автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Теоретические основы комплексного теплогидравлического расчета аппаратов систем охлаждения энергетических установок

° - НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Институт проблем энергетики

С'

V

УДК 536.24:621 Л.016.4:62-714

Володин Виктор Иванович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЛЕКСНОГО ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА АППАРАТОВ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск 1998

Работа выполнена

в Институте проблем энергетики Национальной академии наук Беларуси.

Научный консультант - член-корреспондент НАНБ Михалевич А. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Девойно А.Н.

доктор технических наук Ковалев С.Д., доктор физико-математических наук Колос В.П.

Оппонирующая организация - Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Защита состоится о 199 ff г. в часов

на заседании совета ДО 1.10.01 по защите диссертаций при Институте проблем энергетики HAH Беларуси по адресу: 220109, г.Минск-Сосны. Тел. 246-75-93, факс 246-70-55.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЭ НАНБ.

Автореферат разослан ^ (X-tCix^/y- г_

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, д.т.н.

Б.Е.Тверковкш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В атомных электростанциях значительная ть энергии, превосходящая приблизительно в два раза электрическую мощность нции, отводится в виде тепла в атмосферу или водную среду с помощью систем [аждения. Возможности использования в качестве теплоприемника естественных ;оемов и создания искусственных ограничены экологическими и экономическими бованиями, поэтому перспективными являются системы воздушного охлаждения, i автономных энергоисточников этот вид охлаждения практически является нственно реализуемым. Он предпочтительней по многим показателям: не 'азуется туман и гололедица, независимость от источника водоснабжения при Sope площадки, значительная экономия воды, более низкие эксплуатационные ходы, снижается вероятность осаждения с осадками радионуклидов вблизи ицадки АЭС, высокая надежность по сравнению с традиционными системами аждения. ЯЭУ космических летательных аппаратов также включают системы аждения со сбросом тепла в верхние слои атмосферы. Основными механизмами еноса тепла в атмосфере для наземных энергоустановок является конвекция, а для мических - теплообмен излучением. К теплообменникам осуществляющим енос тепла в атмосферу относятся воздушные аппараты и радиаторы. Для ионального использования сбросного тепла наземных ЯЭУ и повышения зективности низкотемпературных охлаждающих систем летательных аппаратов ут использоваться тепловые насосы в состав которых входят аналогичные араты. Воздушные аппараты и радиаторы, также широко применяются в одильной технике, химической технологии, строительстве и других приложениях.

В связи с повышением роли систем охлаждения со сбросом тепла в атмосферу яикает проблема определения режимных и конструктивных характеристик пушных аппаратов и радиаторов при их проектировании и эксплуатации, периментальными методами получить эти характеристики не всегда дставляется возможным. В тоже время известно, что эффективным путем учения необходимой количественной информации является метод ематического моделирования. К настоящему времени вычислительный анализ душных теплообменников и радиаторов базируется в основном на интегральных одах. Однако расчет по средним характеристикам не позволяет получать кватные результаты, когда в аппаратах протекают процессы с химическими щиями, фазовыми переходами, теплообменом излучением, неравномерностью тределения рабочих сред в матрице аппарата. Данные процессы можно учесть на ове локальных методов расчета с применением одно- и двухмерных моделей, гющиеся отдельные локальные модели позволяют получать лишь некоторые гные решения и не решают проблему в целом. Таким образом возникает бходимость в разработке комплексного локального метода теплового расчета тушных аппаратов и радиаторов.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Данная работа

выполнена в рамках следующих научно-исследовательских программ, прошеди государственную регистрацию:

♦ исследование тепловых процессов (кипение, конденсация) в аппаратах конструкциях АЭС на диссоциирующем теплоносителе нит] (Межведомственная программа фундаментальной НИР на 1981-198; №ГР 81022183);

♦ создание турбоблоков с фреоновыми турбинами и проработка атомных стан] теплоснабжения с низкотемпературным реактором и тепловым насО' (Межведомственная программа фундаментальной НИР на 1986-1991 №ГР 0286.0074099);

♦ разработка аварийной пассивной системы расхолаживания реакторного бл ВВЭР-1000 (Межведомственная программа НИР на 1989-1991 №ГР 0189.0038049);

♦ исследование тепло- и массобмена в системах сложной конфигура (Межведомственная программа фундаментальной НИР на 1991-1995 г.: Л 0191.0040985);

♦ расчетное обоснование работоспособности воздушно-радиаторного охлажде (ВРО) системы нормальной эксплуатации 2-й очереди Билибинской АЭС низких температурах окружающего воздуха (Программа ИЯЭ АНБ на 199 №ГР 0192.0016723);

♦ теоретические и экспериментальные исследования ядерных энергетичес установок поколения повышенной надежности и экономичности с внутренн свойствами безопасности (Республиканская комплексная програ фундаментальных исследований на 1991-1995 г.: Энергетика 2.23);

♦ Республиканская программа по разработке и освоению производ холодильных машин и оборудования на 1993-1995 г. ("Холод");

♦ разработка научных основ энергосберегающих технологий и аппаратов промышленных предприятий и жилищно-коммунального хозяй (Государственная программа фундаментальных исследований РБ на 1996-; годы: Энергетика 49).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка оби методологического подхода к тепловому расчету для всех стадий проектиров; воздушных аппаратов и радиаторов систем охлаждения ЯЭУ, который базируете иерархическом наборе взаимосвязанных математических моделей: интеграль одномерной (квазидвухмерной) и двухмерной (квазитрехмерной). При этом м расчета должен позволять на основе рассмотрения отдельных процессов перено помощью моделей высшего уровня получать недостающие замыкающие соотнош и физические представления для моделей низшего уровня, прово, оптимизационные проектные расчеты, прогнозировать работу аппаратов нештатных режимов эксплуатации при изменении внешних и внутренних условий Для реализации поставленной цели необходимо было решить следук задачи:

разработать трехуровневую математическую модель с вертикальными и горизонтальными межуровневыми связями с возможностью анализа процессов и получения недостающих замыкающих соотношений и корреляционных коэффициентов на основе модели высшего (третьего) уровня для теплового расчета воздушных аппаратов и радиаторов ЯЭУ с помощью моделей второго или первого уровня;

разработать расчетную схему оптимизации с дискретными и монотонно изменяющимися переменными при явных и неявных ограничениях; на базе математических моделей теплообменников всех уровней разработать и отладить программный комплекс для вычислительного анализа воздушных аппаратов и радиаторов с целью обоснованного принятия проектных решений; подтвердить достоверность разработанных математических моделей путем сравнения полученных результатов с имеющимися экспериментальными, расчетными и аналитическими данными;

провести вычислительный эксперимент с целью определения основных закономерностей тепловых процессов для обоснования проектирования и отработки эксплуатационных режимов воздушных аппаратов и радиаторов ЯЭУ;

исследовать возможность расширения рамок применимости метода численного анализа для решения прикладных задач в смежной области энергосбережения. Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются душные и радиационные аппараты систем охлаждения ЯЭУ. Предметом ледования являются процессы тепломассопереноса в элементах и аппаратах с том гидродинамики течения рабочих сред, оптимизация режимных и [структивных параметров и прогнозирование работы теплообменников.

Гипотеза. Максимальное количество достоверной информации необходимой : эффективного проектирования и анализа работы технических систем может быть [учено на основе взаимосвязанного многоуровневого структурированного •ематического моделирования.

Методология и методы проведения исследования. Методология ледования базируется на численном анализе процессов в теплообменных аратах, в основе которой лежит метод математического моделирования.

Научная новнзна и значимость полученных результатов. Представленная ота содержит новые научно обоснованные результаты, полученные методом ематического моделирования на основе разработанной методологии комплексного >гоуровневого анализа процессов тепломассопереноса и расчетного ектирования, воздушных и радиационных аппаратов. Совокупность полученных ультатов обеспечивает решение крупной прикладной проблемы, связанной с снованным выбором и прогнозированием работы теплообменников систем душного и лучистого охлаждения ЯЭУ и в смежных областях, где используются логичные аппараты и системы.

Впервые разработана взаимосвязанная трехуровневая математическая модель

для расчетного проектирования теплообменных аппаратов систем охлаждения Я2 реализованная в виде комплекса прикладных программ.

В рамках этой системы впервые разработана двумерная математическая мод< физического процесса пленочной конденсации в вертикальных трубах воздушн теплообменников в наиболее общей постановке из потока химически реагируют теплоносителя, где имеются как конденсируемые, так и неконденсируем компоненты, между которыми протекают гомогенные обратимые химичеа реакции. Модель включает различные режимы течения двухфазного расслоенш потока, начальный участок, шероховатость на стенке, волновую поверхность грани раздела фаз газ-жидкость. Следующим уровнем моделирования являе квазидвухмерная модель воздушного теплообменника с параллельными каналам! неравномерным распределением потока воздуха по фронту аппарата. Эта мод базируется на одномерном рассмотрении процессов переноса в однофазном пото перегретом конденсируемом потоке и в потоке с намораживанием льда в систе взаимосвязанных каналов и является усовершенствованным подходом расч теплообмена в таких аппаратах. Низший уровень содержит интегральную модель , многовариантных прикладных оптимизационных расчетов альтернативн конструкций аппаратов с однофазными и двухфазными потоками, парокомпрессионных трансформаторов тепла.

Методом вычислительного эксперимента подробно исследован мехаш пленочной конденсации путем анализа распределения радиальных и продольи профилей переменных. При этом изучено влияние пленки конденсата на процес переноса в начальном участке, влияния неконденсируемых компонентов неравновесной химической реакции, динамическое воздействие потока газа, перег] и ряд других факторов, что позволило получить замыкающие соотношения , расчета коэффициентов переноса в модели низшего уровня и согласован! достоверные данные. Для воздушного охлаждения получены условия при кото{ достигаются глубокие переохлаждения пленки конденсата. Также исследова условия и даны рекомендации безопасной эксплуатации воздушных охладите, энергоустановок при отрицательных температурах атмосферного воздуха, ко возможно полное промерзание труб охладителя и их разрушение. Установлю условия и факторы, влияющие на оптимальную конструкцию воздупи теплообменников при явных и неявных ограничениях.

Аналогичный подход также был применен для исследования процессо! вычислительного проектирования радиаторов космических ЯЭУ со сбросом тепл атмосферу излучением. Модели третьего и второго уровня впервые позвол] рассмотреть процессы переноса для элементов радиатора конечной длины свободном и несвободном пространстве с учетом расположения коллекторов и схе течения теплоносителя. Получены предельные граничные значения рассмотренных элементов конечной длины. Модели низшего уровня позвол! выявить факторы, влияющие на оптимальную конструкцию радиаторов при явны неявных ограничениях. При этом выявлены общие закономерности как ]

ггимизации воздушных теплообменников, так и радиаторов.

С помощью дополнительного анализа установлено, что разработанный метод »кет применяться для решения задач в смежных областях, включая [ергосбережение. Например на основании вычислительного эксперимента выявлены кономерности влияния необратимых потерь в теплообменных аппаратах на :ергетическую и экономическую эффективность парокомпрессионного ансформатора тепла и подтверждены полученные ранее результаты оптимизации плообменных аппаратов ЯЭУ. Таким образом настоящий • подход к шислительному анализу теплообменников имеет более общий характер, уволивший расширить и углубить представления об исследованных процессах реноса, и не ограничивается лишь аппаратами ЯЭУ.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов. зработанный метод обеспечивает обоснование принятия решений при оектировании воздушных аппаратов и радиаторов ЯЭУ. Результаты исследований лоизученных процессов, полученные с помощью моделей высшего уровня, были проксимированы и используются в моделях низшего уровня для теплового оектирования теплообменных аппаратов. Это позволило провести работы по работке конструкции и эксплуатационных режимов воздушного конденсатора ытной транспортабельной энергетической установки на ядерном топливе с мически реагирующим теплоносителем диоксидом азота и разработать тимальные радиаторы орбитальных энергетических установок. Кроме этого были оделированы процессы намораживания льда в каналах воздушных охладителей гргетических установок, что дало возможность выработать рекомендации их :плуатации в нештатных режимах при отрицательных температурах атмосферного здуха, в том числе при его неравномерном распределении по фронту охладителя, юведена оптимизация параметров поверхности теплообмена воздушных нденсаторов для систем пассивного охлаждения реактора ВВЭР-1000. Данный тод также использовался при разработке воздушных конденсаторов блочно-шспортабельной ЯЭУ с турбоблоками на холодильных агентах и энергетической гановки на базе турбины КТ-1,5-1,3. Результаты работы по данным проблемам тользованы в ИПЭ НАНБ и в ГП «ОКБ Академическое» НАНБ

Расширенная модель использовалась также для численного анализа шительных приборов - конвекторов в ГП БелНИИС, утилизаторов тепла содящих дымовых газов и для оптимального проектирования парокомпрессионных годильных машин для переработки и камер хранения продуктов, и установок таждения молока с утилизацией сбросного тепла, на основании которых была ;работана конструкторская документация и опытные образцы в «ОКБ Академическое» НАНБ и ГП БелНЖТИММП. Показаны экономически основанные условия при которых возможно использования тепловых насосов для :тем воздушного отопления. Материалы диссертации и пакет программ, связанные рансформаторами тепла, используются в учебном процессе БГТУ.

Методология вычислительного проектирования воздушных аппаратов и

радиаторов на основе трехуровневого математического моделирования, и результ вычислительного эксперимента данной работы могут использоваться теплоэнергетике, холодильной технике, строительстве, транспорт: машиностроении и других сферах, где рассматриваемый тип теплообмена широко применяется.

Разработанный метод вычислительного проектирования включает процех оптимизации по показателям массы, габарита, затрат, мощности на прокачку рабе сред, что дает возможность разработать конструкции рассматриваемых в диссерта аппаратов и эксплуатировать их с минимальным потреблением материа капиталовложений и энергии.

Основные положения диссертации выносимые на защиту:

1. Трехуровневая комплексная методология взаимосвязанного числеш моделирования процессов переноса и вычислительного проектирова теплообменных воздушных аппаратов и радиаторов, включающая реализован впервые следующие частные случаи:

♦ двухмерную математическую модель пленочной конденсации химич! реагирующего газа в сопряженной постановке в осесимметрич вертикальных каналах с учетом ранее неисследованных явлений в началь участке, на границе раздела фаз и в потоке при ламинарном, переходно турбулентном течении, которая включает частные случаи однофазных поте в том числе и для плоской поверхности;

♦ квазидвумерную модель воздушного теплообменника для однофазны двухфазных потоков рабочего вещества во взаимосвязанных параллель каналах, включающую процессы конденсации, намораживания льда, в числе и для неравномерного фронтального распределения воздушного пото*

♦ квазитрехмерную модель для составных замкнутых областей в свободнс несвободном пространстве с внешним сложным кондуктивно-радиационнь внутренним конвективным теплообменом с элементами конструкций коне1 длины;

♦ расчетную схему оптимизации с дискретными и монотонно изменяющи1 переменными при явных и неявных ограничениях;

♦ математическую модель для сопряженного теплового проектирования кон парокомпрессионного трансформатора тепла с теплообменными аппарата! анализа его работы с учетом контуров тепло- и хладоносителя.

2. Комплекс прикладных программ для анализа процессов и тепло проектирования воздушно-радиационных аппаратов, разработанный на ос математической модели.

3. Результаты исследований, полученные впервые с помощью вычислитель эксперимента:

♦ объяснение механизма протекания процессов переноса в двухфа конденсируемом потоке на основании анализа радиальных проф переменных и роли определяющих факторов, влияющих на интенсив!-

пленочной конденсации: начальный участок, волновая граница раздела фаз и шероховатость на стенке, динамическое воздействие потока пара, неконденсируемые компоненты и химическая реакция, перегрев, свободная конвекция, переменность физических свойств;

условия полного промерзания каналов охладителя при отрицательных температурах атмосферного воздуха с учетом схемы течения и неравномерного распределения охлаждающего потока и пути преодоления данного явления; особенности теплоотвода от радиаторов с учетом взаимного облучения элементов конструкции, неравномерности расположения внешних источников тепла и конечной длины конструктивных элементов;

результаты вычислительного эксперимента по анализу работы парокомпрессионных трансформаторов тепла.

4. Результаты оптимизации теплообменников различного назначения с явными [еявными ограничениями на функцию цели.

5. Уравнения и коррелирующие поправки для расчета тепломассообмена и 1ротивления трения, полученные на основании вычислительного эксперимента.

Личный вклад соискателя. Трехуровневый подход к взаимосвязанному шовому вычислительному анализу теплообменных воздушных аппаратов и 1Иаторов ЯЭУ сформулирован и реализован автором данной работы. Модель ¡четного сопряженного анализа параметров контура трансформатора тепла и шообменных аппаратов разработана автором. Частные задачи для элементов шообменников ЯЭУ решались с участием соавторов. Реализация математической цели в виде программного комплекса осуществлена автором при технической лощи соавторов в процессе написания и отладки вспомогательных подпрограмм.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, включенные диссертацию, докладывались на следующих конференциях и семинарах: I теплофизическом семинаре, Новосибирск, 1978; VI Всесоюзной конференции по лообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в ментах энергетических машин и аппаратов, Ленинград, 1979; Всесоюзной научно-нической конференции "Тепломассообмен и моделирование в энергетических ановках", Тула, 1979; II международном симпозиуме по турбулентным сдвиговым ениям, Лондон, 1979; VI Всесоюзной конференции по тепломассообмену, Минск, 0; V Всесоюзной конференции "Диссоциирующие газы как теплоносители и очие тела АЭС", Минск, 1981; Всесоюзной конференции "Теплофизика и рогазодинамика процессов кипения и конденсации", Рига, 1982; VII Всесоюзной ференции по тепломассообмену, Минск, 1984; VII Всесоюзной конференции ухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", Ленинград, 1985; сесоюзной конференции "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и денсашш", Рига, 1988; VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в ргетических машинах и аппаратах", Ленинград, 1990; II Всесоюзной выставке граммных комплексов по численному решению задач термомеханики. Москва. 0; Международной юбилейной конференции "Ядерная энергетика в космосе".

Обнинск, 1990; II Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Мине 1992; Международном семинаре "Heat pipes, refregerators, heat pumps", Минск, 199 III Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, 199 отраслевой международной научно-технической конференции "Опыт и перспектив комплексного решения проблем энергосбережения при строительстве преобразовании жилого фонда", Минск, 1997; 62-й научно-технической конференщ БГТУ, Минск, 1998.

Опубликованность результатов. Результаты диссертации опубликованы в i статьях научных журналов и сборников, 6 тезисах докладов конференций, препринтах и 3 авторских свидетельствах на 298 страницах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общ« характеристики работы, восьми глав, заключения и приложения. Содержит 2! страницы, включая 128 рисунков на 64 страницах, 25 таблиц на 10 страница приложение на 7 страницах и список использованных источников из 3 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Показана область применения воздушных и радиационных теплообменш аппаратов в ядерных энергетических установках и в смежных областях техники промышленности. Приводится обоснование необходимости проведения работ разработке методологии комплексного теплогидравлического расчета данш аппаратов применительно к системам охлаждения ЯЭУ.

1. Анализ и постановка задачи исследования

Из проведенного анализа следует, что в настоящее время в энергети нормативы для теплогидравлического расчета воздушных аппаратов и радиатор отсутствуют. К использованию рекомендуются лишь отдельные расчета соотношения в виде уравнений подобия для определения коэффициентов теплоотда и сопротивления. Методы теплового расчета радиаторов и их элементов нормативных документах не оговариваются.

В практических расчетах наиболее широкое распространение получи интегральные методы теплового расчета аппаратов систем охлаждения, котор] свойственно ряд недостатков, так как они неадекватно отражают процессы переш при течении потоков с фазовыми переходами и в системах сложной конфигурации ряде публикаций Е.Г.Зауличного, Г.Е.Каневца, Л.И.Колыхана и других авто] предложены методы локального расчета данных аппаратов для решения отдельн прикладных задач. Однако из-за сложности процессов переноса ряд фактор влияющих на эффективность теплообменников, этими методиками не учитывав! Например, неравномерность распределения рабочих сред по фронту воздушг аппаратов, намораживание льда в каналах охладителей, протяженность

сположение конструктивных элементов с учетом направления потоков рабочей еды в излучателях летательных аппаратов и ряд других. Одной из причин такого ложения является отсутствие некоторых замыкающих соотношений для расчета кального тепломассообмена и сопротивления, необходимых для создания более вершенных расчетных моделей аппаратов.

В целом проблема комплексного теплогидравлического расчета воздушных и диационных аппаратов систем охлаждения ЯЭУ может быть решена на основе аимосвязанного многоуровневого математического моделирования с конечной ализацией в виде пакетов прикладных программ. Учитывая отсутствие такого ггода и необходимость в нем для решения прикладной научно-технической юблемы в обеспечение работ на стадиях проектирования и эксплуатации ЯЭУ, была 1ставлена задача разработать такую методологию.

В данной работе принята трехуровневая структура математической модели для ализа стационарных процессов тепломассопереноса и расчетного проектирования здушно-радиационных аппаратов систем охлаждения энергоустановок. Ее можно юдставить в виде иерархической схемы с прямыми и обратными связями (рис.2.1). :ртикальные связи между моделями осуществляются для теплообменных аппаратов ;ного типа. При переходе с низшего уровня модели на высший имеется также юсредованная обратная связь, которая дает возможность корректировать и уточнять щели низшего уровня по мере усовершенствования и развития моделей высшего 'овня. При рассмотрении теплообменников различного назначения и нструктивного исполнения устанавливаются горизонтальные связи в рамках одной щели, которые позволяют проводить анализ при совместной их работе в составе пловой машины или технологического контура.

При рассмотрении конвективного переноса на низшем первом уровне стоит ггегральная модель, включающая уравнения теплопередачи и теплового баланса, оволяющая проводить оптимизационные проектные расчеты на поисковой стадии юектирования и прогнозировать изменение режимных параметров в принятой нструкции аппарата при эксплуатации в условиях, отличающихся от номинальных.

Следующий уровень моделирования базируется на одномерном подходе, торый в теплообменниках с системой каналов позволяет получить распределение жимных параметров по объему аппарата. Данная модель фактически является азидвумерной. Связь между каналами осуществляется через общие юстранственные зоны рабочих потоков разделенных стенкой, которые включают мпературу воздуха, расход и перепад давления рабочей среды. В основе данной )дели лежат уравнения конвективного переноса тепла со стороны рабочих потоков, гом числе и расслоенных двухфазных, которые имеют следующий вид:

2. Обобщенная математическая модель переноса в теплообменниках энергетических установок

(1.1)

где в - массовый расход; ср - теплоемкость; Т - температура потока; А - площа сечения; а - коэффициент теплоотдачи; Тз,; - температура элемента пограничн поверхности. Система уравнений дополняется расчетом коэффициентов переноса потоков через поверхности теплообмена. Численное интегрирования осуществляет с использованием итераций.

На данном уровне можно проводить исследовательские, проектные поверочные расчеты, а также предсказывать изменение режимных параметров п эксплуатации аппаратов в нештатных условиях. Эта модель дополняет перв уровень расчета более детальным рассмотрением процессов переноса, протекающи аппаратах, что особенно важно для потоков с фазовыми превращениями и п неравномерном распределении рабочих сред, когда интегральная модель в принц* дает неверные результаты. Например, в потоках с намораживанием льда на стеш каналов охладителей энергоустановок при отрицательных температу] охлаждающего воздуха.

Модель третьего уровня позволяет проводить исследовательские и прикладк расчеты при протекании процессов переноса в отдельных осесимметричных кана: воздушных теплообменников как для однородных, так и для многокомпонентн потоков с химическими реакциями, в том числе и с фазовыми превращениями г пленочной конденсации или испарении. Двумерная модель конвективного перенос общем случае для каждой фазы включает следующие уравнения сохрани пограничного слоя:

5(Р») , 1 Эх гк

——(ругк

И

с

Эх

Эи Эи 1 д \ к г 5и 1 с1Р , ч

эн эн

ду ду

гк ду)

Не«" ¿>Н

Рге(Т *

■Мйг

■ДТ1 Эт| Эи

¡=1

ди

9т:

ри — + ру—= —-—

Эх

ду

1 _э

-к ду

где р - плотность; и и V - продольная и поперечная составляющие скорости; х, у продольная, поперечная и радиальная координаты; - эффективная вязкость давление: g -ускорение; Н - энтальпия; Рге(Г, Рг0 е(Г -молекулярное и диффузио)

исла Прандтля; т[ - массовая доля 1-го компонента; - источник (сток). В плоском лементе к=0 и г=х, в осесимметричном - к=1.

Для однородных потоков и при отсутствия химических реакций уравнение (1.5) пускается, а в уравнении (1.4) - член, учитывающий диффузионный перенос нтальпии. Система уравнений дополняется условиями на входе в канал, в начальном частке, на стенке, на границе раздела фаз и на оси для осесимметричных потоков. Гринята двухслойная модель турбулентности, которая базируется на гипотезе 1рандтля о длине пути смешения. Решение параболических уравнений пограничного лоя (1.2)-(1.5) проводится модифицированным методом Патанкара-Сполдинга.

Метод расчета теплообмена в замкнутых областях конечной или бесконечной ротяженности со сбросом тепла излучением в свободное (ч5=0) или несвободное Эз^О) пространство, как и модель конвективного переноса, построен по рехуровневой схеме. Исследуемый объект разбивается на одну или несколько оподчиненных областей. Области первого порядка являются элементарными, а торого - в свою очередь состоят из них. Открытые поверхности заменяются активными абсолютно черными.

Распределение температур в сечении произвольного или осесимметричного ребренного элемента описывается двумерным уравнением теплопроводности:

це Х - коэффициент теплопроводности; ц - плотность потока внутренних источников епла.

Плотность потока эффективного излучения В, которая однозначно связана с езультирующим тепловым потоком, находится из матричного уравнения

це М - матрица, включающая угловые коэффициенты излучения и свойства атериалов; В - вектор эффективной плотности теплового потока; Т - вектор гмператур.

Уравнения теплопроводности (1.6) и теплообмена излучением (1.7) совместно с эаничными условиями решаются численно методом конечных элементов с риангуляцией исследуемой области и зональным методом соответственно с учетом онвективного теплообмена, описываемого уравнением (1.1). В целом замкнутая истема уравнений решается методом вложенных итераций. Результатом решения вляется распределение температуры в теплоносителе и по поверхности составного бъекта, а также распределение результирующих тепловых потоков, в том числе и при еравномерном распределении внешних источников.

В настоящее время актуальной также является проблема выбора эффективных гплообменных аппаратов и их надежного регулирования. В общем случае етерминированная задача сводится к отысканию минимума целевой функции

(1.6)

мв = т,

(1.7)

Р=гшп/(Х,У,п), которая определена на множестве X режимных и конструктивны параметров при явных Х; т}п<Х<Х; тах и неявных ограничениях <р|(Х,У,п)<0. I зависимости от задачи проектирования в качестве показателя оптимальности Р могу выступать масса, габаритные размеры, температурная эффективность, стоимост аппаратов или затраты. Показатель оптимальности представляется в неявном виде как замкнутая система уравнений.

Если во время эксплуатации теплообменника необходимо поддерживат постоянным какой либо параметр, то в этом случае в качестве И выступает разност между заданным и текущим значением регулируемого параметра. Минимум функци цели находится итеративным методом сеток с переменным шагом или методо] штрафной функции.

Реализация горизонтальных связей осуществлена в рамках модел парокомпрессионного трансформатора тепла в состав которой входят не тольк воздушные теплообменники, но и рекуперативные аппараты других типо] кожухотрубные, змеевиковые, пленочные, с трубами Фильда. В настоящей работ рассматривается двухступенчатый трансформатор тепла, который может бьп использован для утилизации сбросного тепла АЭС. В общем случае проводите сопряженный расчет параметров цикла и теплообменников контура трансформаторе тепла (тепловых насосов, холодильников, кондиционеров) с учетом необратимы потерь.

3. Программный комплекс и достоверность математической модели

Программный комплекс для численного анализа процессов теплообмена и расчс воздушных теплообменников, радиаторов и трансформаторов тепла включает три паке-прикладных программ: РАНЕ2 для аппаратов и процессов с конвективным переносо тепла, НЕАТК2 для аппаратов и процессов с определяющим кондуктивн радиационным теплообменом, НЕАРЯ для парокомпрессионных трансформаторе тепла. Во всех пакетах используются общие коды, относящиеся к расчету конвективно: теплообмена. Базовым пакетом для исследования конвективного теплообмена теплового проектирования аппаратов является пакет РАНЕ2.

В основе пакета прикладных программ РАНЕ2 лежит трехуровневая систе? расчета воздушных теплообменников и процессов (СРВТП), которая создана на ба разработанной математической модели конвективного переноса. Для выбора расчета схемы и математической модели требуемого уровня теплообменные аппарат систематизируются по направлению теплового потока, связанного с нагреванием ш охлаждением воздуха, а также по процессам в каналах.

Прикладной пакет программ НЕА"Ш2 предназначен для теплово проектирования радиаторов ЯЭУ летательных аппаратов, сбрасывающих тепло как свободное, так и несвободное пространство. Пакет состоит из программ одно-двумерной теплопроводности и программ для расчета конвективного теплообмена одномерной и интегральной постановке. Структурно, как и СРВПТ, он включа программы интегрального, квазидвумерного и кваз1ггрехмерного расчета параметр

щиаторов.

Пакет прикладных программ HEAPR предназначен также для сопряженного ¿счета параметров цикла парокомлрессионного трансформатора тепла и входящего в ее клав теплообменного оборудования. Он содержит коды для расчета интегрального плообмена, в том числе по участкам для конденсаторов и испарителей.

Ограничения на решение задач определяются применяемыми замыкающими шнениями подобия для расчета коэффициентов теплоотдачи и сопротивления и >авнениями для расчета турбулентной составляющей в двумерной модели.

Программный комплекс составлен на языке "Фортран" и работает под давлением MS Fortran PowerStation 4.0. Он является замкнутым и не использует помогательные связи в виде кодов, кроме встроенных функций, реализованных в самом мплексе. Библиотека объектных модулей и выполняемые файлы программ дотированы для работы на персональных компьютерах.

Для обоснования достоверности обобщенной математической модели, ализованной в виде программного комплекса, были проведены серии вычислительных спериментов для сравнения полученных результатов с опытными, расчетными и алитическими данными других авторов. Ниже приводятся некоторые результаты.

На рис.3.1 показано сравнение с локальными экспериментальными данными по плообмену при конденсации движущегося водяного пара в вертикальной трубе. В лом отклонение расчетных и экспериментальных данных при ламинарном и реходном течении конденсатной пленки не превышает 16%, а при турбулентном - 5%. зи этом двумерная модель адекватно учитывает переход от ламинарного к рбуленгному режиму течения.

Для случая теплопроводности и теплообмена излучением проводилось сравнение с (еющимися многочисленными аналитическими и численными данными работы для дельных ребер прямоугольного, трапециевидного и треугольного профиля. Получено рошее совпадение результатов. Например, на рис.3.2 приведены результаты сравнения я распределения температуры по высоте ребра при вынужденной конвекции на обеих эронах (кривая 1) и при сложном теплообмене со свободной конвекцией на одной эроне и вынужденной конвекции с излучением на другой стороне ребра (кривая 2). щно, что результаты данной работы и эталонные результаты хорошо согласуются. В учае сложного теплообмена отклонение не превышает 2%.

Для одномерной модели проводилось сравнение с данными при течении жидкости >диночных трубах с намораживанием льда на стенках. На рис.3.3 показано изменение зразмерного теплового потока q* по длине канала х*. Получено удовлетворительное гласование результатов. Такая же корреляция достигнута для толщины слоя льда и репада давления.

Достоверность модели трансформатора тепла хтя случая холодильной машины ic.3.4) проверялась сравнением расчетных (линии) и экспериментальных (точки) иных для компрессора ХГВ-14, представленных ЦНИиПИ "Тайфун" (Украина, 1иколаев). Результаты сравнения можно считать удовлетворительными, так как вхождение между расчетными и опытными данными не превышает 10%.

Методы оптимизации апробировались на тестовых функциях: функции CayDJ задаче о почтовой посылке и двумерной экспоненциальной функции. Получено хорош совпадение с эталонными данными при определении координат экстремума тестов! функций цели как без ограничений, так и с ограничениями.

Сравнением результатов вычислительного эксперимента проводилась также и другими данными: при течении однофазных потоков в каналах с непроницаемы? стенками и с отсосом, включая начальный участок, при пленочных течениях, п] частичной конденсации, при испытании опытных образцов трансформаторов тепла макетов конденсаторов энергоустановок. Во всех случаях получено удовлетворительн согласование, как качественное, так и количественное. В общем случае точное результатов расчета на основе разработанной математической модели оценивается уровне 5+20%. Она увеличивается в предельных случаях при рассмотрении элементарн] процессов и снижается при совместном решении внутренней и внешней задачи на осно одномерной или интегральной модели. Сравнение с локальными экспериментальны! данными показывает, что математическая модель правильно интерпретирует механи протекания процессов переноса.

4. Исследование механизма пленочной конденсации химически реагирующего теплоносителя в вертикальной трубе

Одной из наиболее сложных задач являются тепловые расчеты конденсата представляющего собой пучок оребренных труб. Экспериментальные данные для расчел анализа конденсаторов имеются не в полном объеме. Метод математического моделироваг в двухмерной постановке позволяем восполнить этот пробел и рассчитывал, весьма сложн процессы тепло- и массообмена, по которым имеется ограниченная информация.

В настоящей работе рассматривается общий случай конденсации на прим( химически реагирующего газа N204<=>2N02<=>2NCH-02 со специфически теплофизическими и переносными свойствами. В общем случае в данном вещест первая реакция равновесная, а вторая протекает с конечной скоростью. При эт компоненты N0 и 02 неконденсируемые. Если N0 и 02 успевают полност прореагировать, то смесь газов будет представлять единое вещество и ее свойс определяются равновесной реакцией N204cí>2N02. Она по своему поведен: аналогична чистому пару. Наконец в случае очень медленного протекания реаи. смесь газов подобна нейтральной парогазовой смеси. Рассмотренные выше случаи ; газовой смеси будем соответственно называть "кинетический", "равновесный" "замороженный". Жидкая фаза считается единым веществом. В атомной энергел рассматривалась возможность использования этого вещества в качестве теплоносител) рабочего тела ядерных энергетических установок. Наряду с решением задачи для химиче реагирующих веществ, были рассмотрены также и более простые случаи важные практики: конденсации водяного пара, холодильных агентов и пленочных тече! однородных жидкостей.

Ниже представлены некоторые результаты вычислительного эксперимента. На рис показано радиальное распределение профилей продольной составляющей скорости

гмперэтуры в пленке конденсата и конденсируемом потоке при граничных условиях ретьего рода и перегреве на входе 10 К. Видно, что радиальные профили скорости охраняют параболический вид, пока скорость потока газа больше скорости конденсата. Ъгда скорость газа становится меньше скорости жидкости, то его профиль отличается от араболического. Это связано с тем, что в момент перестройки поля продольной эставляющей скорости градиент ди/бу, характеризующий касательное напряжение на эанице раздела фаз, становится равным нулю. Затем касательное напряжение меняет знак на грицательный, что указывает на тормозящее воздействие потока газа и объясняет эзникновение точки перегиба. Таким образом, в двухфазном потоке с конденсацией может роисходить нарушите "подобия" радиальных профилей зависимых переменных.

Так из рис.4.2 можно увидеть, что в ""кинетическом" случае независимо от состава на <оде интенсивность конденсашш при установившемся процессе становится приблизительно данаковой. В тоже время в "замороженном" случае с ростом т41 она понижается. По аксималыюму значению интенсивности конденсации, рассмотренные случаи можно ^положить в следующей последовательности: равновесный, "кинетический" и ;амороженный". При конденсации химически реагирующего теплоноаггеля кинетика мической реакции способствует уменьшению нековденсируемых компонентов в потоке. В зультате этого интенсивность конденсашш повышается и мало зависит от состава на входе канал.

Получено также ряд других закономерностей для случаев течения шденсируемого потока в начальном участке, при воздействии динамического потока фа, при конденсации перегретого пара и конденсации на турбулентной пленке идкости, в том числе с учетом влияния изменения физических свойств, шероховатости I стенке и волновой границе раздела фаз. Например выявлено, что общепринятый >дход к расчету конденсации перегретого пара интегральными методами, когда теплота фегрева суммируется с теплотой конденсации, во мнопгс случаях является корректным. Так при частичной конденсации такой подход может приводить к вышеншо скорости конденсации до 35%. Если приближенная модель не учитывает щамическое воздействие перегретого потока пара на пленку жидкости, это также 1ИВОДИТ к ошибке в результатах.

Рассмотрена возможность повышения эффективности процесса путем конденсации регретых паров хладагента Ш2 или диоксида азота, а также их смесей с конденсируемыми компонентами на турбулентной жидкой пленке по всей длине труб, гтучепные результаты показывают, что конденсацию предпочтительней проводить на рбулентной пленке жидкости с минимальным переохлаждением. В этом случае фективность конденсации в рассмотренном диапазоне изменения параметров может быть еличена до 20%. При конденсашш на переохлажденной пленке жидкости тепловая фективность напротив может снижаться га-за уменьшения температурного напора между лаждаюшей средой и стенкой. Так при переохлаждении пленки на 20 К тепловая фективность в среднем уменьшается на 5%.

При работе электростанции в газожидкостном цикле в процессе конденсашш гбуется переохлаждение теплоносителя для обеспечения нормальной работы насоса. В

связи с этим проведено численное исследование охлаждения свободно стекшощ конвективной пленки жидкости внутри трубы. Из проведенного исследования следует, ч если свободная поверхность пленки контактирует с паровой фазой (^=7^), то достигаем! переохлаждения невелики и они достигаются на начальном участке до 0Д-й),3 м. Д получения более глубокого переохлаждения необходимо создавать адиабатические участ примыкающие к свободной поверхности или проводить охлаждение теплоносителя отдельном теплообменном аппарате - охладителе конденсата.

При разработке одномерных инженерных методов расчета пленочной копденсац для замыкания уравнений сохранения импульса, энергии и массы необходимо зн; локальные коэффициенты трения и тепломассоотдачи на границе раздела (жидкость - тверх сгенка, газ-жидкость), которые могут быть получены теоретическим или опытным пуп Полной информации по данному вопросу в настоящее время не имеется. Разработай двумерная математическая модель пленочной конденсации в вертикальной трубе позвол! провести вычислительный эксперимент и получить некоторые недостающие данные.

В результате численного исследования конденсации диоксида азота, водяного па холодильных агентов Я12 и Я22 было выявлено, что критическое число Рейнольдса зависит от физических свойств исследуемого вещества, интенсивности массообмена динамического воздействия пара на границе раздела фаз. Кроме этого получено, чтс окрестности (Ые^кр±100) число Нуссельта остается практически постоянным. Ана) данных вычислительного эксперимета позволил получить следующую зависимость , Кеж,кР при переходе к турбулентному режиму течения:

Яетжкр =1600(Ргж-0,76)°'43ехр(Яеуж10-4 -0,11т;), (4.

где 0< т^ <5, 0<ЯеУЖ =ш"-1/цж <6000, 1 < Ргж <10. Соотношение (< аппроксимирует расчетные данные с точностью до 10%.

При конденсации перегретой смеси теплообмен в потоке газа зависит интенсивности конденсации, которую можно характеризовать параметром отс Р = у5 / и . Путем аппроксимации результатов вычислительного эксперимента получ зависимость для расчета локальной теплоотдачи в перегретом конденсируемом потоке : турбулентном течении чистого пара или равновесной смеси диоксида азота:

N11 г / N11 г0 = 1 + ОД 3 5 ехр( -278р) = с ц, (4

где 10~3 <Р < 1,2-10~2, 6-103 < Лег <5-104, а число Нуссельта N11,0 рассчитывается формуле Петухова-Кириллова для однофазных потоков.

Анализ результатов численного моделирования тепломассообмена в химиче реагирующем конденсируемом потоке №04<»2Ы02о21\1(>Ю2 показал, что в "кинетическ случае локальные коэффициенты тепло- и массосггдачи зависят не только от интенсивно конденсации, но и от числа Льюиса-Семенова:

Ыиг /Ниг0 =с„Ьеа55, (4

то/шоо = с^е'0\ (4

Зависимости (4.1)-(4.4) были использованы для корректировки одномерной госенерной методики, которая применяется для расчета процесса пленочной конденсации в ртикальных трубах. Кроме рассмотренных получены соотношения и поправочные эффициенты для расчета касательного напряжения на границе раздела фаз газ-жидкость, я теплоотдачи при ламинарно-волновом режиме течения конденсатной пленки и при реходе к турбулентному режиму течения. На основе выявленной закономерности получено 1авнение, связывающее температурные напоры конденсатных и конвективных пленок здкости в зависимости от числа Рейнольдса. Уравнения, полученные на основе проксимащш результатов вычислительного эксперимента, дают возможность установить ратную связь между моделями второго и третьего уровня (см. рис.2.1).

5. Аппараты воздушного охлаждения энергетических установок

На ранней стадии проектирования аппаратов систем воздушного охлаждения жно выбрать оптимальные значения конструктивных и режимных параметров в ответствии с накладываемыми ограничениями. Область изменения параметров [ределяется технологическими и эксплуатационными ограничениями и раничениями на применимость замыкающих соотношений для расчета теплоотдачи сопротивления трения. В качестве функции цели принимались затраты, удельные 1сса или габариты аппаратов. Получено, что оптимальные параметры (высота, лщина и шаг ребер, диаметр каналов, число рядов труб, скорость потока воздуха и угие) отличаются в зависимости от принятой функции цели. На их значение также азывают влияние тип поверхности теплообмена и наличие явных и неявных раничений. С увеличением числа ограничений и с сужением области поиска солютное значение минимизируемой функции цели возрастает.

В процессе проведения оптимизационных расчетов без ограничений получено, о существует явно выраженный минимум любой функции цели (рис.5.1). В альных аппаратах минимум функции цели может находиться на границе области менения переменных. При малых шагах I и высоте Ь ребра работают неявные раничения по мощности на прокачку воздуха, а при больших - явные для Ь и I. шный результат справедлив и для функций с большим числом переменных, когда которые из них находятся на границе области допустимых значений. В обоих учаях (с ограничениями и без них) изолинии целевой функции вблизи минимума сполагаются редко, что говорит о небольшом ее градиенте и возможности вариации раметров при проектировании воздушных теплообменников.

Одним из примеров применения разработанной методики является расчетное оектирования конденсаторов системы пассивного отвода остаточного энерговыделения гивной зоны реактора типа ВВЭР-1000 и для конденсатора блочно-транспортабельной ергетической установки с турбиной КТ-1,5-1,3. В первом случае были определены нструктивные оптимальные параметры поверхности теплообмена. В том числе были [явлены области теоретаческого оптимума, когда существующая технология не зволяет реализовать наиболее оптимальную конструкцию, но она может быть алпзована в будущем. Во втором случае выбирались оптимальные параметры как

конструктивные, так и режимные с учетом изменения полезной мощности турбины температуры сбросного тепла воздуха, используемого для технологических нужд.

Получено, что в системе параллельных каналов в первых рядах по ходу возду> процесс конденсации при спутном течении пара и конденсата может заканчиватъс раньше, чем в последних рядах. При конденсации парогазовых смесей на этих участка могут накапливаться неконденсируемые газы, что косвенно подтверждает гипоте; Л.И.Колыхана. В конечном итоге это может являться причиной уменьшена эффективности процесса конденсации.

На основании вычислительного эксперимента, проведенного с помощы локального метода расчета воздушного конденсатора при двумерно неравномерности потока охлаждающего воздуха, которая изменялась до 75%, был получено, что при конденсации в вертикальных трубах определяющее влияние I тепловую эффективность оказывает неравномерность потока воздуха по длине тру При этом, если при неравномерном распределении потока по высоте труб локальш скорость воздуха в начале координат выше средней, то в рассмотренных случа; наблюдается повышение тепловой эффективности конденсатора до 15%, а если ни» средней, то эффективность уменьшается до 35%. Во всех рассмотренных случае гидравлическая эффективность уменьшается и потери давления возрастают до 30°/ Для повышения тепловой эффективности конденсатора путем регулирован! распределения скорости воздушного потока по длине пучка труб было разработаг соответствующее устройство.

Эксплуатация воздушных теплообменников систем охлаждения пр отрицательных температурах атмосферного воздуха может сопровождать« замерзанием теплоносителя воды в трубах. Для условий Билибинской АЭС получен что наиболее надежно работает многоходовая схема с прямоточным включение ходов, когда вероятность намораживания льда минимальна. В таком аппара: холодный воздух контактирует с теплоносителем при максимальной температуре повышенной скорости течения. Неравномерный профиль скорости может приводить дополнительному полному промерзанию отдельных рядов труб z по ходу воздух когда Тж<0 (рис.5.2). При этом замерзание теплоносителя происходит в критичесю зонах охладителя с минимальным расходом теплоносителя и максимальнс скоростью воздуха. Взаимное наложение этих факторов вызывает более интенсивш намораживание льда. В режиме с неравномерностью обоих потоков (Д\уа>0 и ДлУжХ промерзают три ряда труб, в то время как при неравномерном распределении лиц одного из потоков наблюдается полное промерзание двух рядов труб.

6. Радиаторы летательных аппаратов

В ядерных энергоустановках летательных аппаратов, как и в наземных, одним основных элементов является система охлаждения. Радиаторы оказывают существенн влияние на режимные и конструктивные параметры не только энергетических установок, не на летательный аппарат в целом, так как они обладают значительной массой и габаритам Поэтому одной из важных задач является снижение массы излучателей.

Вначале с помощью модели 1-го уровня проводится выбор оптимальной конструкции диатора минимальной массы Мч с ограничениями на габариты (1УЕ>) и режимный параметр перепад давления АР при течении теплоносителя через радиатор. Ограничения на ДР тводят к увеличению диаметра труб и коллекторов, а дополнительные ограничения на бариты ведут к росту числа труб. Наблюдается закономерность: с увеличением числа раничений величина М,, растет. При этом сужение области определения параметров ДР и Б ведет к значительному росту удельной металлоемкости, приближающейся к 100%. шный результат подтверждает аналогичные выводы для воздушных аппаратов.

Вычислительный эксперимент показал, что в панельном радиаторе с числом модулей п>3 раздающие коллекторы целесообразней располагать со стороны свободного юстранства, когда М,, имеет наименьшее значение. Такое изменение Мч объясняется юбенностями взаимного поглощения энергии участками поверхности радиатора.

Для более детального анализа теплообмена использовалась модель 2-го уровня, ^положение раздающих и сборных коллекторов влияет на поле температур поверхности диатора (рис.6.1). Изолинии температуры не обладают поворотной симметрией ■носительно оси, совпадающей с линией сопряжения модулей радиатора. Это объясняется м, что при расположешш раздающих коллекторов со стороны свободного пространства, ичале происходит более интенсивное охлаждение теплоносителя и соответственно более зкое снижение температуры стенки поверхности теплообмена. В этом случае изолинии с ,тсокой температурой занимают меньшую площадь поверхности (рис.6.1 а). Когда □дающие коллекторы расположены в месте сопряжения модулей, то на распределение мпературы значительное влияние оказывает взаимный обмен лучистой энергией между [ементами поверхности теплообмена. Изолинии с высокой температурой располагаются :же и занимают большую площадь поверхности теплообмена (рис.6.1 б) по сравнению с ,ппе рассмотренным случаем. Таким образом, распределение температуры по поверхности ногопанельного радиатора зависит от органшации раздачи теплоносителя по коллекторам, х) следует учитывать при разработке конструкции данных аппаратов.

В зависимости от угла сопряжения панелей радиатора характер распределения ■мператур по их наружным поверхностям приводит к изменению значений тепловых тгоков. Из рис.6.2 видно, что при расположешш сборных коллекторов у оси симметрии ¡лучателя (сплошная линия), тепловой поток с сокращением угла между панелями падает в гньшей степени, чем при обратном расположешш коллекторов (пунктирная линия), щиаторы с такой компоновкой являются более эффективными. Так при угле 30° между шелями эффективность этого радиатора выше на 43%. Данный результат подтверждает лводы, полученные с помощью математической модели 1-го уровня.

С помощью вычислительного эксперимента получены некоторые предельные хтюшения. Исследовалось влияние протяженности элементарной поверхности на работу щиатора с изменяющимся числом панелей, которое характеризуется отношением тепловых шжов поверхностей конечной и бесконечной длины. Получено, что при N„<2 зебренные элементы можно с достаточной точностью принимать неограшиенно длинными ?и //(2Н+(1„)>3, где / - длина элемента, Н - высота ребра и ён - наружный диаметр каналов, згда отношение приближается к единице. В случае многопанельного радиатора (N„,>2)

за счет взаимного обмена энергией температуры панелей выравниваются и q/qoc практичесга не меняется. В значительной степени на цА^ос влияет температурный напор между внешне? поверхностью и окружающей средой. Степень черноты и отношение диаметра труб к базовот толщине ребра оказывают слабое влияние на параметр ц/ц^.

В качестве альтернативного варианта рассматривался цилиндрический радиатор Сравнительный анализ эффективности панельного и цилиндрического радиатороЕ проводился для теплоносителя К-Ыа. При более низком уровне температуры теплоносителз на входе (ТЖ1=438 К) конструкция радиатора в виде цилиндра предпочтительней, че\ конструкция панельного радиатора. Цилиндрическая конструкция позволяет снизить кал массу, так и число оребренных труб.

Была также рассмотрена возможность применения тепловых труб в радиаторах < газовым теплоносителем. При отсутствии неявных ограничений на габариты и перепа; давления применение тепловых труб позволяет получить два положительных эффекта пр1 постоянном тепловом потоке радиатора. Во-первых, снизить массу радиатор; приблизительно на 6%, а во-вторых, уменьшил, число оребренных труб на 25%, т.е увеличить надежность конструкции. В случае одновременного накладывания дву; ограничений на гидравлическое сопротивление и габариты (Ь/Е><1,4 и ДР/Р< 1,87-10"2 режимные и геометрические параметры радиаторов с тепловыми и без тепловых тру( становятся практически идентичными по всем показателям. Скорость теплоносителя т диаметры труб радиаторов лежат на нижней границе области допустимых значений, I массовая эффективность равняется максимальной величине, что соответствует наиболыне! абсолютной массе.

С помощью модели третьего уровня исследовано влияние неравномерности внешни? источников излучения на тепловой режим радиатора. В несвободном пространств« распределение локальных внешних источников можно свести к равномерному, при эк» получаем близкие результаты по отводимому тепловому потоку. Однако наблюдаете, некоторое различие в распределении температуры по базовой поверхности радиатора несущей ребра (рис.6.3). Важное значение имеет возможность получения локальной распределения температуры по поверхности и поперечному сечению радиатора. Во-первых это распределение отражает тепловую эффективность оребренной поверхности. Во-вторых оно значительно влияет на термическое напряжение радиатора, а следовательно н< прочностные свойства.

7. Некоторые приложения метода теплового расчета к другим техническим устройствам

Теплообменники с отводом тепла в атмосферу используются не только в ЯЭУ, но и в> многих других установках и технологических процессах. Проведенный анализ показал, чп разработанный метод теплового расчета процессов и аппаратов можно применять в областях относящихся к традиционной теплоэнергетике, к химической технологии и технике. 1 строительству, где широкое распространение получили воздушные теплообменные аппараты

Решена задача теплообмена излучением цилиндра в замкнутой протяженной полоетт которая позволяет оценить лучистую составляющую при отводе тепла от трубопроводо

ехшгческих систем, находящихся вблизи ограждающих поверхностей. Для наиболее ипичных случаев получены соотношения для расчета угловых коэффициентов излучения. !ыявлены закономерности размещения и взаимного влияния размеров полости и рубопровода на количество тепла переносимого через открытые грани. Величина ггводимого теплового потока может колебаться от 10 до 80%.

Исследована эффективность нагревательных элементов в виде оребренных руб, которые могут использоваться для отопления самостоятельно или в составе :онвектора с кожухом. Рассматривалось влияние конструктивных и режимных [араметров на оптимальные характеристики нагревателей по показателю удельной тссовой эффективности для случаев свободной конвекции и сложного лучисто-:онвективного теплообмена со стороны окружающей среды и вынужденной онвекции в каналах. Выявлен диапазон оптимальных значений параметров. Во всех лучаях оптимальная толщина ребер находилась на нижней границе допустимых начений равной 0,6 мм. Оптимальная высота ребра нагревательных элементов зависит от нтенсивносги теплообмена, используемого материала, базовой поверхности и может вменяться в широких пределах. В конвекторах без кожуха она равна 29,4+47,1 мм, а в онвекторах с кожухом высотой 0,5 м - 11,4+27,6 мм. Высота ребра однозначно влияет и на троительную глубину конвектора, которая уменьшается с ростом высоты экрана, что собенно существенно для двухтрубного конвектора с однорядным расположением [агревательных элементов. Увеличение высоты кожуха до 0,3+0,4 м позволяет в болышшстве лучаев уменьшить глубину конвектора до требуемых размеров. С увеличением высоты крана также уменьшается и оптимальное расстояние между ребрами (шаг оребрения), но в [еньшей степени, чем высота ребра. В среднем оптимальное расстояние между ребрами и меньшается в 1,1+1,3 раза, и в конвекторе с кожухом высотой 0,5 м оно равно 7,2+8,1 мм. огда как в конвекторах без кожуха и составляет 8,8+10,5 мм. Меньший шаг оребрения ;елаег более технологичным производство биметаллических оребренных труб методом олодной прокатки. На основании данных исследовашш и предварительных лабораторных спытаний в ГПБелНИИС, были разработаны и выпущены опытные конвекторы с агревательньгми элементами из биметаллических оребренных труб, которые прошли риемочные испытания и подтвердили, что их удельная металлоемкость на 15% ниже ерийного конвектора.

Воздушные теплообменники находят применение в энергосберегающих технологиях. )дним из направлений повышения КПД теплотехнических установок является подогрев оздуха, подаваемого на горение, уходящими дымовыми газами. Проведен вычислительный ксперимент с целью отыскания оптимальной конструкции и параметров утилизатора тепла ымовых газов с анализом относительного вклада лучистой и конвективной составляющей, 'ассмотрено несколько альтернативных конструктивных схем высокотемпературных оздухоподогревателей с гладкими и оребренными поверхностями теплообмена. Выбранная хема была пршгята для разработки аппарата в ГТ1 «ОКБ Академическое» НАНБ.

Математическая модель дает также возможность решать некоторые задачи, связанные переносом тепла в камерных топках с газоплсггными экранными трубами. Факел пламени [редсташиет собой свободно распространяющуюся кошгческую струю. При эксплуатации

котла требуется, чтобы температура стенки не превышала предельное значение, кот, происходит разрушите конструкционного материала. Максимальная температура стем достигается на вершине ребер. Данный метод дает возможность оценить локальну температуру поверхности теплообмена и выбрать такое соотношение режимных конструктивных параметров, чтобы эта температура не превышала предельно допустимую.

Таким образом разработанный метод численного моделирования имеет обид характер и может применяться не только для теплообменных аппаратов и процессов систс охлаждения ЯЭУ, но и для анализа процессов и теплообменников другого назначения.

8. Результаты расчетного проектирования и исследования работы парокомпрессионных трансформаторов тепла

Значительная часть энергии, вырабатываемой АЭС, теряется в окружающу среду. Использование низкопотенциального сбросного тепла и теплоты окружаюгш среды для технологических нужд, теплоснабжения и горячего водоснабжения мож быть осуществлено с помощью тепловых насосов, что в итоге позволяет экономи энергию. В республике к настоящему времени в эксплуатации находится больш< парк парокомпрессионных холодильных машин и установок. Для экспертных оцет используемых трансформаторов тепла, проектирования новых устройа прогнозирования их работы требуется определенная методическая база. Имеющий опыт в разработке и создании теплообменников ЯЭУ, в том числе с холодильныл агентами, позволяет содействовать выполнению этих задач.

Для теплообменных аппаратов трансформаторов тепла подтвержден результ; полученный ранее для воздушно-радиационных аппаратов систем охлаждения, I особенностях влияния ограничений на оптимальные режимные и конструктивш параметры.

Проведен количественный анализ, связанный с влиянием необратимых поте в теплообменных аппаратах на энергетическую эффективность парокомпрессионнг трансформаторов тепла. С одной стороны это влияние можно проследить ] изменению параметров цикла (рис.8.1), а с другой - по абсолютному изменен! холодильного коэффициента е, коэффициента преобразования ср, тепло-холодопризводительности (}к и С}0 (рис.8.2). Из рисунков видно, что необратим] потери приводят к снижению энергетической эффективности. Возможности данно анализа реализованы на практике в ГП «ОКБ Академическое» НАНБ и I БелНИКТИММП при расчетном проеетировании и создании опытных образц холодильных установок, машин и агрегатов, что позволило априори выбра оптимальные аппараты с учетом имеющейся технологии изготовления в республике уменьшить затраты на опытную проверку альтернативных конструкций. Р разработанных холодильных машин прошли межведомственные приемочн] испытания и подтвердили расчетные параметры.

Проводилось также прогнозирование работы трансформаторов тепла п изменении параметров окружающей среды: температуры и влажности окружающе воздуха. Например получено, что для теплового насоса системы воздушнс

тления целесообразней использовать комбинированную схему (рис.8.3), когда при зких температурах атмосферного воздуха используется двухступенчатый шсформатор тепла, а при ее повышении постепенно снижается «установленная» щность компрессора. Это позволяет приблизить к оптимальному количество ¡буемого и вырабатываемого тепла и дополнительно повысить коэффициент ^образования при более высоких температурах воздуха.

Исследовалась энергетическая эффективность холодильной машины с ¡нобезопасным хладагентом не содержащим атомарного хлора и состоящего из геи Ш52а-Я134а, предложенным лабораторией свойств и технологии шоносителей ИПЭ НАНБ. Предварительный прогноз параметров проводился на ¡е холодильной машины ФХ11x2-2-1. Хладагент Ш52а-11134а может быть сомендован для замены Я12, который выводится из использования в соответствии с ждународными соглашениями. В дальнейшем результаты эксперимента на тодильной машине установки охлаждения молока УС1М-1250 подтвердили прогноз числительного эксперимента.

Достижение высоких теплопроизводительности и коэффициента ¡образования не позволяет сделать окончательный вывод о целесообразности нменения тепловых насосов для замещения традиционных источников. Высокая гргетическая эффективность трансформатора тепла есть условие необходимое, но достаточное. Для окончательного вывода требуется комплексный технико-жомический анализ. Поэтому на основе анализа затрат также проводился гномический анализ, дополняющий оценку энергетической эффективности. В стоящее время на рентабельность тепловых насосов в значительной мере влияют меняющиеся тарифы на тепло и электроэнергию. Снижение доли цены на тепловые :осы по отношению к затратам на электроэнергию и тепло от традиционных гочников будет повышать их рентабельность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ показал, что к настоящему времени нет единого дхода к тепловому расчету как воздушных теплообменных аппаратов, так и циаторов ЯЭУ. Имеющиеся методы не обладают внутренней замкнутостью и иентированы на решение частных вопросов. В других отраслях, где широко пользуются аналогичные теплообменники, таких как химическая технология и лодильная техника, расчетным методам присущи те же недостатки.

В данной работе, на основе метода математического моделирования, зработана методология взаимосвязанного комплексного многоуровневого анализа оцессов тепломассопереноса и расчетного проектирования эффективных и дежных воздушных и радиационных аппаратов с минимальным потреблением териалов, капиталовложений и энергии, реализованная в виде комплекса икладных программ [26]. Совокупность полученных новых результатов еспечивает решение крупной прикладной проблемы, связанной с проектированием, основанным выбором и прогнозированием работы теплообменников систем

воздушного и лучистого охлаждения ядерных энергетических установок и в смежны областях, где используются аналогичные аппараты и системы.

2. Разработана трехуровневая с вертикальными связями обобщенна математическая модель конвективного, кондуктивного и радиационного перенос тепла как для отдельных элементов охладителей и радиаторов, так и дл теплообменников в целом. Модель позволяет проводить анализ процессов и расчетно проектирование теплообменных аппаратов и получать недостающие замыкающи соотношения, корреляционные коэффициенты и границы предельного перехода дл использования в моделях низшего уровня, на основе вычислительного эксперимента помощью двумерной и квазитрехмерной модели высшего (третьего) уровня[26,36].

3. На базе математической модели разработан комплекс программ дл конструкторских, поверочных и исследовательских тепловых расчетов воздушны аппаратов, радиаторов, компрессионных трансформаторов тепла и вспомогательны: элементов. Достоверность математической модели, реализованной в виде комплекс; программ, подтверждена сравнением результатов вычислительного эксперимента имеющимися экспериментальными, аналитическими и расчетными данными други: исследований, относящихся к рассматриваемой проблеме. В общем случае точност результатов расчета на основе разработанной математической модели составляет 5-5-20% Она увеличивается в предельных случаях при рассмотрении элементарных процессов ] снижается при совместном решении внутренней и внешней задачи на основе одномерно! или интегральной модели. Сравнение с локальными экспериментальными данным! показывает, что математическая модель правильно интерпретирует механизм протекани процессов переноса импульса, тепла и массы [2,5,6,15-17,22,25,33,36,37].

4. С помощью вычислительного эксперимента на основе двумерно! математической модели проведен анализ механизма протекания пленочно! конденсации в вертикальной трубе перегретого химически реагирующей теплоносителя ЯЭУ с неконденсируемыми компонентами. Анализ позволил выявит] ряд закономерностей процесса в условиях протекания химической реакции переменности физических свойств, влияния начального участка, шероховатости н; стенке и волновой границы раздела фаз газ-жидкость и ряда других факторов. К ник относятся нарушение подобия процесса в конденсируемом потоке в направленш течения, увеличение интенсивности конденсации из смеси с неконденсируемым! компонентами при наличии химической реакции, необходимость адиабатическогс участка для достижения глубокого переохлаждения конденсата. Кроме общего случа: рассматривались некоторые частные вопросы конденсации парогазовых смесей ^ чистого пара, в том числе водяного и холодильных агентов. Все это в конечном итог« позволило получить недостающие замыкающие соотношения для локальной модел! конденсации второго уровня, включая расчет воздушного конденсатор; [2-8,10,11,13,19,29-31,36].

5. При оптимизации функция цели представляется неявно в виде замкнуто! системы уравнений, адекватно описывающей процессы переноса в аппаратах н; основе моделей первого и второго уровня. С помощью вычислительного анализ;

1явлено, что оптимальные режимные и конструктивные параметры аппаратов висят от принятого показателя оптимальности функции цели, типа поверхности плообмена и накладываемых ограничений при прочих равных условиях. Более гсткие ограничения на габариты и потери давления приводят к росту абсолютного ачения минимизируемой функции цели, т.е. к снижению эффективности плообменников. Вблизи минимума целевой функции оптимальные параметры, как 1авило, имеют небольшой градиент, позволяющий варьировать ими при юектировании [1,9,18,21,24,28,36,37].

6. Показано, что в случае неравномерного распределения скорости воздуха на оде в воздушный конденсатор с однократно перекрестным током рабочих сред, гда максимальная локальная скорость воздушного потока находится в зоне входа регретого пара, наблюдается повышение тепловой эффективности аппарата до 15% |и неравномерности потока охлаждающего воздуха порядка 50%. Данный результат свенно подтверждается другими исследованиями [12,41].

7. Установлены закономерности намораживания льда в системе каналов здушно-радиаторного охладителя для условий холодного климата, характерных для шибинской АЭС, что позволило выработать рекомендации для их безопасной сплуатации. Предпочтительной является перекрестно-прямоточная схема течения бочих сред с равномерным распределением потока воздуха по фронту аппарата, ¡равномерность потока воздуха приводит к локальному намораживанию льда, лоть до полного промерзания отдельных каналов, в зонах с максимальной оростью воздуха [25,36].

8. На основе разработанного метода соподчиненных областей первого и орого порядка для расчета теплообмена излучением в составных системах [явлены закономерности переноса в радиаторах ЯЭУ летательных аппаратов с етом их конечной длины и взаимного облучения между конструктивными ементами. Получены граничные значения параметров когда расчет радиаторов жет проводиться в приближении бесконечной протяженности. В случае югопанельного звездообразного радиатора сборные коллектора необходимо змещать в зоне сопряжения панелей, что приводит к возрастанию его тепловой фективности. При неравномерном расположении внешних источников тепла по ношению к тонкостенной конструкции панели радиатора их влияние может итываться усреднением их плотности теплового потока. Применение тепловых труб шергетических радиаторах летательных аппаратов может увеличивать надежность нструкции с точки зрения метеоритной уязвимости, но не приводит к какому-либо щественному снижению массогабаритных характеристик [18,20,22,23,34].

9. С учетом накопленного опыта при разработке воздушных аппаратов АЭС, в м числе и на холодильных агентах, в рамках математической модели первого овня, включающей горизонтальные связи между теплообменными аппаратами злнчного назначения и исполнения, разработан сопряженный метод теплового счета одно- и двухступенчатого парокомпрессионных трансформаторов тепла элодильников и тепловых насосов). Количественно показана степень ухудшения

энергетических характеристик трансформаторов тепла из-за влияния необратим! потерь со стороны холодильного агента в теплообменниках контура и влиян: параметров окружающей среды на тепло- и холодопроизводительность. Числешп метод также позволяет прогнозировать энергетическую эффективность предлагаем! озонобезопасных хладагентов и рентабельность тепловых насосов на основаш анализа затрат [27,28,35,37,38].

Разработанный метод численного моделирования имеет общий характер и мож применяться не только для теплообменных аппаратов и процессов систем охлаждения ЯЭ но и для анализа процессов и теплообменников иного назначения в традиционн теплоэнергетике, строительной теплотехнике и других отраслях [ 11,16,32].

10. Данный метод применен в ИПЭ НАНБ и ГП «ОКБ Академическое» НАЬ для принятия проектных решений при разработке и анализе работы теплообменш аппаратов стационарных и блочно-транспортабельных ЯЭУ и ЯЭУ летательш аппаратов. Метод также был апробирован и применен для решении пробле\ создания и модернизации холодильных и холодильно-нагревательных машин агропромышленном комплексе Беларуси и энергосберегающего теплообменно оборудования (ГП «ОКБ Академическое» НАНБ и ГП БелНИКТИММП) в том чис отопительных приборов конвекторов (ГП «ОКБ Академическое» НАНБ и I БелНИИС). Материалы диссертации о трансформаторах тепла, включая пак прикладных программ, используются в учебном процессе БГТУ. Использование внедрение материалов диссертации подтверждено актами.

Методология вычислительного проектирования воздушных аппаратов радиаторов на основе трехуровневого математического моделирования, и результа вычислительного эксперимента данной работы могут использоваться теплоэнергетике, холодильной технике, строительстве, транспорта! машиностроении и других сферах, где рассматриваемый тип теплообменник широко применяется.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Володин В.И., Михалевич A.A. Об оптимальных параметрах оребрен теплообменников воздушного охлаждения при граничных условиях третьего рс // Весц1 АН БССР. Сер.фЬ.-энерг.навук,- 1976. - №2. С.106-111.

2. Володин В.И., Иванов О.П., Михалевич A.A. Конденсация в трубе из поте газовой смеси в приближении пограничного слоя с отсосом // Весц1 АН БСС Сер.фЬ.-энерг.навук. - 1979. - №1. - С.53-58.

3. Володин В.И., Михалевич A.A., Синкевич А.Е. Математические моделирован тепло- и массообмена при конденсации внутри каналов // Тепломассообмен моделирование в энергетических установках. - Тула: ТПИ,-1979. - 4.1. - С.65-66

4. Володин В.И., Иванов О.П.. Михалевич A.A. Теплообмен при конденсац смесей газов с неконденсирующимися компонентами в вертикальной трубе

Теплообмен и гидродинамика при кипении и конденсации. - Новосибирск, 1979. -С.342-346.

i. Mikhalevich A.A., Nesterenko V.B., Volodin V.l. Resistance and condensation heat and mass transfer in turbulant flow // Second symposium of turbulent shear flows. -London, 1979. - P.9.29-9.34.

i. Володин В.И., Михалевич A.A. Теплообмен при охлаждении свободно стекающей пленки жидкости // ИФЖ - 1979. - Т.36, №5. - С.795-799. Володин В.И., Михалевич A.A. Исследование механизма тепло- и массопереноса при конденсации химически реагирующего газа в трубе \\ Тепломассообмен-VI. -М.: ИТМО АН БССР, 1980. - Т.З. - С.135-142.

!. Володин В.И., Михалевич A.A., Прохоров И.А. Два подхода к расчету процесса конденсации в системе параллельных каналов // Экспериментальные и теоретические исследования тепломассопереноса при течении диссоциирующих газов в каналах. - Минск: ИЯЭ АН БССР. - 1983. - С.112-118.

). Володин В.И., Михалевич A.A., Нестеренко В.Б. Оптимальные параметры трубы с поперечными ребрами при совместном охлаждении свободной конвекцией и излучением // Весц1 АН БССР. Сер.ф1з.-энерг.навук.- 1983. - №2. - С.85-92.

.0. Володин В.И., Михалевич A.A., Синкевич А.Е. Определение коэффициентов переноса при конденсации в вертикальной трубе на основе расчетов по двумерной модели // Весц1 АН БССР. Сер.ф1з.-энерг.навук. - 1983. - №4. - С.57-61.

[1. Володин В.И. Пленочная конденсация перегретого движущегося пара в вертикальгой трубе // Тепломассообмен-VII. - Минск: ИТМО АН БССР, 1984. -Т.4, 4.2. - С.47-52.

[2. Володин В.И., Михалевич A.A., Синкевич А.Е. Конденсация в пучке вертикальных труб при неравномерном охлаждении // Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах. - JL: НПО ЦКТИ, 1985. - Т.2. - С. 10-12:

[3. Володин В.И. Исследование механизма пленочной конденсации турбулентного потока пара в вертикальной трубе // Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации. - Рига: РПИ, 1986. - Т.З, ч.1. - С.100-107.

[4. Володин В.И., Михалевич A.A. Теплообмен излучением цилиндра в замкнутой протяженной прямоугольной полости // Весц1 АН БССР. Сер.ф1з.-энерг.навук. -1987.-№3.-С.33-37.

[5. Володин В.И., Михалевич A.A., Синкевич А.Е. Теплогидравлический расчет воздушного конденсатора, ЕХА // Сборник аннотаций программ теплогидравлического расчета активных зон и теплообменного оборудования АЭС. - Обнинск: ФЭИД988. - Вып.1. - С.48-50.

16. Володин' В.И., Малевич B.JI. Теплогидравлический расчет воздушного охладителя. COL // Сборник аннотаций программ теплогидравлического расчета активных зон и теплообменного оборудования АЭС. - Обнинск: ФЭИ.1988. -Вып.1.-С.82.

17. Володин В.И. Оптимизация параметров оребрения поверхности теплообме! FIN // Сборник аннотаций программ теплогидравлического расчета активных з и теплообменного оборудования АЭС. - Обнинск: ФЭИ,1988. - Вып.1. - С.82-83

18. Володин В.И., Михалевич A.A., Пархомова З.С. Приближенный тепловой рас1 радиатора минимальной массы // Весц1 АН БССР. Сер.ф1з.-энерг.навук. - 198Ç №2. - С.75-80.

19. Володин В.И., Михалевич A.A. Конденсация пара и парогазовых смесей турбулентной пленке жидкости в вертикальной трубе // Весц1 АН БССР. Сер.ф] энерг.навук.- 1990. - №1. - С.53-58.

20. Володин В.И., Лукашевич А.Г., Михалевич A.A. Тепловой расчет радиатора основе квазидвумерной модели // Тепловое проектирование систем. - M.: MA 1990: - С.68-78.

21. Володин В.И., Михалевич A.A. Оптимизация параметров и регулировав воздушного конденсатора // Двухфазный поток в энергетических машинах аппаратах. - Л.: НПО ЦКТИ, 1990. - Т.З, ч.4. - С.63-65.

22. Володин В.И., Лукашевич А.Г. Тепловой расчет оребренного элемента радиатс конечной длины // Весц1 АН БССР. Сер.ф1з.-энерг.навук. - 1991. - №2. - С.1( 114.

23. Володин В.И., Лукашевич А.Г. Теплообмен излучением в составных замкнут областях конечной и бесконечной протяженности // Тепломассообмен - ММФ-Радиационный и комбинированный теплообмен. - Минск: ИТМО АНБ, 1992 Т.2-С. 162-165.

24. Володин В.И., Михалевич A.A. Оптимизация теплообменников воздушш охлаждения // Теплоэнергетика. - 1994. - №8. - С.43-47.

25. Володин В.И., Михалевич A.A. Расчет воздушного охладителя при замерзаь теплоносителя в трубах // Теплоэнергетика. - 1995. - №5. С.52-56.

26. Володин В.И. Комплексное тепловое проектирование теплообменных аппара* // Тепломассообмен ММФ-96. - Минск, ИТМО АНБ, 1996. - Т.Х,ч.2. - С.185-18'

27. Володин В.И. Энергетическая и экономическая эффективность отопителыи теплового насоса воздух-воздух // Опыт и перспективы комплексного реши проблем энергосбережения при строительстве и преобразовании жилого фон Материалы межд. науч.-техн. конференции / М-во арх-ры и стр-ва Респ. Белар) НИПТИС. - Минск, 1997. С.79-88.

28. Володин В.И. Комплексный подход к расчету параметров компрессиош холодильной машины // Холодильная техника. - 1998. - №2 - С.8-10.

29. Володин В.И., Михалевич A.A., Синкевич А.Е. Особенности расч теплообмена и сопротивления при конденсации внутри вертикальных канало Тезисы докл. и сообщ. VI Всесоюзной конференции по теплообмену гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элемен энергетических машин и аппаратов. Секция II. Ленинград. 24-26 октября. 1978 НПО ЦКТИ. - Л., 1978. - С.36-38.

). Володин В.И. , Михалевич A.A. Распределение параметров в двухфазном потоке химически реагирующего теплоносителя при пленочной конденсации в вертикальной трубе // Диссоциирующие газы как теплоносители и рабочие тела АЭС: Тез. докл. V Всесоюзной конф., Минск, 3-5 февраля, 1981 г. / Акад. наук БССР. Ин-т ядерной энергетики. - Минск, 1981. - С.76-77.

. Володин В.И. , Михалевич A.A., Синкевич А.Е. Определенние коэффициентов переноса при конденсации в вертикальной трубе // Диссоциирующие газы как теплоносители и рабочие тела АЭС: Тез. докл. V Всесоюзной конф., Минск, 3-5 февраля, 1981 г. / Акад. наук БССР. Ин-т ядерной энергетики. - Минск, 1981. -С.77-78.

:. Володин В.И., Михалевич A.A. Математическое моделирование процессов переноса тепла в топках с экранными трубами // Современное состояние и основные направления повышения надежности и интенсификации теплообмена в крупных теплоэнергетических агрегатах: Тез. докл. науч.-техн. конф., Куйбышев, 29-30 июня 1989 г. / Куйбыш. политехи, ин-т. - Куйбышев, 1989. - С.42.

. Володин В.И., Лукашевич А.Г. Пакет программ HEATR для расчета радиатора с отводом тепла излучением // Всесоюз. выставка программных комплексов по численному решению задач термомеханики: Тез. докл., Москва, декабрь 1990 г. / МГТУ. - Москва, 1990. - С. 12.

. Математические модели и оптимизация характеристик излучателей космических энергоустановок / В.И.Володин, Зауличный Е.Г., А.Г.Лукашевич, Микрюкова Т.И., А.А.Михалевич, Якушев А.П. // "Ядерная энергетика в космосе": Тез. докл. отраслевой юбилейной конф., Обнинск, 15-19 мая 1990 г. / М-во среднего маш-ия. Физ. энерг. ин-т. - Обнинск, 1990. - С.170-171.

. Volodin V.l. Numerical calculation and analysis of vapor-compression heat pumps with heat exchangers. - Minsk, 1995. - 6 p. (Preprint / Academy of scienses of Belarus. International seminar "Heat pipes, heat pumps, refrigarators". Minsk, 12-15 September, 1995).

. Володин В.И., Михалевич A.A. Численный анализ процессов и расчетное проектирование воздушных теплообменников. - Минск, 1995. - 60 с. - (Препринт/ Акад. Наук Беларуси. Ин-т проблем энергетики; ИПЭ-6).

. Володин В.И. Расчет тепловых параметров парокомпрессионных холодильных машин и тепловых насосов. - Минск, 1996. - 35 с. - (Препринт / Акад. Наук Беларуси. Ин-т проблем энергетики; ИПЭ-16).

. Володин В.И. Влияние внутренних и внешних факторов на эффективность тепловых насосов. - Минск, 1997. - 26 с. - (Препринт / Акад. Наук Беларуси. Ин-т проблем энергетики: ИПЭ-22).

. A.c. 1134851 СССР. МКИ Е 04 С 2/46. Отопительный прибор / В.Б.Нестеренко,

A.А.Михалевич. О.И.Юрков. В.С.Змушко, Э.Б.Смольская. Б.И.Неуснхин.

B.И.Володин, З.С.Авхимович. - Опубл. 15.01.85, Бюл.№2 // Открытия. Изобретения. - 1985. - №2. - С. 154.

40. A.c. 1161797 СССР, МКИ F 24 Н 3/00. Конвектор / В.Б.Нестере;

A.А.Михалевич, О.И.Юрков, В.С.Змушко, Э.Б.Смольская, Б.И.Неуси>

B.И.Володин, З.С.Авхимович. - Опубл. 15.06.85, Бюл.№22 // Открыт Изобретения. - 1985. -№22. - С.166.

41. A.c. 1366840 СССР, МКИ А28 В 1/06. Конденсатор воздушного охлажден! В.И.Володин, С.С.Герасименко, А.А.Михалевич, В.Б.Нестеренко, А.Е.Синкев - 0публ.15.01.88, Бюл. №2 // Открытия. Изобретения. - 1988. - №2. - С. 162.

л

> 3-й уровень

> 2-й уровень

проектный оптимизационныи и поверочный расчет

анализ работы та в нештатных режимах

► 1-й уровень

Рис.2.1

0,5

0,1

т /2л:Рц

ж ж

Рис.3.1

400

350 -

300

250

20

-- Керн А., КраусД. - данный метод

_1_

_1_

40 60 X, мм

Рис.3.2

_1_

80 100

о

н—гтттп-1—I и 11111-1—гг

*,--- Зеркле и др.

■ Садегонепур и др,

ю

-3

г

--данный метод

* ............

10 10 Рис.3.3

-1

20

15

О

10

-1 =50 К °с

.А

О -- ... -1 =40 К °с

А — — -1 =35 °С <> ."V -

к °с , о .

.у о- *

_ о

о >-

1 1 1 , 1

-15 -10 -5 0

О

Рис.3.4

X, M

1 - О

2-1,5

3-2,5

жидкость 2

2

oiF

у' /5

0,5 у'/5

325

- 315

H

305

1,0

295

- "кинетический" 'замороженный" равновесный

4 -

m ч , ч ч L 4.1 s з °г 1 -0,0052

2-0,0117

3-0,0222 '

Рис.4.1

40 80

x/R

Рис. 4.2

120

50 i 40 -30 -20

)

ю о

-50 = -60 -

ЕО

д w / д w а *

0/0 25/0

0/25 25/25

Рис.5.1

Sí.

g

Ä

§ 1 =

s =

s-

¥

(ta=-55°c)

Рис.5.2

5

а

- сопрягаются раздающие коллектора — - сопрягаются сборные коллектора

Рис.6.1

30 60 90 120 150 180 й градус

Рис.6.2

120 100 80 60 40

а

- 230 -

- 260 -

300 -

5 10 15 20 25 X, мм Рис.6.3

400

500 600 Н, кДж/кг

Рис.8.1

700

8 Ф

СГ, кВт

К

О , кВт

о

&ШН Компрессор 1П10 - Ф 0 - др =о

У/ШЛ

'ууу/уА

шшшш^щ ;

у;уу/ууууу/у/ууу//ууу//л: :

I I 1 I I I I 1 I 1 I 1 I

н

со „ * 2 о

о"1

0 2 4 6 8. 10 12

"ПБ11и "ХГН-2,8 ' Р.- ПБ11 ХГВ-4,5

1.1.1.

. 1 1

0

-20 -15 -10 -5

а1

10

Рис.8.2

Рис.8.3

1

т00= 200 к

РЕЗЮМЕ

Володин Виктор Иванович

Теоретические основы комплексного теплогидравлического расчета аппаратов систем охлаждения энергетических установок

Ключевые слова: воздушный, вычислительный эксперимент, замерзанш математическая модель, оптимизация, охлаждение, поток, прогнозирован» программный комплекс, радиатор, расчетное проектирование, тепломассо-перено! теплообменник, трансформация тепла.

Объект исследования - воздушные и радиационные теплообменные аппарат систем охлаждения ЯЭУ.

Предмет исследования - процессы тепломассопереноса с учете гидродинамики течения рабочих сред, оптимизация и прогнозирование работ теплообменников.

Цель работы - разработка и реализация методологии комплексно] теплогидравлического расчета аппаратов систем охлаждения ЯЭУ.

Разработана методология комплексного анализа процессов и расчетно: проектирования воздушных и радиационных аппаратов систем охлаждения ЯЭУ ] основе взаимосвязанного иерархического набора математических моделе двумерной, одномерной и интегральной. Комплексная модель с вертикальными горизонтальными связями реализована в виде пакетов прикладных программ общими кодами.

С помощью вычислительного эксперимента исследованы процессы переноса элементах аппаратов, получены условия оптимального сочетания параметров теплообменниках при явных и неявных ограничениях, проведено прогнозирование работы. Выявлены некоторые закономерности в работе аппаратов. Нарушен локального подобия скорости, температуры и концентрации в потоке п конденсации. Определены условия надежной работы охладителей при отрицательн: температурах окружающего воздуха и влияния взаимного расположен конструктивных элементов на эффективность радиаторов. Получены данные и х ряда других случаев. Результаты исследований аппроксимированы в виде расчета зависимостей и поправочных коэффициентов.

Разработанный метод позволил решить крупную прикладную пробле; связанную с обоснованием принятия решений при проектировании и эксплуатаг воздушных аппаратов и радиаторов ЯЭУ. Данный метод показал свою эффективно* и в других приложениях: холодильной технике, строительстве, традициош теплоэнергетике. Материалы работы используются также в учебном процессе I подготовке кадров.

РЭЗЮМЭ

Валодзш В1ктар 1ванав1ч

Тэарытычныя асновы комплекснага цеплапдраулишага разл1ку апаратау Ыстэм аханоджвання энергетычных установак

Ключавыя словы: паветраны, вы.'пчалыгы эксперымент, замярзанне, 1тэматычная мадэль, аптым1зацыя, ахалоджванне, паток, прагназ1раванне, 1аграмны комплекс, радыятар, разлжовае праектаванне, цепламасаперанос, плаабменшк, трансфармацыя цяпла.

Аб'ект даследавання - паветраныя \ радыяцыйныя цсплаабменныя апараты ;тэм ахалоджвання ЯЭУ.

Прадмет даследавання - працэсы цепламасапераносу з улжам пдрадынамш чэння рабочых асяроддзяу, аптым1зашля 1 прагназ1раванне работы цеплаабменшкау.

Мэта работы - распрацоука 1 рэал1зацыя метадалогп комплекснага плагщраул1чнага разл1ку апаратау сктэм ахалоджвання ЯЭУ.

Распрацавана метадалопя комплекснага анал1зу працэсау I разлковага аектавання паветраных 1 радыяцыйных апаратау астэм ахалоджвання ЯЭУ на лове узаемазвязанага ¡ерарх1чнага набору матэматычных мадэляу: двухмернай, намернай 1 ¡нтэгральнай. Комплексная мадэль з вертыкальным1 \ гарызантальным1 вязям1 рэал1завана у выглядзе пакета^ прыкладных праграм з агульным1 кодам1.

3 дапамогай вьпнчальнага эксперыменту даследаваны працэсы пераносу у гментах апаратау, атрыманы умовы аптымальнага спалучэння параметрау у плаабменшках пры вщавочных 1 невдавочных абмежаваннях, праведзена агназаванне ¡х работы. Выяулены некаторыя заканамернасщ у рабоне апаратау. рушэнне лакальнага падабенства хуткасщ, тэмпературы 1 канцэнтрацьп у патоку ы кандэнсацьп. Вызначаны умовм надзейнай работы ахаладжалыпкау пры чоуных тэмпературах навакольнага паветра 1 уплыву узаемнага распалажэння ютруктыуных элементау на эфектыунасць радыятарау. Атрыманы даныя I для рагу шшых выпадкау. Вынш даследаванняу апраюжнраваны у выглядзе тжовых залежнасцяу 1 паправачных каэфщыептау.

Распрацаваны метад дазвол1у вырашыць буйную прыкладную праблему, [заную з абгрунтаваннем прыняцця рашэнняу пры праектаванш 1 эксплуатацьй зетраных апаратау ! радыятарау ЯЭУ. Дадзены метад паказау сваю эфектыунасць 1 ншых галшах выкарыстоування: халадзшьнай тэхшцы, будаушцтве, традыцыйнай шаэнергетыцы. Матэрыялы працы таксама выкарыстоуваюцца у вучэбным працэсе л падрыхтоуцы кадрау.

SUMMARY .Volodin Victor Ivanovich

Theoretical foundations of a complex thermal and hydraulic calculation of apparatuses for cooling systems in power plants

Key words: air, computation experiment, freezing, mathematical model optimization, cooling, flow, forecasting, software, radiator, calculated design, heat-ani mass transfer, heat exchanger, heat transformation.

Object of investigation - air and radiation heat exchangers of cooling systems c nuclear power plants (NPP).

Subject of investigation - heat-and mass transfer processes with due account c hydrodynamics of working media flow, optimization and forecasting of heat exchange! operation.

Aim of the work - development and realization of the methodology of a comple thermal and hydraulic calculation of apparatuses for cooling systems in NPP.

Methodology for the complex analysis of processes and calculated design of air ar radiation apparatuses for cooling systems in NPP has been developed on the basis < interrelated hierarchical election of mathematical models, such as two-dimensional, on dimensional and integral. The complex model with vertical and horizontal connections h; been realized as a package of applied programs with common cods.

Transfer processes in elements of apparatuses has been investigated with the help i computation experiment, conditions for optimum combination of parameters in he exchangers under obvious and non-obvious limitations have been obtained, forecasting their operation has been done. Some regularities in apparatuses operation have bei revealed, as well as violation of local similarity in velocity, temperature and concentrati in the flow at condensation. Conditions for safe operation of coolers under negati temperatures of ambient air and influence of mutually located design elements on t radiators efficiency have been determined. The data have been obtained for a number other cases. The results of he investigations have been approximated as calculat dependencies and correction factors.

The method developed has allowed a large applied problem to have been solv connected with validation of accepting solutions when designing and operating apparatuses and radiators of NPP. The method specified has shown its efficiency in otl applications, such as refrigerating engineering, construction, traditional heat engineer» Materials of the work are being used in educational process when training of specialists.