Полые тепловые трубы (термосифоны) являются перспективными теп-лопередающими элементами в системе пассивного отвода тепла от первого контура ядерных установок при авариях с исчезновением’электропитания собственных нужд рассматриваемой установки. Они позволяют существенно повысить надёжность работы теплообменников, создавая промежуточный барьер между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителем. Так вследствие автономности каждого термосифона (ТС) одностороннее нарушение его герметичности не приводит к соединению теплопередающих сред. Кроме того, разгерметизация небольшого процента из общего количества ТС, имеющихся в теплообменнике, практически не отражается на его производительности.
Применение ТС также весьма перспективно для систем отвода тепла из внутреннего пространства защитной оболочки или хранилища с отработанным ядерным топливом. Допустимость весьма высоких аксиальных тепловых потоков при противоточном движении пароводяной смеси позволяет для батарейных ТС при умеренном сечении проходки транспортного участка через стенку защитного помещения развернуть внутри этого помещения и за его пределами обширные тепловоспринимающие и теплоотдающие поверхности, соответственно. Применение ТС рассматривается и при разработке системы охлаждения шахты высокотемпературного газового реактора.
Термосифоны также весьма перспективно использовать в энергосберегающих технологиях разного назначения.
Горизонтальные и слабоотклонённые от горизонтали ТС обладают рядом преимуществ по сравнению с вертикальными ТС во многих случаях их применения:
— возможность компактного расположения эффективных поперечно оребрённых поверхностей под потолком охлаждаемого помещения или в нижней части канала с естественной тягой охлаждающего воздуха;
— возможность гравитационной самоочистки внешней поверхности поперечно оребрённых труб, находящихся в запылённом потоке;
— возможность избежать напряжений в стенке ТС при замерзании в нём воды. Так при приемлемой степени водяного заполнения (с"0.5) замерзание воды в горизонтальной трубе не вызывает опасных напряжений в её стенке.
Однако для этих ТС остаётся неисследованным или недостаточно исследованным для создания надёжных расчётных рекомендаций ряд важных характеристик, включающих:
— определение минимального угла наклона к горизонтали ТС, минимальной степени его начального вакуумирования и диапазона необходимого водяного заполнения, при котором сохраняется высокая теплопередающая способность ТС и равномерность распределения температуры по всей поверхности его зоны нагрева или зоны охлаждения;
— определение максимальной мощности ТС, при которой начинается ухудшение охлаждения. его поверхности в зоне нагрева;
— определение взаимосвязи между уровнем пароводяной смеси в ТС и объёмом холодной воды, залитой в него при заполнении (вопрос об объёмном паросодержании при барботаже пара в трубе слабоотклонённой от горизонтали).
Термосифонами открытого типа, т. е. имеющими лишь одностороннее тупиковое окончание, могут являться тупиковые части трубопроводов или части трубопроводов, отсечённые запорной арматурой. Для этого необходимо, чтобы «тупик» с более холодным теплоносителем был расположен не ниже основного трубопровода с горячим теплоносителем. В этом случае происходит теплообмен токами естественной конвекции определённой интенсивности уже по однофазному теплоносителю (жидкость или газ) между «тупиком» и основным трубопроводом. Для определения достаточности этого теплопереноса для предотвращения замерзания жидкости в тупиковых частях трубопроводов необходимо создание методики расчёта интенсивности рассматриваемого теплопереноса. Вертикальными ТС открытого типа являются расположенные на крышке водоохлажлаемых реакторов каналы приводов системы управления и защиты (СУЗ) реактора. Для расчёта интенсивности аксиального переноса тепла в таких каналах имеются определённые рекомендации. Однако они отсутствуют для наклонных ТС открытого типа.
Вопросы предотвращения разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур, тоже требует своего решения.
Таким образом, актуальность темы настоящей работы обусловлена необходимостью создания экспериментально обоснованной методики тепло-гидравлического расчёта горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали термосифонов, а также необходимостью разработки решений по предотвращению разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур.
Настоящая работа посвящена:
— исследованию теплогидравлических характеристик горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали ТС разной конструкции;
— разработке решений по предотвращению разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур, при сохранении их высокой эффективности;
Исследования выполнены в НПО ЦКТИ и в ОАО «ЛУКОЙЛ — Ниже-городнефтеоргсинтез» в рамках НИР при проработках вариантов аварийного отвода остаточных тепловыделений и расхолаживания реакторной установки ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, охлаждения герметичных помещений с отработанным ядерным топливом, а также при экспериментальном обосновании проектов котлов — утилизаторов.
Целями работы являлись:
1. проведение экспериментального исследования характеристик тепло-гидравлических процессов в горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали ТС разной конструкции (максимальная мощность ТСраспределение неконденсируемых газов по длине его зоны охлаждениявлияние этого распределения на неизотермичность поверхности ТСистинное объёмное паро-содержаниеаксиальный теплоперенос по некипящей воде). Разработка на основе результатов этих исследований:
— соотношений для расчёта интенсивности рассматриваемых процессов;
— методики определения условий возникновения эффекта поршневого выдавливания паровым потоком более тяжёлых по молекулярной массе некой денсируемых газов к верхнему торцу ТС;
— определение оптимальной степени заполнения ТС;
2. проведение экспериментального исследования по определению влияния спиртосодержащих добавок на тепловые характеристики ТС;
3. разработка конструктивных решений по недопущению разрушения вертикальных и наклонных ТС при замерзании в них воды и экспериментальная апробация этих решений;
Методический подход, принятый в работе для достижения поставленной цели:
Эксперименты проведены с термосифонами натурной конструкции и размеров при натурных параметрах, находящейся в них пароводяной смеси или воды. Рассмотрен диапазон мощностей и удельных тепловых потоков, охватывающий реальный диапазон этих параметров в натурных ТС. Разработаны методики и измерительные системы, фиксирующие с требуемой точностью количественные характеристики рассматриваемых процессов. Предложены замыкающие соотношения, описывающие интенсивность ряда тепло-гидравлических процессов. Разработанные методики и соотношения базируются на современных достижениях в области теплообмена, массообмена и гидродинамики.
Автор защищает:
Результаты исследований теплогидравлических характеристик слабо-отклонённых от горизонтали термосифонов:
— аксиальный (по длине) перенос тепла по некипящей воде;
— максимальная мощность (теплопроизводительность);
— условия ухудшения охлаждения зоны нагрева;
— условие вытеснения паровым потоком к верхнему глухому торцу термосифона более тяжелого по молекулярной массе воздуха;
— максимальное захолаживание верхнего сечения термосифона при наличии в нём оставшегося воздуха;
— среднее объёмное паросодержание (ф) под уровнем пароводяной смеси;
— коэффициенты теплоотдачи в высоконагруженных (язо<610 кВт/м) зонах охлаждения при высоких давлениях (до 10 МПа).
Результаты исследований по определению эффективности решений, позволяющих сохранить работоспособность термосифонов после длительного нахождения их в зоне отрицательных температур:
— заполнение термосифонов (10 и 20)% раствором этилового спирта;
— водяное заполнение на 40−45% горизонтальной зоны нагрева термосифона при наклонном положении его зоны охлаждения (её глухой торец поднят над зоной нагрева).
— концентрическое размещение внутри вертикального или наклонного термосифона перфорированной трубки, приваренной к нижнему донышку термосифона.
Научная новизна работы обусловлена следующим:
— создан ряд моделей горизонтальных и наклонных ТС натурных размеров, препарированных современными датчиками измерения требуемых параметровНа этих моделях проведено исследование теплогидравлических процессов в ТС и получен экспериментальный материал по характеристикам интенсивности этих процессов;
— на основе анализа результатов проведённого исследования предложен ряд расчетных моделей и замыкающих соотношений по определению значений перечисленных выше параметров процессов в ТС;
— предложены и экспериментально апробированы варианты конструктивного решения по недопущению разрушения ТС при замерзании в них воды.
Достоверность научных положений и выводов по работе основывается на следующем:
— эксперименты выполнены на ряде ТС натурной конструкции и размеров при натурных параметрах пароводяного теплоносителя;
— предлагаемые замыкающие соотношения, в основном, базируются на результатах экспериментов, проведённых автором на ряде моделей, а также с использованием данных отечественных и зарубежных исследователей;
— в исследованиях использованы современные средства измерения и обработки опытных данных. Эксперименты в мало исследуемом диапазоне параметров сочетались с подобными опытами в диапазоне параметров, в котором имеются нормативные расчетные рекомендации;
— предложенные физические и расчётные модели, а также замыкающие соотношения согласуются с современными представлениями' о процессах тепломассообмена и гидродинамики.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что предложенные замыкающие соотношения используются СПб АЭП в проектных проработках пассивных систем аварийного расхолаживания реакторной установки ВВЭР 1200 и охлаждения объёмов под защитной оболочкой. Результаты работы также используются в реализованных проектах котлов — утилизаторов, разработанных в НПО ЦКТИ.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и опытно — конструктивных разработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками НПО ЦКТИ. При этом автору принадлежит постановка задач экспериментальных исследований, разработка их программы, участие в проведении экспериментов, анализе результатов экспериментов и разработке замыкающих соотношений, описывающих интенсивность рассматриваемых процессов.
Автором предложены конструктивные решения по недопущению разрушения вертикальных ТС при замерзании в них воды и проведена в ОАО «ЛУКОЙЛ — Нижегороднефтеоргсинтез» экспериментальная отработка вариантов этого решения.
Апробация результатов работы. Исследования автора по данной проблеме проводились с 1998 г. по 2007 г. Основные научные положения и результаты работы представлялись на: международной конференции «Проблемы развития центрального теплоснабжения» 21−24.04.04, Самарана семинаре-совещании «Новые разработки энергетического оборудования». Москва, 30.10−1.11.2001; на семинарах кафедры ядерной энергетики Нижегородского технического университета и ВТИна НТС НПО ЦКТИ.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 6 печатных работах, включая статью в журнале «Теплоэнергетика», рекомендованном ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 131 страницу основного текста (введение, 9 глав с выводами, заключение по работе), 59 рисунков, 16 таблиц. Список литературных источников содержит 38 наименований (без трудов автора). Общий объем диссертации составляет 185 страниц.
Выводы по главе. 1.
1.Автором предложено 4 варианта конструкции устройства для предотвращения опасных напряжений при замерзании воды в вертикальном и наклонном термосифоне (ТС), основанных на создании вдоль продольной оси ТС условий для транспорта вверх незамёрзшей воды в свободный объём над уровнем теплоносителя в ТС. В этом случае расширяющийся при замерзании лёд не создаёт опасных напряжений для металла стенок и донышка ТС. Предложенные варианты конструкции отличались:
— количеством нижних донышек,.
— количеством и размерами, внутренних концентрических трубок, по которым и был организован упомянутый выше транспорт незамёрзшей воды в свободный объём над уровнем теплоносителя в ТС,.
— количеством отверстий в стенке внутренних трубок, через которые незамёрзшая вода, вытесняемая образовавшимся льдом, входила в полость внутренней трубки.
2. Предложенные конструкции «устройства» изготовлены на ОАО «ЛУКОИЛ-НОРСИ» (по одному образцу для каждого варианта конструкции «устройства») и прошли там ресурсные испытания (до 48 циклов замерзание — оттаивание воды в образцах) в зимние периоды 2001;04гг.
3. Оптимальной признана конструкция, имеющая:
— двойное донышко с воздушной прослойкой между отдельными донышками высотою ~01 диаметра донышка;
— качественную приварку по всему периметру внутренней трубки к внутреннему донышку;
— толщину стенки внутренней трубки 2−3мм;
— сечение внутренней трубки, равное 15−20% от общего сечения ТС;
— отношение суммарной площади перфорации (отверстий в стенке внутренних трубок) к общей поверхности этой трубки не менее 1.5%;
— превышение высоты внутренней трубки над высотою столба воды, заливаемой в ТС, на 10−12%.
4. Один из предложенных вариантов конструкции «устройства», хотя и не отвечал всем перечисленным выше требованиям (толщина внутренней трубки 1 мм и отсутствие её надёжной приварки к внутреннему донышку), но успешно прошёл 48 циклов замерзание — оттаивание воды без заметной деформации ТС и нарушения его плотности. Указанное количество циклов эквивалентно стоянке реального многоэлементного теплообменника в течение не менее 16 зим, что превышает проектный ресурс этого теплообменника.
Заключение
.
1. Проведено комплексное экспериментальное исследование теплогид-равлических характеристик горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали термосифонов (ТС). Эксперименты проведены на 3 натурных ТС и двух полномасштабных моделях ТС. Модели, в основном, отличались от натурных ТС материалом (Сталь 12Х18Н10Т, тогда как для натурных ТС применялась Сталь20) и меньшей толщиной стенки (2мм против 4−5мм у натурных ТС). Приведённое давало возможность понизить для моделей азимутальные и аксиальные растечки тепла по стенке ТС до уровня, позволяющего корректно исследовать стратификационные явления, связанные с особенностями теплогидравлики, рассматриваемых ТС. В то же время эксперименты с натурными ТС, проведённые при натурных параметрах теплоносителя и натурных тепловых потоках, позволяли получить действительные характеристики распределения температуры стенки по длине и азимуту ТС.
2. В результате проведенного исследования:
2.1. получен обширный экспериментальный материал и обобщены данные по определению:
2.1.1. интенсивности аксиального теплопереноса по воде вдоль ТС. В слабоотклонённом от горизонтали [Р=(1,5-^-5)°] некипящем ТС, из-за температурной стратификации воды по сечению трубы возникает её естественная циркуляция (ЕЦ) с подъёмным движением в верхней части-сечения ТС и с опускным — в нижней части сечения. Рассматриваемая ЕЦ, с массовой скоростью 20ч-100 кг/м2с при 11е=(8-г20)103 интенсифицирует в 3−10 раз аксиальный теплоперенос по сравнению с имевшим место в вертикальных ТС;
2.1.2. максимальной (критической) мощности (1Чкр) ТС, слабоотклонён-ного от горизонтали [р=(1,5-г5)°], которая, как и для вертикального ТС, определяется гидродинамическим кризисом противоточных газожидкостных потоков («захлебывание»). На основе проведенных экспериментов и имеющихся рекомендаций для вертикальных и наклонных ((3=15°) ТС предложены обобщающие соотношения по определению значения Ыкр для наклонных и вертикальных ТС ((3=1,5−90°);
2.1.3. критической мощности горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали ТС ((3=0−2)°, связанной с сепарацией пара в пределах зоны нагрева и образованием у верхней. образующей трубы паровой прослойки. Предложено соотношение для определения значения удельного критического теплового потока;
2.1.4. скорости парового потока (\^,)1У, при превышении которой пар полностью вытесняет вверх к глухому торцу ТС более тяжелый по молекулярной массе воздух, оставшийся в наклонном ТС ((3=1.5−21°) при его неполном начальном вакуумировании. При этом в нижней части зоны охлаждения (конденсации), где, располагается изотермический паровой участок, где температура теплоносителя соответствует температуре насыщения при общем давлении в ТС. Для обобщения результатов экспериментов как с вертикальными, так и с наклонными каналами разного диаметра (с1=46−402мм) предложен безразмерный комплекс для паровоздушной смеси Рг=(\^, Х2у,/?с1, граничное значение которого составляет Рг=(1-М.5)-10'2.
2.1.5. максимального снижения температуры теплоносителя в ТС по сравнению с температурой насыщения воды при общем давлении в нём Это снижение имеет место в верхнем сечении ТС при наличии в нём оставшегося воздуха. Предложено соотношение для определения значения А1'," «л', как функции среднего парциального давления воздуха в паровоздушном объёме ТС.
2.1.6. интенсивности теплопереноса через водяную прослойку при обогреве внешней стенки в условиях яст=сопз1. Показано, что интенсивность теплопереноса соответствует расчётному значению, определённому по рекомендации РД 24.035. 05−89 (НПО ЦКТИ, 1991 г) при низком значении коэффициент конвективного переноса тепла ек8. Низкая интенсивность рассмотренного теплопереноса и существенное отличие в температурах по периметру обогреваемой внешней трубы Д{азимут=(20−95)°С делает неперспективной кольцевую конструкцию ТС (модельЗ).
2.1.7. среднего объёмного паросодержания (ф) под уровнем пароводяной смеси в ТС, отклонённым от горизонтали на угол Р=(1,5- 5)°. Предложены основанные на «модели дрейфа» соотношения, обобщающие экспериментальные данные как настоящей работы, так и результаты экспериментов с вертикальными каналами.
2.1.8. теплогидравлических характеристик высоконагруженных (Язо<610 кВт/м) зон охлаждения (з.о) ТС. По результатам проведённых экспериментов подтверждена корректность использования рекомендаций РД 24.035.05−89 при расчёте коэффициентов теплоотдачи в теплонагруженной з.о.;
3. Проведены исследования по определению эффективности ряда решений, позволяющих сохранить работоспособность ТС после длительного нахождения их в зоне отрицательных температур:
3.1 заполнение ТС (10 и 20)% раствором этилового спирта. Испытания показали наличие дополнительного захолаживания верхнего’его торца ТС на по сравнению с экспериментами на конденсате. Захолаживание связывается с изменением концентрации паров спирта по длине зоны охлаждения;
3.2 Водяное заполнение на 40−50% горизонтальной зоны нагрева ТС при наклонном положении зоны охлаждения (её глухой торец поднят над зоной нагрева). При таком решении отсутствуют опасные напряжения при замерзании воды в ТС. При угле наклона з.о. ТС Р>1.5° обеспечивается и достаточно интенсивный слив конденсата к зоне нагрева при отсутствии заметного захолаживания нижней образующей з.о.
3.3. Концентрическое размещение внутри вертикального или наклонного ТС перфорированной трубки, приваренной к нижнему донышку ТС. Предлагаемая конструкция создаёт условия для транспорта вверх незамёрзшей воды вдоль продольной оси ТС в свободный объём над уровнем теплоносителя в нём. Оставшийся расширяющийся при замерзании лёд не создаёт опасных напряжений для металла стенок и донышка ТС. Проведены испытания 4 вариантов предложенной автором конструкции рассматриваемого устройства. Один из вариантов успешно прошёл 48 циклов замерзания — оттаивание воды без заметной деформации ТС и нарушения его плотности. Указанное количество циклов эквивалентно стоянке реального многоэлементного теплообменника в течение не менее 16 зим, что превышает проектный ресурс теплообменников.
4. Полученные автором сравнительно высокие допустимые аксиальные тепловые потоки при противоточном движении пароводяной смеси в трубах, слабо отклонённых от горизонтали, позволили предложить модернизировать двухконтурную схему отвода тепла из хранилищ с отработанным ядерным топливом фирмы Siemens. Предложено создание системы батарейных ТС с одиночной проходкой для каждой батареи через стенку защитного помещения. При этом, как внутри помещения с отработанным топливом, так и за его пределами развертываются обширные тепловоспринимающие и теплоот-дающие поверхности, соответственно. Снижение не менее чем на порядок количества проходок теплоотводящих труб через стену герметичного помещения повышают вероятность герметичности этого помещения.
5. Полученные автором результаты используются при-проектных проработках вариантов аварийного отвода остаточных тепловыделений от первого контура РУ ВВЭР-1000, а также охлаждения помещений с отработанным ядерным топливом и охлаждения объёмов под защитной оболочкой АЭС с водоохлаждаемыми реакторами.
