Содержание к диссертации
Введение 4
Глава І. Постановка задачи исследования ,10
1.1. Некоторые аспекты проблемы кризиса теплоотдачи II
1.2. Особенности теплоотдачи в за кризисной области 26
1.3. Кризис теплоотдачи в нестационарных режимах 49
1.4. Нестационарная теплоотдача в за кризисной области.. 62
1.5. Некоторые аспекты повторного увлажнения 66
1.6. Выбор рабочего участка 68
1.7. Задачи и метод исследования 70
Глава 2. Экспериментальная установка и методика измерений ; 72
2.1. Экспериментальная установка 72
2.2. Экспериментальный участок 76
2.3. Схема измерений 78
2.4. Тарировка малоинерционной измерительной аппаратуры 80
2.5. Оценка погрешностей измерений 83
Глава 3. Исследование кризиса теплоотдачи и теплообмена в за кризисной области, в стационарных условиях 92
3.1. Методика проведения и обработан стационарных
опытов 92
3.2. Регрессионный анализ опытных данных 95
3.3. Влияние плотности теплового потока на критическое паросодержание
3.4. Обобщение опытных данных по критическому паросодержащего 112
Глава 4. Термическая неравновесность пароводяного потока в закризиспой области 123
4.1. Экспериментальный метод оценки степени термической неравновесности 124
4.2. Анализ результатов измерений 135
4.3. Метод обобщения опытных данных по коэффициенту теплоотдачи с учетом термической неравновесности .146
Глава 5. Нестационарный теплообмен в закризисной области при изменении теплового потока и расхода пароводяной смеси 149
5.1. Методика проведения и обработки нестационарных опытов 150
5.2. Комплекс программ обработки нестационарных опытов 156
5.3. Результаты опытов с перемещением границы кризиса теплоотдачи 162
5.4. Результаты опытов с распространением фронта повторного увлажнения 168
5.5. Анализ и обобщение опытных данных 171
Выводы 180
Литература 182
Приложение I. Таблицы экспериментальных данных стационарных опытов 199
Приложение 2. Таблица результатов опытов по исследованию термической неравновесности 228
Приложение 3. Таблица результатов нестационарных опытов 2
Введение к работе
Расширяющееся строительство АЭС, их приближение к крупным городам и промышленным районам, лицензионное строительство и - экспорт оборудования АЭС определяют возрастающее внимание к вопросам их безопасности, превращающимся в настоящее время в конкретную, самостоятельную область научных знаний / I /.
Одним из основных аспектов безопасности АЭС с водоохлажда-емыми ядерными реакторами является процесс охлаждения активной зоны реактора в аварийных и переходных режимах. Предотвращение разрушений в активной зоне вследствие чрезмерного разогрева, приводящих к высвобождению радиоактивных продуктов деления, требует специальных теоретических и практических знаний по теплообмену в широкой области режимных параметров, вішочая нестационарные процессы со сменой режимов кипения пароводяной смеси.
Современный анализ безопасности АЭС базируется на концепции максимальной проектной аварии (МПА), содержание и определение которой уточняется по мере исследований. В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом для АЭС с легководными реакторами понятие МПА заключает в себе полный разрыв циркуляционного трубопровода максимального сечения, входящего в реакторный контур АЭС, вблизи патрубка реактора.
По общепринятой терминологии возникающая в результате разрыва авария с потерей теплоносителя (АПТ) имеет три характерные стадии.
На стадии истечения теплоносителя происходит быстрое падение давления вода в реакторе, приводящее к вскипанию теплоносителя (для реакторов типа ВВЭР). Дальнейшее охлаждение активной зоны реактора осуществляется пароводяной смесью с растущим во времени паросодержанием. Стадия истечения характеризуется падением давления в реакторном контуре, падением мощности тепловыделения в результате срабатывания аварийной защиты, резкими немонотонными изменениями расхода через активную зону. При разрьгое трубопровода у входного патрубка реактора возможны неоднократные изменения направления расхода.
На стадии повторного залива происходит заполнение корпуса решстора водой из системы аварийного охлаждения (САОР), Охлаждающая вода САОР, попадая в активную зону, вызывает повторное увлажнение разогретых на стадии истечения тепловыделяющих элементов. Процесс повторного залива происходит, как правило, по окончании стадии истечения, когда давление в реакторном контуре падает до давления под защитной оболочкой.
По окончании залива активной зоны и опорожнении гидроакку-мулирующих емкостей САОР наступает стадия расхолаживания реактора, осуществляемая с помощью низконапорных насосов, входящих в активную часть САОР.
Рассмотренная авария является гипотетической и анализ её последствий, необходимый для обоснования безопасности АЭС, проводится с помощью комплексов вычислительных программ. Теплогид-равлические процессы, происходящие на первых двух стадиях аварии, весьма сложны и еще недостаточно изучены. Моделирование этих процессов на ЭВМ требует разработки целого ряда новых теоретических и корреляционных расчетных зависимостей. До настоящего времени при проектировании САОР использовались программные комплексы так называемой "оценочной модели".- TEQb-M PUCH-LyRELAP /2-4/, где недостаток представлений о сложных физических явлениях компенсировался стратегией консервативных оценок. Развитие вычислительной техники и новые опытные данные, полученные на модельных стендовых установках, позволили детализировать математическое описание реальных процессов. Б итоге за рубежом наметилась тенденция к переходу на более сложные программы "наилучшего при-emmQmR"(BeststvnQtetfocte)zAl.AP5 r#AC /5-6/. Работы по совершенствованию расчетных программ ведутся и в нашей стране. Это обстоятельство делает разработку новых корреляционных зависимостей для теплообмена в двухфазной области состояния особо актуальной.
Результаты масштабных стендовых и реакторных исследований теплогидравлических процессов, характерных для МПА, при их сопоставлении с результатами расчетного анализа часто обнаруживают новые неисследованные эффекты, связанные с кризисом теплоотдачи в области умеренных и высоких паросодержаний. Так в недавних исследованиях на реакторах LOFT и P5F в США, предназначенных для моделирования аварийных ситуаций /7/, зафиксировано неоднократное попеременное наступление кризиса теплоотдачи и повторного увлажнения для части твэлов активной зоны еще на стадии истечения при достаточно высоком давлении в активной зоне. Аналогичное явление наблюдалось при моделировании АПТ на стенде "Безопасности" в ОКБ "Гидропресс" /8/.
Упомянутые выше расчетные программы не в состоянии предсказать подобные эффекты из-за отсутствия систематических данных по повторному увлажнению пароводяной смесью высокого давления и по влиянию факторов нестационарности на теплообмен вблизи границы кризиса теплоотдачи. Такими факторами могут являться как интегральные характеристики массообмена, например, интенсивность выпадения капель из ядра потока, так и локальные изменения в пограничном слое, связанные с порождением турбулентности и наложением нестационарной теплопроводности на конвективную теплоотдачу к пару / 9 /.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию границы кризиса теплоотдачи и коэффициентов теплоотдачи в закризисной области8 в стационарных и переходных режимах, вызванных изменением мощности теплоотвода и расхода пароводяной смеси. Постановка задачи в плане теплофизического эксперимента и выбранный метод исследования потребовали использоваїшя в качестве рабочего участка круглой трубы. Это необходимое упрощение, тем не менее, не сказалось на характере протекания нестационарных процессов в области изменения режимных параметров в опытах, которые соответствовали реальной теплогидравлической обстановке в активной зоне ББЭР на стадии истечения теплоносителя при больших и средних сечениях разгерметизации. Интервал изменения давления Р = 0,98 -9,8 МПа, массовой скорости/» = 100 - 1100 кг/(м с), удельного теплового потока .= 0уХ8 - 1,25 МВтД/г, критического паросо-держания 0,58 - 0,98.
Указанная область параметров малые массовые скорости и невысокие давления сравнительно мало исследована даже в стационарных режимах. Этот факт придает вспомогательным стационарным измерениям, необходимым для обработки динамических опытов, самостоятельное значение и актуальность. Анализ литературных данных по исследованиям кризиса теплоотдачи, повторного увлажнения и теплоотдачи в закризисной области и нестационарных режимах, приведенный в первой главе диссертации позволил выделить актуальные направления и сформулировать задачи исследования.
Термин "теплоотдача в закризисной области" используется как наиболее общий и охватывающий устойчивое пленочное кипение, теплоотдачу при обращенном кольцевом и дисперсном режимах течения. Б настоящей работе исследовалась область режимных параметров, соответствующая дисперсному пароводяному потоку. Вторая глава .диссертации посвящена описанию экспериментальной установки и методике измерений. Особое внимание уделено оценкам погрешностей измерений в нестационарных опытах и средствам устранения или уменьшения систематических погрешностей.
В третьей главе представлены результаты стационарных опытов. С помощью регрессионного анализа опытных данных выделены режимные параметры, описывающие критическое паросодержание и коэффициент теплоотдачи в закризисной области. Приведены точные и удобные для расчета на ЭВМ оптимальные уравнения регрессии. Специально исследдвано влияние плотности теплового потока на критическое паросодеркание. На базе предложенных С.С. Кутателадзе критериев вязкой прочности жидкой пленки под воздействием напора пара и аналитического описания процесса испарения орошаемой микропленки создана эмпирическая расчетная зависимость для критического паросодержания в указанном диапазоне режимных параметров. Зависимость обеспечивает качественно верное описание при массовых скоростях, близких к нулевым, и хорошо стыкуется с известными на границе достаточно хорошо -исследованной области rpvi/ 1000 кг/См2- с).
Четвертая глава диссертации посвящена исследованию термической неравновесности пароводяного потока в закризисной области. Автором разработан и обоснован простой оценочный метод исследования, основанный на измерении распределения температуры стенки по длине необогреваемой секции рабочего участка. Полученные систематические данные по степени перегрева пара у теплопередающей поверхности позволили проанализировать известные методы расчета истинного расходного паросодержания и коэффициента теплоотдачи и предложить новые эмпирические соотношения.
В пятой главе приведено описание методики проведения и обработки нестационарных опытов, коьшлекса вычислительных программ обработки данных и результаты опытов с изменением теплового потока и расхода пароводяной смеси. Автором предложена эмпирическая зависимость, удовлетворительно описывающая нестационарный коэффициент теплоотдачи как при перемещении фронта кризиса теплоотдачи вверх по потоку, так и при распространении фронта повторного увлажнения.
Приложения к тексту диссертации содержат таблицы экспериментальных данных, хранимых на устройствах внешней памяти ЭВМ.
Экспериментальная часть исследования проведена автором на кафедре Парогенераторов электростанций МЭИ.
Автор считает приятной необходимостью выразить глубокую благодарность за всемерную помощь в проведении исследования научному руководителю к.т.н., доценту O.K. Смирнову.
Автор благодарит д.т.н., профессора B.C. Протопопова, д.т.н., профессора Л.П. Кабанова, СП. Зайцева, В.М. Лощинина за полезное обсуждение и критические замечания, механика В.И. Михеева за помощь в проведении экспериментов и В.О. Афонину за помощь в оформлении текста диссертации.
