Введение к работе
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, і автономных энергоисточников этот вид охлаждения практически является нственно реализуемым. Он предпочтительней по многим показателям: не іазуется туман и гололедица, независимость от источника водоснабжения при >оре площадки, значительная экономия воды, более низкие эксплуатационные ходы, снижается вероятность осаждения с осадками радионуклидов вблизи >щадки 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 активности 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 айкает проблема определения режимных и конструктивных характеристик душных 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 тушных 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, їющиеся 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 стані теплоснабжения с низкотемпературным реактором и тепловым насої (Межведомственная программа фундаментальной НИР на 1986-199( №ГР 0286.0074099);
разработка аварийной пассивной системы расхолаживания реакторного бл ВВЭР-1000 (Межведомственная программа НИР на 1989-199( №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 обю методологического подхода к тепловому расчету для всех стадий проектирові 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 соотноин и физігческие 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 новизна 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 моді физического процесса пленочной конденсации в вертикальных трубах воздушн теплообменников в наиболее общей постановке из потока химически реагирующі теплоносителя, где имеются как конденсируемые, так и неконденсируем компоненты, между которыми протекают гомогенные обратимые химичесі реакции. Модель включает различные режимы течения двухфазного расслоен» потока, начальный участок, шероховатость на стенке, волновую поверхность грани раздела фаз газ-жидкость. Следующим уровнем моделирования являє квазидвухмерная модель воздушного теплообменника с параллельными каналамі неравномерным распределением потока воздуха по фронту аппарата. Эта моді 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 альтернативи конструкций аппаратов с однофазными и двухфазными потоками, парокомпрессионных трансформаторов тепла.
Методом вычислительного эксперимента подробно исследован механі 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 котор 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 воздуші теплообменников при явных и неявных ограничениях.
Аналогичный подход также был применен для исследования процессої вычислительного проектирования радиаторов космических ЯЭУ со сбросом тепл атмосферу излучением. Модели третьего и второго уровня впервые позволі 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 позволі выявить факторы, влияющие на оптимальную конструкцию радиаторов при явны неявных ограничениях. При этом выявлены общие закономерности как і
ггимизации воздушных теплообменников, так и радиаторов.
С помощью дополнительного анализа установлено, что разработанный метод зжет 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 ічислительному анализу теплообменников имеет более общий характер, вводивший 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 вденсаторов 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 эпительных приборов - конвекторов в ГПБелНИИС, утилизаторов тепла содящих дымовых газов и для оптимального проектирования парокомпрессионных юдильных машин для переработки и камер хранения продуктов, и установок таждения молока с утилизацией сбросного тепла, на основании которых была іработана конструкторская документация и опытные образцы в «ОКБ Академическое» НАНБ и ГП БелНИКТИММП. Показаны экономически зснованные условия при которых возможно использования тепловых насосов для :тем воздушного отопления. Материалы диссертации и пакет программ, связанные рансформаторамп 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 тешюобменнг 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 числені
моделирования процессов переноса и вычислительного проектирова
теплообменных воздушных аппаратов и радиаторов, включающая реализован
впервые следующие частные случаи:
двухмерную математическую модель пленочной конденсации химичі 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, переходне 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 свободне несвободном пространстве с внешним сложным кондуктивно-радиационнь внутренним конвективным теплообменом с элементами конструкций коне1 длины;
расчетную схему оптимизации с дискретными и монотонно изменяющиі 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.
-
Комплекс прикладных программ для анализа процессов и тепло проектирования воздушно-радиационных аппаратов, разработанный на ос математической модели.
-
Результаты исследований, полученные впервые с помощью вычислитель эк
объяснение механизма протекания процессов переноса в двухфа
конденсируемом потоке на основании анализа радиальных проф
переменных и роли определяющих факторов, влияющих на интенсивг
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.
-
Результаты оптимизации теплообменников различного назначения с явными іеявньїми ограничениями на функцию цели.
-
Уравнения и коррелирующие поправки для расчета тепломассообмена и іротивления трения, полученные на основании вычислительного эксперимента.
Личный вклад соискателя. Трехуровневый подход к взаимосвязанному їловому вычислительному анализу теплообменных воздушных аппаратов и іиаторов 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 іухфазньїй 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; И 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 \ 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.
