Введение к работе
Актуальность темы. Настоящая работа посвящена исследованию гидродинамики и теплообмена в контуре естественной циркуляции (КЕЦ) в области низких приведенных давлений. Характерной особенностью КЕЦ является то, что скорость движения парожидкостной смеси (скорость циркуляции) не задается, а определяется величиной подводимой мощности, свойствами рабочей жидкости, уровнем давления, степенью заполнения и геометрией контура.
Многолетний опыт эксплуатации двухфазных КЕЦ (при относительно высоких приведенных давлениях) и достаточно успешное использование полуэмпирических методик расчета их паропроизводительности вполне сочетаются с отсутствием точной информации об истинном объемном паросодержании, структуре потока и скорости циркуляции. Полуэмпирические методики расчета двухфазных КЕЦ ориентированы на достаточно высокие приведенные давления, характерные, прежде всего, для энергетики.
В последнее время, особенно после аварии на АЭС «Фукусима» (Япония, 2011 г.), существенно возрос интерес к КЕЦ как основному типу пассивных систем охлаждения ядерных реакторов, способных функционировать при отказе источников энергоснабжения и в других экстремальных ситуациях. Проведенные исследования показывают, что при разработке подобных систем возникают проблемы с низкой гидродинамической устойчивостью потока кипящего теплоносителя в контуре пассивной системы охлаждения при низком давлении
При низких давлениях полностью проявляется характерная для двухфазных КЕЦ тесная взаимосвязь различных гидродинамических и тепловых параметров. Методы расчета КЕЦ, традиционно применяемые при проектировании энергетического оборудования, опираются на опытную информацию, относящуюся к достаточно высоким давлениям, и не могут использоваться в области давлений ниже атмосферного.
Целями работы являются:
-
Выявление на основе экспериментальных исследований взаимосвязей процессов парообразования и формирования определенных режимов течения (структур) двухфазного потока в обогреваемой секции КЕЦ.
-
Изучение влияния основных рабочих параметров КЕЦ на теплогидравлические характеристики контура низкого давления.
-
На основе анализа доступных опытных данных и расчетных рекомендаций разработать методику расчета гидродинамических параметров парожидкостных потоков с высокими объемными паросодержаниями, учитывающую их реальную структуру.
4. Применить эту методику в программе расчета КЕЦ и провести сопоставление расчетных и экспериментальных результатов для всех исследованных жидкостей в широком диапазоне режимных параметров.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика измерений и обработки экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в экспериментальном КЕЦ при атмосферном давлении.
-
Массив экспериментальных данных о течении и теплообмене в КЕЦ в виде зависимостей температур стенки рабочего участка и скорости циркуляции в контуре от режимных параметров и свойств жидкости.
-
Программа расчета КЕЦ низкого давления, в которой локальные параметры двухфазного потока рассчитываются по приближенным физическим моделям, учитывающим структуру двухфазного потока.
Научная новизна работы:
-
Получен массив экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в КЕЦ в диапазоне приведенных давлений теплоносителя 0.0045-0.054; насколько известно автору, эксперименты на одном контуре с использованием трех жидкостей с существенно различными теплофизическими свойствами осуществлены впервые.
-
Обоснована необходимость и реализована практически методика расчета сопротивления трения и истинного объёмного паросодержания двухфазных потоков с учетом их структуры (режима течения).
-
Предложены и практически проверены рекомендации по условиям перехода в расчетах от гомогенной модели к модели дисперсно-кольцевого течения.
-
Разработана и проверена на результатах экспериментов программа расчета КЕЦ низкого давления, в которой локальные параметры потока и температура обогреваемой стенки рассчитываются с учетом структуры двухфазного течения.
Достоверность и обоснованность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных средств измерения и методов обработки их результатов, воспроизводимостью и согласованием полученных опытных данных с результатами расчетов по физически обоснованной методике.
Практическая ценность. Выполненные в рамках настоящей работы исследования расширяют объем опытной информации о взаимосвязи режимных параметров и структуры двухфазного потока в контуре естественной циркуляции, позволяют определить рабочие параметры и условия, при которых наступают режимы с низкой гидродинамической устойчивостью. Массив
данных о теплообмене, скорости циркуляции, дополненный результатами визуальных наблюдений структуры двухфазного потока, создает основу для разработки и верификации моделей основных процессов, определяющих работу КЕЦ. Опытные результаты, полученные при использовании различных жидкостей (вода, спирт, фторуглерод) в достаточно широком диапазоне приведенных давлений, позволяют выявить общие закономерности изучаемых явлений.
Апробация работы. Основные результаты настоящей работы опубликованы в 2 работах в научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, в 5 трудах конференций и в 7 тезисах конференций. Список основных публикаций по теме исследований представлен в конце реферата. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
XX Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках». Звенигород, 2015 г.
11th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Skukuza Rest Camp, Kruger National Park, South Africa, 2015.
IX Minsk International Seminar. «Heat pipes, heat pumps, refrigerators, power sources». Minsk, Belarus, 2015.
XIII-я Курчатовская молодежная научная школа. Москва 2015 г.
Конференция молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике». АО "НИКИЭТ", Москва, 2015 г.
X школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. Казанский научный центр РАН, Казань, 2016 г.
VIII Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». НИУ «МЭИ», Москва, 2016 г.
«Современные проблемы теплофизики и энергетики». НИУ «МЭИ», Москва, 2017 г.
Личный вклад автора. Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Была смонтирована и отлажена система сбора и обработки информации. Получен массив экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в КЕЦ на трех различных жидкостях. Выполнена обработка и обобщение полученных результатов. Используемые модели расчета параметров двухфазного потока проверены на доступном массиве экспериментальных данных. Создана программа расчета КЕЦ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, пяти приложений и содержит
101 страницу, 47 рисунков, 3 таблицы и 38 формул. Список литературы содержит 48 наименований.