряженность. Помещение этих работ в первую главу связано с их более ранним выполнением.

Значительная часть описываемых работ была комплексной и включала в себя как аналитическую, так и экспериментальную часть. Последнюю автор старался описывать максимально кратко, за исключением тех случаев, когда ее результаты можно было рассматривать как основную содержательную часть работы. Это связано с тем обстоятельством, что в подобных работах основным полем деятельности для автора были все же постановка задачи и анализ результатов опытов, а не организация эксперимента, как такового. В особенности это относится к части главы 1, посвященной теплообмену при транспортировании и хранении отработавшего ядерного топлива, где опытные данные были получены группой под руководством В.Н. Фромзеля. Не описываются также экспериментальные части работ, выполнение которых требовало использования лишь традиционных методов. Это, например, измерение гидравлического сопротивления двухфазного потока в трубах большого диаметра, организованное автором на полигоне «Камчатэнерго», расположенном на территории ТЭЦ-2 в г, Петропавловске-Камчатском.

Прикладной аспект проведенных работ часто проявлялся в совершенно различных областях. Например, заключение о резком снижении доли расхода жидкости в пленке с ростом диаметра трубы и падением давления было использовано с одной стороны для уточнения расчетов потерь давления в трубопроводах, транспортирующих пароводяную смесь в геотермальной энергетике, а с другой стороны при создании прибора для измерения мощности канала РБМК по динамическому давлению в ядре двухфазного потока на выходе из рабочего канала. Другим подобным примером является упомянутое выше использование приближенной гомогенизации потока. Для решения двух совершенно различных проблем.

Большая часть работ выполнялась в рамках исследования прикладных научных проблем ядерной энергетики, которые разрабатывались в лаборатории 102 ЦКТИ им. ИДШолзунова Заказчиками работ являлись такие ведущие организации в области ядерной энергетики как Физико-энергетический институт (ФЭИ, г. Обнинск) , Научно-исследовательский конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ, г. Москва), Подольский машиностроительный завод (ПМЗ, г. Подольск), Всесоюзный научно-исследовательский проектный институт энерготехники (ВНИПИЭТ, г. Санкт-Петербург), Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Ефремова (НИИЭФА, г. Металдострой , ЛО ), Ленинградский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова (ЛИЯФ, г. Гатчина ЛО), Энергетический институт АН СССР имени Г.В.Кржижановского (ЭНИН, г. Москва) и другие. Работы выполнялись также непосредственно для атомных электростанции (АЭС) России и бывшего СССР - Хмельницкой, Ровенской, Калининской,Кольской, Смоленской, Ново-Воронежской, Курской и Игналинской, а в последнее время также на АЭС «Козлодуй» в Болгарии. Там же осуществлялось и внедрение практических результатов работы.

Автор благодарен своему первому руководителю, ныне покойному профессору В.М.Боришанскому, который оказал огромное влияние на становление автора, как специалиста в области теплофизики. Благодаря его поддержке автор 9 также имел уже на начальном этапе своей работы возможность широких контактов с крупнейшими специалистами в своей области: академиками АН СССР С.С.Кутателадзе, В.А.Толубинским, В.И.Субботиным, В.АХлухих, чл.корр. АН СССР Б.С.Петуховым, И.Т.Аладьевым, профессорами П.Л.Кирилловым, П.А.Ушаковым, М,Х.Ибрагимовым, В.М.Будовым, В.В.Фисенко, АВ.Тананаевым, С.А.Ковалевым, Б.И.Нигматулиным и многими другими. Эти контакты имели для автора большое значение, ибо позволяли получать научную информацию «из первых рук» и обсуждать свои работы.

Автор благодарен руководителю лаборатории 102 проф. Б.С.Фокину за содействие и постоянное внимание к работе, а также проф. В.Б.Хабенскому и д.т.н. Ю.А.Зейгарнику за ценные советы при подготовке настоящей работы. Автор также благодарен своим коллегам по работе в ЦКТИ профессорам

A.А.Андреевскому, Э.В.Фирсовой, кандидатам технических наук М.Я.Беленькому,

B.Н.Фромзелю, НВ.Мизонову, В.А.Шлейфер, М.Е.Лебедеву за сотрудничество на разных этапах работы.

Выводы по главе 1

1. Эффективность кожухотрубчатых теплообменников с продольным обтеканием при высоких значениях параметра теплопередачи теплообменников определяется в основном гидродинамикой межтрубного пространства. Разработанный интегральный подход к анализу эффективности позволяет оценить снижение эффективности по сравнению с чистым противотоком как за счет гидравлических неравномерностей, так и за счет деформаций пучка, связанных с его изготовлением и эксплуатацией.

2. Приближенная гомогенизация, примененная для расчета температурного режима многостержневых систем позволяет обойти принципиальные трудности, связанные с анализом теплового состояния сложных многоэлементных систем, что дает возможность обобщить многочисленные опытные данные по теплообмену при отсутствии вынужденной циркуляции. Это дало возможность построить конкретные расчетные методики для определения максимальных температур в контейнерах для перевозки и хранения отработавшего топлива.

1. Андреев П.А., Боришанский В.М., Готовский М.А. Фирсова Э.В., Лебедев М.Е., Мизонов Н.В. 1975. О расчете жидкометаллических противоточных теплообменников. Труды ЦКТИ, Л.,, вып. 131, с. 3-20.

2. Боришанский В.М,.Готовский М.А, Фирсова. Э.В. 1974. Теплоотдача в теплообменниках металл-металл. В кн.: Тепло- и массоперенос в фазовых превращениях, Минск, часть П, с. 126.

3. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., 1972. Конвективная неустойчивость несжимаемой жидкости. М., Наука.

4. Головко В.Ф., Ушаков П.А., Будов В.М. Труды ГПИ, 1975, 31, вып. 13, с. 3.

5. Готовский М.А., Ефанов А.Д., Мизонов Н.В., Фирсова Э.В., Юрьев Ю.С 1981. О влиянии гидравлических неравномерностей на эффективность жидкометаллических теплообменников; Препринт ФЭИ-1131, Обнинск.

6. Готовский М.А., Фромзель ВН. и др.,1984. Исследование температурного режима пучков тепловыделяющих стержней в отсутствии принудительной циркуляции теплоносителя. Тепломассообмен YII, т. 1, ч.1, Минск, 74-80.

7. Готовский М.А. Фромзель В.Н. и др. Теплообмен при естественной конвекции в горизонтально расположенных пучках тепловыделяющих стержней. 1986, Теплофизика высоких температур, 24, №4, с. 716-724.

8. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Л.: Наука, 1965.

9. Кондратьев В.И., Крупкин Л.К., МасныйВ.Ф,- Атомная энергия, 1974, 36, №4, с. 305.

10. Мизонов Н.В. 1979, Влияние теплогидравлических неравномерностей на теплопередачу в жидкометаллических теплообменниках. Авт. канд. дисс., Л.

11. Субботин В.И., Ибрагимов М.Х,, Ушаков П.А.и др. Гидродинамика и теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1975.

12. Субботин В.И., Митенков Ф.М., Боришанский В.М., Готовский М.А.и др. 1979, Теплогидравлические расчеты теплообменников с неравномерным расходом теплоносителей в пучке. Атомная энергия, 47, № 5, с. 318 321.

13. Фромзель Л.В. 1996, Методика расчета и интенсификация теплопередачи в полости контейнера для сухого хранения отработавших сборок твэлов. Автореферат канд. дисс.,СПб.

14. Шлейфер В.А. 1990, Автореферат канд. дисс. СПб.

15. Якоб М. 1960.Вопросы теплопередачи. М.: ИЛ.,

16. Fedorovich E.D., Fromzel V.N., Gotovsky M.A., Nikitin V A. 1989. The thermal conditions and the strength ofaspent fuel package. Analysis and test. PATRAM 89.

17. Fromzel V.N., Gotovsky M.A., Shleifer V.A., Fromzel L.V. 1997. Experimental investigations of spent nuclear fuel Assemblies. ICONE-5, rep.50224, Paris.

18. Gotovsky M.A. Lebedev M.E., Mizonov N.V. Firsova E.V., 1978, Thermohydraulic irregularities influence on the effectiveness of shell and tube counter flow heat exchangers. 6th Int. Heat Transfer Conf., Toronto, 4, pp. 213- 217.

19. Gotovsky M.A. et al. 1985, Thermal Effectiveness of Heat Exchangers: Effect of Manufacturing Inaccuracies and Deformation of Tube Bundles., Heat Transfer Engineering, 6, № 1, pp. 52 57.

20. KattoY., Masuoka T,5 1967. Criterion for the Onset of Convective Flow in a Fluid in a Porous Medium. Int. J. Heat Mass Trans, v. 10, N 3,297-309.

21. Wooding R,A., 1959. The Stability of a Viscous Liquid in a Vertical Tube Containing Porius Material. Proc. Roy. Soc., A259, 120-141.

22. Zaman S.U., Ford I.A., Wilber H.A. Trans. Amer. Nucl. Soc., 1971, vol. 14, p. }6.В