Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. 11
1.1. Обзор литературы, посвященной исследованию вставок-ограничителей течи 11
1.2. Обзор литературы, посвященной исследованию процессов,происходящих в герметичных помещениях атомных станций
1.3. Выводы из обзора, литературы 29
1.4. Постановка'задач исследования 30
Глава 2. Описание зкспершуіентальной установки и методика проведения эксперимента 31
2.1. Описание экспериментальной установки 31
2.2. Методика проведения экспериментов 33
2.3. Описание системы измерений 38
2.4. Точность результатов измерений ^j
Глава 3. Теоретические предпосылки для расчета каналов, работающих на вскипающей вдкости 43
3.1. Методика расчета вставок, ограничивающих
расход 44
3.2. Методика расчета реактивного усилия
Глава 4. Анализ экспериментальных результатов. 55
4.1. Описание результатов экспериментов 55
4.1.1. Экспериментальные результаты по определению расхода самоиспаряющейся жидкости 55
4.1.2. Экспериментальные результаты по опреде лению влияния геометрии вставок на реак тивные усилия 58
4.2. Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента 67
Глава 5. Расчет изменения параметров пароводовоздушной смеси в защитной оболочке ядерного реактора при поступлении в нее теплоноси теля 72
5.1. Метод расчета 74
5.2. Определение величины расхода паровоздушной среды, уходящей из объема 81
5.3. Учет термодинамической неравновесности процесса 86
5.4. Анализ полученных результатов 91
5.4.1. Сопоставление результатов расчета и эксперимента 91
5.5. Выводы 93
Общие выводы 96
Заключение 98
Список литературы. 100
Приложения
- Обзор литературы, посвященной исследованию процессов,происходящих в герметичных помещениях атомных станций
- Методика проведения экспериментов
- Методика расчета реактивного усилия
- Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента
Введение к работе
Современное интенсивное развитие атомной энергетики приводит к дальнейшему увеличению единичных мощностей новостроящихся атомных электростанций. Строительство атомных электрических станций (АЭС) производится на сравнительно близком расстоянии к населенным пунктам в районах с высокой плотностью населения, так как они обеспечивают не только производство электроэнергии, но и тепла для бытовых и технологических целей. Это все вызывает повышенное внимание к проблемам безопасности. На строительство современных энергетических установок, имеющих большую мощность и очень сложную конструкцию, вкладываются значительные капиталовложения. Часть этих средств идет на обеспечение безопасности. Чтобы сократить или оправдать эти капиталовложения нужно уметь прогнозировать последствия возможных аварийных ситуаций, так как от этого зависит в большей степени дальнейшее развитие атомной энергетики в целом. 1 В настоящее время в HP Болгарии применяются реакторы, в которых в качестве теплоносителя используется вода под давлением. С точки зрения проблемы повышения эффективности использования атомных электростанций и безопасности эксплуатации ядерных реакторов наиболее опасной является максимальная проектная авария с потерей теплоносителя при разрыве главного циркуляционного контура реакторной установки с реакторами типа ВВЭР. При этом возникают значительные реактивные усилия, создающие дополнительные нагрузки на реактор и оборудования. Эта аварияособенно опасно вследствие того, что в окружающую среду может поступить большое количество радиоактивных веществ, что приведет к облучению обслуживающего персонала и к загрязнению окружающей среды. С другой стороны она может привести к выходу из строя других элементов оборудования реак- торного контура. Обеспечение безопасной работы атомных электрических станций тесно связано с решением задачи локализации последствий аварий.
Совершенно очевидно, что невозможно полностью ликвидировать все причины возникновения аварийных ситуаций, и поэтому всегда существует вероятность аварий с потерей теплоносителя. Это побуждает к созданию системы, которая обеспечила бы безопасность, не допустила бы разрушения оборудования и заражения радиоактивными веществами людей и окружающей среды. Одним из средств локализации и последствий аварий являются защитные оболочки, герметичные помещения и боксы для удержания возможного выброса активных веществ.
Для решения задач, связанных с безопасностью, необходимо знания основных физических процессов, протекающих в герметичных помещениях АЭС при истечении в них самоиспаряющейся жидкости. К этим процессам, прежде всего, относится изменение параметров втекающего теплоносителя, а именно изменение давления и температуры во времени. Степень повышения давления в защитной оболочке зависит в основном от расхода втекающего теплоносителя. Поэтому одним из самых актуальных вопросов в решении проблемы безопасности является вопрос ограничения расхода теплоносителя в условиях аварийной разгерметизации главного циркуляционного контура. В качестве одного из средств снижения величины аварийного расхода теплоносителя и,соответственно, реактивного усилия, в настоящее время используются ограничители течи типа сопла Лаваля, устанавливаемые непосредственно в самом реакторе или в подводящих или отводящих трубопроводах. Они не перекрывают, а лишь ограничивают аварийный расход теплоносителя. Эти ограничители перспективны с точки зрения надежное- . ти, так как в них отсутствуют подвижные элементы. Достоинство вставок-ограничителей расхода состоит в том, что они, не влияя на аб- солютное количество выброшенного теплоносителя, уменьшают его расход. Это создает более благоприятные условия для уменьшения производительности средств аварийной заливки активной зоны. С другой стороны, уменьшение величины расхода из реакторного контура под защитную оболочку приведет к более медленному повышению давления в ней и меньшему максимальному его значению. Системы снижения давления под защитной оболочкой будут приведены в действие при меньшей величине давления. При этом появляется обоснованная возможность снизить величину расчетного проектного давления под оболочкой, т.е. уменьшить ее геометрические размеры или облегчить конструкцию и уменьшить материалоемкость. Вместе с тем, нужно всегда учитывать, что в номинальном режиме работы эти сопла яеляются "паразитными" сопротивлениями, поэтому при выборе геометрии проточной части сопла необходимо не только обеспечить достаточно эффективное ограничение расхода теплоносителя в аварийном режиме,но и гарантировать по возможности низкое гидравлическое сопротивление в условиях нормальной эксплуатации.
Влиянию геометрии вставок-ограничителей течи на реактивное усилие в месте разрыва и на расход истекающего теплоносителя, исследованию изменения параметров в защитной оболочке посвящена настоящая работа.
Цель работы. Цель работы состоит в постановке и проведении серий экспериментов по исследованию расходных характеристик и реактивных усилий, возникающих при проливке вставок различной геометрии, разработке методики расчета реактивных усилий и методики,при помощи которой можно рассчитывать каналы, работающие на сверхзвуковом потоке. Цель работы состоит также в разработке модели расчета последствий аварийной разгерметизации реакторного контура ядерной энергетической установки с точки зрения определения изме- нения параметров двухфазной смеси в защитной оболочке с учетом динамических свойств теплоносителя.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации используются теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследования базируются на фундаментальных положениях механики сплошных сред, а допущения, положенные в основу выводов расчетных зависимостей, достаточно обоснованы. Использованные в работе экспериментальные методы исследования общепризнанны и обеспечивают приемлемую точность и воспроизводимость полученных результатов. Правильность разработанных методик, выводов и рекомендаций подтверждается совпадением расчетных значений, собственных экспериментальных данных и данных других авторов.
Научная новизна. Показано, что применение цилиндрических вставок с острой входной кромкой приводит к значительному уменьшению расхода и реактивных усилий по сравнению со значениями, которые реализуются в каналах геометрии, используемой в практике. Предложена методика, которая может быть использована для расчета каналов, работающих на сверхзвуковых потоках. При этом она может быть использована не только для истечения насыщенной и недогретой до насыщения воды, но и для однокомпонентной однородной двухфазной смеси.
Для определения параметров в защитной оболочке предложена методика, которая может быть использована для среды с любой степенью сжимаемости. Свойства сжимаемой среды определяются коэффициентом Грюнайзена, показателем изоэнтропы и скоростью звука.
Практическая ценность. Диссертационная работа содержит ряд идей, которые могут служить предметом дальнейших теоретических исследований в области истечения вскипающих теплоносителей и рабочих тел.
Полученные конечные формулы для определения скорости изменения давления и температуры двухфазной смеси могут применяться при проведении расчетных оценок значений параметров в защитной оболочке АЭС. Практическая реализация полученных результатов позволит повысить эффективность мер безопасности АЭС и их экономичность.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной юбилейной сессии Варненского института судостроения, г.Варна, HP Болгария (1982 г.), а также на научном семинаре кафедры "Атомные электрические станции" и на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и молодых исследователей Одесского политехнического института (1983 г.).
Автор защищает: результаты по определению реактивных усилий, полученные экспериментальным путем, при проливке вставок-ограничителей течи различной геометрии (в диапазонах изменения начальных давлений 1,0 - 2,1 МПа и различных недогревах воды до температуры насыщения); экспериментально полученные расходные характеристики в указанных диапазонах; методику расчета вставок, ограничивающих реактивные усилия и расход; методику расчета реактивных усилий,возникающих в месте разрыва, которая позволяет определять относительную удельную тягу как функцию показателя изоэнтропы; методику расчета параметров ( температура и давление) двухфазной смеси в защитной оболочке, которая позволяет рассчитывать скорость их изменения при любом фазовом состоянии водяной компоненты и может быть использована для среды с любой степенью сжимаемости, что возможно благодаря введению коэффициента Грюнайзена, показателя изоэнтропы смеси и термодинамически равновесной скорости звука.
Реализация результатов исследований. Результаты экспериментальных исследований расхода теплоносителя и реактивных усилий, содержащиеся в настоящей работе, внедрены и используются как исходные данные при разработке руководящего технического материала для инженерных расчетов (Всесоюзный теплотехнический институт им. Ф.Э.Дзержинского).
Экспериментальные результаты предполагается использовать в НИППИЭС "Энергопроект" - г.София с целью обоснования предложений генеральному проектировщику по реконструкции энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-440. Указанные результаты могут быть также использованы генеральным проектировщиком - институтом Атомтеплоэлектро-проект при проектировании и строительстве АЭС в Народной Республике Болгарии и других странах - членах СЭВ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений; содержит 132 страницы машинописного текста, 32 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 81 названий и приложения на 24 страницах.
В первой главе сделан анализ экспериментальных и теоретических исследований по определению расходных характеристик при истечении вскипающей жидкости из каналов различной геометрии, а также анализ литературных источников, посвященных исследованию изменения давления в герметичных помещениях атомных станций и методам снижения давления в них.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики проведения экспериментальных исследований.
В третьей главе предлагается расчетная модель для профилирования каналов, работающих на сверхзвуковом двухфазном потоке. Предлагается методика для определения реактивных усилий, возникающих в месте разрыва реакторного контура.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования.
Пятая глава посвящена разработке методики для расчета скорости изменения давления и температуры двухфазной смеси в герметичных помещениях АЭС.
Автор считает своим долгом выразить признательность своему руководителю, доктору технических наук, профессору ФИСЕНКО В.В. и кандидату технических наук, доценту АЛФЕРОВУ А.В. за ценную помощь, оказанную при постановке и проведении этой работы.
Обзор литературы, посвященной исследованию процессов,происходящих в герметичных помещениях атомных станций
В марте 1957 года были опубликованы первые результаты по повы шению параметров в герметичных помещениях при разуплотнении контура высокого давления.
Авторами [69] было предварительно рассчитано ожидаемое в опыте конечное давление в боксе. В рассматриваемой работе нет никаких сведений о методе расчета максимального давления. По всей вероятности авторы пользовались балансовыми уравнениями сохранения массы и энергии для адиабатной системы. Самый важный результат является тот, что экспериментально измеряемое максимальное значение в боксе было значительно меньше расчетного. Так, например, в опыте 14 полученное при расчете давление равнялось 0,45 МПа, а полученное в эксперименте не превышало 0,27 МПа (рис.1). Экспериментально было подтверждено, что в процессе роста давления пар находится в равновесии со своим конденсатом, так как парциальное давление пара в боксе равнялось давлению насыщения при температуре среды в боксе.
Авторами сделана попытка использовать результаты экспериментов для анализа процессов в реальной оболочке атомной станции Аргонс-кой национальной лаборатории. Это считалось возможно на том основании, что отношение количества теплоносителя к поверхности оболочки для реальной АЭС и опытной установки было примерно одинаково.
Существенные недостатки рассматриваемой статьи состоят в том, что в ней отсутствует информация о величинах расхода и энергии поступающего теплоносителя в каждый момент времени. Таким образом невозможно полностью проследить динамику повышения параметров давления в боксе. Не указаны характеристики используемых приборов и погрешности измерений. Эта работа является первым опытом экспериментального исследования процессов, происходящих в герметичных помещениях при аварийном разрыве первого контура.
Спустя год один из авторов А.Колфлэт,учитывая вышеуказанные недостатки в постановке опытов и существующую противоречивость результатов, осуществил новое экспериментальное исследование на новом стенде»
На этот раз экспериментальная установка имитирует разрыв главного циркуляционного контура реактора, подобного тому, что установлен в Кемп-Сенчури. Геометрические параметры установки соответствуют примерно его размерам [?0]
Впервые в этих испытаниях была предпринята попытка снижения давления в оболочке при истечении в нее теплоносителя первого контура. Большинство опытов велось при условии заполнения части объема оболочки холодной водой с целью определения степени влияния зеркала холодной воды на снижение давления в оболочке. В результате было установлено, что наличие холодной воды на дне оболочки незначительно снижало давление в ней.
По модели расчета, предложенной в [69] ранее рассчитана оболочка одной из крупнейших в мире атомных станций "Янки" [54]
В [19] приводятся результаты расчетов оболочки, полученные при решении системы уравнений для определения параметров пара. При расчете параметров среды под оболочкой делались следующие допущения:1. В качестве расчетного принимается весь свободный объем оболочки ;2. Пар и воздух равномерно перемешанны по всему объему, а вода полностью отсепарирована;3. Компоненты пароводовоздушной смеси находятся в термодинамическом равновесии;4. Тепломассообмен среды со стенками оболочки отсутствует.
Таким образом система уравнений имеет вид;тальпии пара, индекс "о" относится к начальному состоянию, индекс "т" относится к теплоносителю. Конечное давление в оболочке определяется
На основании результатов проведенных расчетов по уравнениям (I) - (4) в fl9j построены номограммы в виде зависимостей конечного давления от отношения объема оболочки к весу теплоносителя.
По этой методике все расчеты давали завышенные значения максимального давления под оболочкой. Все расчеты вьшолнялись по модели, в основу которой было положено предположение о том, что удельная энтальпия остается постоянной и ее значение для среды в оболочке после истечения в нее теплоносителя равно удельной энтальпии воды в реакторном контуре до истечения. Оболочки АЭС, спроектированные на основе этих расчетов, имели неоправдано большие объемы и толстые стенки.
Один из методов снижения давления под защитной оболочкой - это метод конденсации мгновенно образующегося пара путем перепуска под слой воды. Первая попытка оценить эффективность этого метода была предпринята в I960 г.К.Коно и Н.Омори [72] . Работа имеет чисто теоретический характер.В выводах сами авторы признают, что необхо
Методика проведения экспериментов
Эксперименты были проведены с имитаторами ограничителей течи теплоносителя , представленными на рис.12. В качестве экспериментальных каналов использовались насадки, сделанные из нержавеющей стали:1. цилиндрическая вставка с острой входной кромкой (рис.12,а) с относительной длиной f/d. = 12;2. вставка типа сопла Лаваля с плавным входом, цилиндрической средней частью и расширяющимся коническим диффузором (рис.12,6).
При постановке и проведении опытов особое внимание было обраще но на создание однозначного входного условия потока, т.е. обеспечение однородности оформления входного сечения вставки.
Относительная длина всего сопла менялась, соответственно, = = 16,33; 19,73; 20,17. Только цилиндрическая часть менялась, соответственно, /d = 8,6; 13,6; 15,7.Угол расширения в коническом диффузоре менялся, соответственно, 20, 40 и 80.
Для возможности сравнения результатов проливок диаметр цилиндрической части для всех ограничителей течи был выбран одинаковым,равным 6 мм. Диапазон параметров воды, при которых проводились опыты, составлял: по давлениям на входе в экспериментальный участок Pj = = 1,0 МПа и Pj = 2,1 ШІа, по температурам - от температуры насыщения до недогрева воды до температуры насыщения до Ю0С.
Были проведены две серии экспериментов, при которых имитаторы ограничителей течи проливались водой с давлением на входе всегда постоянным, равным, соответственно, 1,0 МПа и 2,1 МПа, при различном недогреве.
В процессе эксперимента непосредственно измерялись температура и давление воды на входе в сопло, расход истекающей жидкости, реактивное усилие, возникающее при истечении.
Для каждого эксперимента проводилась тарировка системы тензометрии реактивного усилия. Она осуществлялась нагружением рабочего участка гирями для определения его статической характеристики. В соответствии с весом гирь при помощи органов настройки усилителя "Топаз 3-01" выставлялись ноль и максимум (20 кгс) шкалы милливольтметра КСП-4. Этих двух точек достаточно для тарировки системы тензоизмерений ввиду линейной зависимости усилий, передаваемых на пластину от напряжения в сети. После проведения тарировки и необходимых операций установки выводилась на заданный режим. В рабочий участок по линии "а" подается вода с параметрами Р = 2,9 МПа и температура 393 К. При открытии задвижки 14 (вентиль 13 закрыт) в теплообменник 5 поступает морская вода с давлением 0,17 МПа и температурой 293 К (см.рис.9). Охлажденная рабочая вода до температуры 353 К поступает в рабочий участок. Запись необходимых параметров начиналась с этой температуры через 15-20 минут после установления требуемого стационарного режима. Путем закрытия задвижки 14 повышается температура рабочей среды, до начальных параметров 393К. С целью уменьшения недогрева воды до температуры насыщения открывается вентиль ІЗ. В теплообменнике 5 по линии "в" поступает пар с давлением 0,9 МПа и температурой 473 К. Пар, проходя через теплообменник, нагревает воду и таким образом достигается нужный режим. Запись параметров осуществлялась при постоянном давлении воды на входе в рабочий участок и ступенчатом росте температуры до температуры, близкой к температуре насыщения. Интервал между ступенями выбирался произвольно.
В процессе проведения экспериментальных исследований измерялись следующие величины: реактивное усилие, давление и температура смеси, расход пароводяной смеси.В настоящей работе особое внимание было уделено методике измерения реактивного усилия.
В настоящее время предпочтение отдается электромеханическим методам измерения реактивного усилия. В основе этих методов - преобразование изменения механического напряжения упругого элемента с помощью специальных датчиков в электрические сигналы, регистрируемые электроизмерительными приборами [11,37,39] .
Наибольшее распространение из всех электропреобразовательных систем получила система тензометрирования [10] . В такой системе на упругий элемент, к которому приложено измеряемое усилие, наклеивается тензометрический датчик. Б результате упругой деформации, испытываемой датчиком, изменяется его электрическое сопротивление, что приводит к рассогласованию плеч "моста" Уитстона. По степени рассогласования судят о величине усилия,
В настоящей работе в связи с конструктивными сложностями закрепления упругого элемента на неподвижных опорах пришлось заменить схему чистого изгиба на схему консольного изгиба балки с жесткой заделкой. Тем не менее в качестве упругого элемента выбрана балка-пластина равнопрочного сечения, обеспечивающая постоянство нормального напряжения на протяжении всего рабочего участка, пластины.Такая схема позволяет строго одинаково нагрузить все тензорезисторы (тензодатчики). Форма сечения пластины - прямоугольник постоянной высоты с увеличивающимся к месту заделки основанием.
Число упругих элементов выбрано равным двум, что позволяет устранить перекосы и раскачивание сопла в горизонтальном направлении и установить две пары тензорезисторов , для двух "мостов" - измерительного и контрольного.В качестве тензодатчиков использовались тензорезисторы марки ППКБК - 10 - 100. Ниже приводятся некоторые данные этих тензорезисторов :
Методика расчета реактивного усилия
С помощью формулы (12) определяется профиль сопла. Особенность приведенного расчета состоит в том, что параметры в і -том сечении расходящейся части сопла приведены к параметрам в критическом сечении, а не во входном, а так же в том, что сами критические параметры определяются с помощью зависимости для показателя изоэнтро-пы по [47] .
В [47] путем сопоставления с многочисленными экспериментальными данными показано, что предложенная для х зависимость может быть использована для определения критических параметров, критического расхода и критической скорости истечения адиабатного вскипающего потока различных веществ при их истечении через каналы различной геометрии.
Для получения максимальной тяги в качестве основного элемента двухфазного прямоточного двигателя можно использовать сопло Лава-ля принципиально новой геометрии (рис.13 в), учитывающей необходимость обеспечения однородности двухфазной смеси и свойство ее высокой сжимаемости [50] .
Приведенные зависимости, за исключением формулы (10), могут быть использованы не только для насыщенной и недогретой до насыщения жидкости, а также однокомпонентной двухфазной смеси, но и в случае, когда на входе в сопло имеется двухфазная двухкомпонентная смесь.
Интересно будет проанализировать полученные результаты с точки зрения влияния недогрева воды до температуры насыщения.
Для определения реактивного усилия, возникающего при истечении вскипающей жидкости из сопла, можно записать:иг - скорость потока (она совпадает со скоростью потока в безотрывном режиме течения в выходном сечении сопла), м/с; Р2 - давление на выходе из сопла, МПа; Р„р - давление противодавления, МПа; f - площадь сечения потока (совпадает с выходной площадью сечения при безотрывном режиме истечения),м . С увеличением недогрева воды до температуры насыщения при прочих равных условиях расход через канал возрастает. Это можно объяснить тем, что с увеличением недогрева уменьшается парообразование в выходном (критическом) сечении сопла. Таким образом увеличивается плотность потока. Однако увеличение плотности потока приводит к уменьшению его скорости на выходе из сопла, или с увеличением недогрева воды до температуры насыщения на входе в сопло скорость уменьшается. С другой стороны с уменьшением паросодержания в критическом сечении увеличивается показатель изоэнтропы и поэтому уменьшается критическое отношение давлений 8 . Таким образом меньшим становится P2=Qs#P/ Вот почему в области больших недогревов увеличение реактивного усилия за счет увеличения расхода компенсируется его уменьшением за счет уменьшения скорости потока на выходе и давления в выходном сечении. Поведение кривых / -//й /видно из рис.22 и рис.23. Для критического режима истечения из цилиндрического канала с острой входной кромкой выражение ( 13 ) должно быть записано в виде:
На основании предложенной в [21] номограммы (рис.14) для определения критического отношения давлений в выходном сечении цилиндрического канала с острой входной кромкой в зависимости от начальных параметров воды и относительной длины канала в диапазоне недогревов до насыщения от 0С до Ю0С могут быть получены зависимости Є+» ffa& и / = , примеры этих зависимостей в интересующем нас диапазоне параметров приведены на рис. 15.1. Предложенная расчетная методика позволяет рассчитывать каналы, работающие на сверхзвуковом двухфазном потоке, при этом параметры в С -том сечении расходящейся части сопла приводятся к параметрам потока в критическом сечении.2. Сами критические параметры определяются с помощью показателя изоэнтропы однородной двухфазной смеси.
Результаты измерений расхода через сопло различной геометрии, в зависимости от недогрева воды до температуры насыщения, представлены на рис.16 и рис.17. На рис.16 представлены зависимости удельного расхода от недогрева при начальном давлении Pj =1,0 Ша, а на рис,17 - изменение удельного расхода от недогрева при начальном давлении Pj = 2,1 МПа. Из этих рисунков видно, что удельный массовый расход через цилиндрический канал с острой входной кромкой в обоих случаях ниже удельного расхода через профилированное сопло типа Лаваля. Из рисунков видно, что с увеличением начального давления эта разница увеличивается и при давлении Pj = 2,1 МПа расход через цилиндрические вставки примерно в полтора раза меньше, чем через сопло типа Лаваля, несмотря на то, что диаметр цилиндрической части всех вставок был одинаковым, равным 6 мм. Так, например, при Pj =1,0 МПа и At = 80 в среднем расход через профи 4 Рлированное сопло равнялось 4,4 10 кг/м с, а расход через цилин 4 Рдрические вставки с острой входной кромкой равнялся 3,0 10 кг/м с; при Pj = 2,1 МПа и ДІ = 80С в среднем расход в первом случае равнялся 8,0 10 кг/м2с, при углах конусности 40 и 80; 3,2 10 кг/м с при угле конусности 20, а расход через цилиндрический ка-нал - 4,2 10 кг/мсс в среднем. Из рис.17 особенно четко видно, что при углах конусности диффузорной части вставок 40 и 80 расходы через сопло полностью совпадают при всех недогревах. Увеличение расхода в этом случае по сравнению с расходом через цилиндри ческие вставки определяется не геометрией входной части сопла, а наличием плавной входной части. При Pj = 1,0 МПа выравнивание значений расхода происходит при недогреве воды до температуры насыщения ниже 20С, а при Pj = 2,1 МПа это выравнивание происходит при недогреве ниже 50С.
На рис.18 показано сравнение результатов расчета [27] с опытными данными [23] по истечению недогретой воды. На рис.19 показано сравнение расчета [27] с опытными данными [44] по истечению насыщенной воды через каналы с острой входной кромкой при давлениях на входе Pj=I,0 МПа и Pj = 3,0 МПа. На рис.20 показано сравнение результатов расчета [27] с опытными данными [4] по истечению насыщенной и недогретой воды. На рис.21 показано сравнение расчетных[32,44] и экспериментальных значений [64] расходов насыщенной воды с результатами автора. Из вышеуказанных рисунков видно, что полученные расходные характеристики хорошо согласуются с результатами других авторов. Это, с одной стороны, является подтверждением правильности построения методики проведения экспериментов, а с другой стороны, показывает, что экспериментальная установка обеспечивает получение результатов, которые могут быть приняты как достоверными.
Экспериментальные результаты по определению влияния геометрии вставок на реактивные усилия
Результаты проведенных экспериментов по определению влияния геометрии вставок на реактивные усилия представлены в виде зависимостей реактивных усилий от недогрева воды до температуры насыщения на рис.22 и рис.23.На рис.22 представлены результаты реактивных усилий при истечении воды с начальным давлением Pj =1,0 МПа. На рис.23 представлены зависимости при начальном давлении Pj = 2,1 МПа.
Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента
По формуле (19) (параграф 3.2) с помощью приведенных в предшествующей главе зависимостей -f(A4 и =/MV были рассчитаны зависимости Р=пАу для двух значений давлений Pj=I,0 МПа и Pj = 2,1 МПа.
На рис.25 приведены расчетные кривые (сплошная линия) и экспериментальные результаты, по определению реактивного усилия при истечении вскипающей жидкости из цилиндрического канала (пунктирная линия). Из сравнения видно, что расчетные кривые хорошо описывают результаты экспериментов в области малых недогревов. При больших недогревах получается небольшое расхождение в результатах.
Некоторое снижение реактивных усилий, полученных экспериментальным путем, по сравнению с расчетными, можно объяснить тем, что при больших недогревах к выходному сечению канала не успевает полностью произойти обмен количеством движения между фазами, а наличие скольжения приводит к уменьшению реактивного усилия.
Можно сопоставить значение реактивного усилия, полученное в эксперименте с расчетным его значением, которое могло было быть получено при оптимальном профилировании. При недогреве - 40-С и начальном давлении Pj = 2,1 МПа получено максимальное значение ре активного усилия R » 14-3,4 н. Расход »1,49 кг/сек; критическая скорость истечения Ы» -а 105 м/сек. Относительная скорость на выходе из сопла 32 получается \ » 1,87. Если давление в выходном сечении Р2 равно давлению противодавления, реактивное усилие будет равно R - С- . иГ . Я2 , или R = 292,6 н. Следовательно , если бы сопло предназначалось для получения максимальной тяги, то профиль сопла должен быть существенно изменен. Вводная его часть должна представлять собой цилиндрический канал с острой входной кромкой, а расходящаяся часть должна быть спрофилирована так, чтобы при c/F/dz 0 выполнялось условие d F/dz 0.
На рис.26 представлено сопоставление результатов расчета с экспериментальными значениями реактивного усилия при критическом истечении из цилиндрического канала в зависимости от начального давления насыщенной воды. Совпадение расчета с экспериментами в области исследованных значений начального давления позволяет сделать предположение о возможности использования предложенной расчетной модели для определения реактивных усилий в интересующем практику диапазоне параметров. 1. Экспериментальные результаты истечения жидкости через кана лы исследованной геометрии - профилированные сопла типа Лаваля с различным углом расширения диффузорной части и цилиндрическая вставка с острой входной кромкой, позволили получить расходные характеристики и реактивные усилия при давлениях на входе в рабочий участок Pj =1,0 МПа и Pj = 2,1 МПа и недогревах до насыщения от 0С до Ю0С. 2. Значения расхода и реактивных усилий при использовании кана лов с острой входной кромкой в качестве ограничителей течи могут быть существенно меньше тех их значений, которые реализуются в каналах геометрии, используемой в практике, а именно: по расходам в 1,5 - 2 раза, а по реактивным усилиям в 2 - 3 раза. 3. Сопоставление существующих результатов ряда авторов с резуль татами, полученными в процессе экспериментального исследования по определению расходных характеристик показало, что методика прове дения экспериментов построена правильно и экспериментальная уста новка дает результаты, согласующиеся с литературными данными, 4, Сопоставление расчетных значений реактивных усилий с экспе риментальными при истечении насыщенной воды через каналы с острой входной кромкой свидетельствуют о работоспособности предложенной расчетной методики и о возможности ее практического использования. При анализе последствий аварии, связанной с потерей теплоносителя рассматривается, как правило, худший случай, т.е. случай "мгновенного" разрыва трубопровода. При проектировании АЭС возникает задача расчета давлений в помещениях, когда в них поступает испаряющаяся вода или пар. Такие расчеты необходимы для задания нагрузок на строительные конструкции, для выбора систем локализации аварий и определения эффективности их работы. При разгерметизации первого контура характер изменения параметров в защитной оболочке зависит от ряда факторов: места разрыва, его геометрии, условий теплообмена в рассматриваемом элементе энергетической установки, начальных параметров теплоносителя перед аварией и др. Поэтому задачу динамики изменения параметров в условиях течи нужно решать в самом общем виде, учитывая влияние всех перечисленных выше факторов. В момент разрыва трубопровода главного циркуляционного контура защитная оболочка заполнена воздухом при давлении, близком к атмосферному. Процесс изменения параметров пароводяной смеси в защитной оболочке, включая шахту реактора, можно условно разбить на четыре этапа. На первом этапе за счет сброса давления теплоносителя и отвода тепла из воздуха происходит испарение теплоносителя, поступающего из разрыва циркуляционного контура, и перегрев образующегося пара. Если температура воздуха, заполняющего защитную оболочку, превышает температуру соответствующую парциальному давлению образующейся пароводяной компоненты, тепло отводится из воздуха и пары воды перегреваются до температуры смеси, которая в этом случае падает. Давление смеси, равное сумме парциальных давлений пара и воздуха, при этом изменяются следующим образом: парциальное давление пара растет, а парциальное давление воздуха - падает. Суммарный эффект приводит к снижению полного давления. Рост парциального давления пара и снижение температуры смеси сопровождаются уменьшением перегрева пара до тех пор, пока процесс не завершится выпадением росы. Его длительность не превышает 0,2-0,Зсек. В течение первого этапа происходит увеличение массы воздуха за счет натечек его извне. На втором этапе происходит повышение температуры и давления паровоздушной смеси. Процесс сопровождается увеличением влажности и массы воздуха, заключенного в шахте, и завершается восстановлением в шахте атмосферного давления. На третьем этапе происходит дальнейшее повышение давления в шахте реактора. Этап сопровождается выбросом из шахты паровоздушной смеси. Как следствие, растут давление и температура в смежных помещениях защитной оболочки. В шахте реактора нарастает избыточное давление. Четвертый этап характеризуется резким снижением давления,вследствие включения спринклерной системы. На всех этапах к смеси подводится тепло от более нагретых элементов конструкции реакторного контура и отводится тепло при контакте ее с более холодными поверхностями стенок помещений защитной оболочки. Ниже приведены расчетные зависимости для определения скорости изменения параметров паровоздушной смеси внутри защитной оболочки на любом из указанных этапов процесса.
