Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние систем пассивного залива активной зоны и пути их дальнейшего развития . 13
1.1. Классификация систем пассивного залива активной зоны 15
1.2. Системы пассивного залива A3 действующих АЭС 16
1.3. Системы пассивного залива A3 разрабатываемых АЭС . 22
1.4. Система пассивного залива реактора ВВЭР-1000 с РУ В-392 32
1.4.1. Система гидроемкостей первой ступени 32
1.4.2. Система гидроемкостей второй ступени 34
1.4.2.1. Особенности теплогидравлических процессов в системе ГЕ-2 37
1.5. Постановка задачи 40
Выводы по главе 1. 41
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика проведения опытов 42
2.1. Моделирование процессов в системе ГЕ-2 42
2.2. Крупномасштабный теплогидравлический стенд ГЕ-2 43
2.2.1. Модельность крупномасштабного стенда ГЕ-2 по отношению к реальной системе, 43
2.2.2. Граничные условия для модели системы ГЕ-2 43
2.2.3. Технологическая схема и основное оборудование стенда ГЕ-2 44
2.2.4. Система автоматизированного измерения и сбора основных параметров стенда 47
2.2.5. Оценка точности измерений 50
2.2.6. Методика проведения экспериментальных исследований на крупномасштабном стенде. 50
2.3. Экспериментальная установка "Модель гидроемкости" 53
2.3.1. Описание экспериментальной установки 53
2.3.2. Методика экспериментальных исследований 55
2.4. Экспериментальная установка "Модель паропровода" 55
2.4.1. Схема экспериментальной установки 55
2.4.2. Конструкция рабочих участков 57
2.4.3. Методика проведения экспериментов 62
Выводы по главе 2; 64
Глава 3. Экспериментальное исследование процессов в системе ГЕ-2 на модельных экспериментальных установках 65
3.1. Проведение исследований на экспериментальной установке "Модель гидроемкости" 65
3.2. Изучение процесса истечения воды на экспериментальной установке "Модель паропровода" 68
3.2.1. Эксперименты на рабочих участкахРУ-1000/50 и РУ-3000/50... , 68
3.2.1.1; Гидродинамические характеристики истечения... .. 68
3.2.1.2; Температура двухфазного потока на выходе из рабочего участка. ... 73
3.2Л .3. Температурные поля внутри рабочего участка. 77
3.2.2. Эксперименты на рабочем участке РУ-1000/98. 79
3.2.2.1. Гидродинамические характеристики истечения недогретой воды во встречный поток пара 80
3.2.2.2. Пульсации температуры на выходе из рабочего участка . 81
3.2.2.3. Измерение температурных полей в рабочем участке 82
3.3. Обобщение полученных экспериментальных данных и физическая модель процесса истечения недогретой воды во встречный поток пара. 86
3.4; Анализ полученных результатов и выработка рекомендаций по уменьше нию времени выхода системы ГЕ-2 на проектный расход, 90
Выводы по главе 3. 91
Глава 4; Эксперименты на крупномасштабном стенде ГЕ-2; 92
4.1. Изучение влияния, нестационарных теплогидравлических процессов в гидроемкостях на время выхода системы ГЕ-2 на проектный расход. 92
4.1.1. Эксперименты с диаметром паровой линии 50 мм. 93
4.1.2. Проведение опытов с диаметром паровой линии 100 мм 97
4.1.3. Результаты экспериментов с установленными в гидроемкости впутрикорпусными устройствами . 100
4.2. Исследование расходной характеристики системы ГЕ-2 при различных вариантах гидравлической схемы .. 104
4.2.1. Эксперименты с внешним профилирующим коллектором. 104
4.2.1.1. Опыты с двумя параллельно соединенными гидроемко стями 104
4.2Л.2. Результаты экспериментов с одной гидроемкостью 114
4.2.2. Проведение опытов с внутренним профилирующим коллектором. 117
4.3. Выработка технических предложений по изменению гидравлической схемы системы ГЕ-2 120
Выводы но главе 4 121
Глава 5. Численное моделирование тегаютидравлических процессов в системе пассивного залива активной зоны ГЕ-2 . 123
5.1. Общие принципы построения расчетного кода МАСТЕР-Е... 123
5.2. Расчетное моделирование экспериментов, проведенных при проектной схеме стенда ГЕ-2 125
5.2.1. Расходная характеристика стенда при "холодной " проливке 125
5.2.2. Качественное моделирование теплогидравлических процессов на стенде в экспериментах с паром 126
5.2.3. Верификация блока гидравлического расчета є "горячих" экспериментах. 129
5.2.4. Моделирование работы обратного клапана в сливной линии 132
5.3. Основные расчетные зависимости, заложенные в итоговую версию кода MACTEP-S 135
5.4. Верификация расчетного кода по результатам экспериментов, выполненных после изменения схемы стенда ГЕ-2 141
5.4.1. Начальный этап работы системы... 141
5.4.2. Моделирование расходной характеристики стенда. 144
5.5. Перенос расчетных моделей на систему пассивного залива ГЕ-2 АЭС с
реактором ВВЭР-1000 145
Выводы по главе 5 146
Заключение 147
Список использованных источников
- Системы пассивного залива A3 разрабатываемых АЭС
- Граничные условия для модели системы ГЕ-2
- Эксперименты на рабочих участкахРУ-1000/50 и РУ-3000/50... ,
- Исследование расходной характеристики системы ГЕ-2 при различных вариантах гидравлической схемы
Введение к работе
Одним: из направлений повышения безопасности АЭС является і их ориентация' на пассивные системы, не требующие вмешательства персонала при потенциально опасных проектных авариях. Этот подход, соответствующий современным мировым тенденциям- развития' атомной энергетики, реализуется- в концепции < безопасности АЭС ВВЭР-1000 с реакторной установкой В-392[1].
Реакторная: установка В-392 является модернизацией широко применяющейся, на действующих АЭС с реакторами ВВЭР-1000 установки В-320, которые успешно эксплуатируются в течение длительного времени. Однако в данном проекте в отличие от действующих АЭС предусматриваются новые концептуальные решения, направленные на повышение показателей;безопасностть Принципиальным моментом является оснащение: АЭС с РУ В-392 наборомшассивных систем, обеспечивающих останов, расхолаживание реактора и длительный отвод остаточного тепла (как при плотном контуре, так и при его разгерметизации) и не требующих при функционировании вмешательства оператора, а также подачи энергии извне в течение 24 часов [2].
Одной из таких систем является новая система пассивного залива активной зоны из гидроемкостей второй ступени (СПЗАЗГЕ-2), которая совместно с системой1 пассивного отвода тепла (СПОТ) служит для преодоления запроектных аварий с полной потерей всех источников переменного тока и течах первого контура.
Особенностью данной системы является. отсутствие азотной подушки в верхней части гидроемкостей. Истечение охлаждающей жидкости из системы происходит под действием давления пара из первого контура, который ? начинает поступать в; верхнюю часть системы FE-2 через трубопроводы, подключенные к холодным ниткам главного циркуляционного контура в зоне непосредственной близости к коллекторам парогенератора после падения давления в реакторе ниже 1,6 МПа [3].
Наличие процессов нестационарного взаимодействия пара и недогретой воды; могут вызвать нестабильную работу системы пассивного залива, как на стадии запуска, так и во время дальнейшей работы;
Поэтому по заказу разработчика системы ГЕ-2. — ФГУП "Атомэнергопроект" (г. Москва) в ГНЦ РФ-ФЭИ была исследована работа системы пассивного залива активной зоны из гидроемкостей второй ступени.
10 Цель работы - проведение комплексных расчетно-экспериментальных исследований процессов теплообмена, направленных на обоснование проектных функций системы ГЕ-2 усовершенствованного проекта АЭС с реактором ВВЭР-1000, выработка технических решений, необходимых для обеспечения работоспособности системы пассивного залива активной зоны из гидроемкостей второй ступени, а также численное моделирование теплогидравлических процессов в системе ГЕ-2.
Актуальность поставленных и решаемых в процессе исследования задач вытекает из необходимости повышения безопасности разрабатываемых АЭС нового поколения, что достигается широким использованием специальных систем, функционирование которых основано на; пассивных принципах. Одной. из. таких систем является СПЗАЗ ГЕ-2, предназначенная для ликвидации запроектных аварий с полной потерей всех источников переменного тока при течах первого контура. Обоснование работоспособности данной системы позволит, использовать ее в проекте АЭС ВВЭР-1000 с РУ В-392, тем самым^ повысив уровень безопасности данной реакторной установки. Научная новизна работы: получены экспериментальные результаты влияния нестационарных процессов : взаимодействия - пара и недогретой воды на;; расход из системы; гидроемкостей, возникающий под давлением паровой подушки; впервые обнаружено существенное различие в механизмах истечения воды во встречные, потоки конденсирующихся и неконденсирующихся газовых сред при исследовании опорожнения вертикальной заглушённой сверху трубы; получена полуэмпирическая зависимость для расчета времени опорожнения труб при истечении воды в пар.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложены обоснованные технические решения для обеспечения работоспособности системы пассивного залива активной;зоны, которые включены в проект системы пассивного залива ГЕ-2, реализуемый при строительстве АЭС с реактором ВВЭР-1000.
Автор защищает: комплекс технических решений, позволивший добиться работоспособности системы ГЕ-2; результаты экспериментального исследования < системы пассивного залива ГЕ-2 на модельных экспериментальных установках и крупномасштабном стенде; — предложенный- механизм истечения воды из заглушённых вертикальных труб во встречный поток пара и формулу расчета скорости опорожнения; - результаты численного моделирования теплогидравлических процессов в системе ГЕ-2 с помощью кода MACTEP-S.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались на: Третьей Российской-национальной; Конференции по теплообмену, Москва, 2002; 2-ой и 3-ей научно-технических конференциях "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", Подольск, 2001; 2003; отраслевой^конференіншіТеплофюика-2001; Обнинск, 2001; Международном; Молодежном Ядерном Конгрессе (IYNC-2002),. Дайджон, Республика; Корея, 2002; XIV Школе-семинаре молодых ученых и; специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Рыбинск, 2003; а также на отраслевом семинаре по пассивным системам безопасности АЭС, Обнинск, 2002.
Всего по теме диссертации было опубликовано 17 работ.
Достоверность основных научных положений! и выводов обеспечивается воспроизводимостью результатов экспериментов, использованием на крупномасштабном стенде ГЕ-2 и модельных стендах современных методик исследований и метрологически аттестованных приборов.
Личный вклад автора:
Автор как исполнитель принимал непосредственное участие на всех этапах работ, положенных, в основу представленной диссертации: разработка методикипрове-дения исследований; наладка и; подготовка стендового оборудования; выполнение экспериментов і на' модельных экспериментальных установках и крупномасштабном і стенде ГЕ-2; обработка опытных данных и выработка на основании их анализа технических решений; позволивших добиться работоспособности системы ГЕ-2; получение расчетных зависимостей^ положенных в основу кода МАСТЕР-Г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,.заключения, списка использованных источников из 97 наименований. Работа представлена на 159 страницах и содержит 47 рисунков и 5 таблиц.
В первой главе диссертационной,работы проведен обзор конструкций действующих и разрабатываемых систем пассивного залива реакторов различных типов. Рассмотрены основные особенности системы: пассивного залива - активной зоны из
12 гидроемкостей второй ступени (ГЕ-2). В заключение главы поставлены задачи исследования.
Вторая глава содержит описание крупномасштабного теплогидравлического стенда ГЕ-2 и модельных экспериментальных установок, на которых: проводились опыты для исследования теплообменных процессов в обоснование проектных функций системы пассивного залива. Представлены методика проведения экспериментов и средства измерения основных: параметров.
Третья глава посвящена исследованию на модельных: экспериментальных стендах: процессов и явлений, происходящих при запуске в работу системы ГЕ-2. В частности, рассмотрен процесс истечения воды во встречный поток пара в вертикальной заглушённой трубе,
В четвертой главе представлены основные результаты экспериментальных исследований нестационарных теплогидравлических процессов в системе ГЕ-2 на крупномасштабном і стенде. Приводится описание программы изменения гидравлической схемы системы пассивного >залива, позволившей' добиться работоспособности установки.
В пятой главе приводятся результаты численного моделирования процессов вv системе ГЕ-2 с помощью инженерного расчетного кода МАСТЕР-Г.
В заключении представлены основные выводы по результатам диссертационной работы.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность научному руководителю к.т.н. О.В. Ремизову за постоянное внимание к работе, ценные методические и практические указания по улучшению ее направленности и содержания.
Особую благодарность автор выражает к,т.н. С.Г. Калякину за постоянный интерес к проблемам, решаемым в диссертации и ценные, полезные советы в процессе подготовки и выполнения программы исследований.
Автор благодарит также к.т.н. А.А. Цыганка, профессора Ю,С. Юрьева и н,с. Ю.В. Климанову за большую помощь, оказанную ими на различных этапах работы;
Системы пассивного залива A3 разрабатываемых АЭС
Компанией; Westinghouse был разработан проект усовершенствованной АЭС АР600 электрической мощностью 600 МВт [18]; Для повышения безопасности і станции и удовлетворения лицензионным требованиям, действующим в США, в данном проекте широко используются пассивные системы безопасности.
Пассивная:система подпитки A3 данного реактора (рис. 1.2а) предназначена для подавления малых и больших течей в первом контуре РУ в случае аварии с разгерметизацией первого контура (Loss of Coolant Accident - LOCA) [19]; Данная система состоит из следующих компонентов: - двух баков подпитки A3 (Core Makeup Tanks - СМТ); - двух традиционных гидроаккумуляторов (Accumulators - АСС); - бака запаса воды, расположенного внутри защитной оболочки (In- Containment Refueling Water Storage Tank- IRWST).
Баки подпитки A3 предназначены для преодоления аварий при любом давлении. Гидроемкости расположены выше реактора, соединены с ним с помощью линии выравнивания давления (Pressure Balance Line - PBL) и используют гидростатический напор для своей работы. Объем каждого бака -57 м3 и он полностью залит раствором борной кислоты. Во время работы гидроемкостей вода из них поступает по сливной линии в опускную камеру реактора через два специальных патрубка на корпусе реактора (Direct Vessel Injection - DV7).
При работе реактора на мощности сливная линия из; гидроемкости закрыта двумя параллельно расположенными пневматическими клапанами, а линия выравнивания давления открыта. Таким образом, давление.в баке и в первом контуре.равны. Сливная линия и гидроемкость в нормальных условиях заполнены холодной водой; а в линии выравнивания давления находится горячий теплоноситель.
В случае аварии, автоматически (по сигналу уменьшения уровня в КД или при снижении давления воздуха в пневмоприводах) открываются клапаны на сливной линии. После этого горячая вода из первого контура начинает поступать в гидроемкость через линию выравшшания давления, замещая холодную воду в баке, которая идет на1 охлаждение A3. Происходит первый этап работы системы, который носит название фазы рециркуляции. Во второй фазе, когда пар, после снижения уровня теплоносителя в реакторе, начинает поступать в холодную петлю реакторной установки (к которой подключена линия выравнивания давления),, в гидроемкость идет двухфазная смесь, при этом уровень в баке начинает понижаться, а расход из системы становится неустойчивым. Эта фаза носит название колебательной. На третьем этапе работы в гидроемкость начинает поступать-чистый пар,- что ускоряет снижение уровня в ней. Эта фаза называется фазой залива [20-23],
Кроме баков подпитки в конструкции реактора используются и стандартные гидроаккумуляторы, предназначенные для подавления крупных аварий, т.к. в? этих случаях необходимо очень быстро повторно заполнить реактор. Каждый гидроаккумулятор объемом 57 м3 содержит 48 м3 раствора борной кислоты, в верхней части под давлением 4,83 МПа находится азотная подушка.
Для: долговременного охлаждения активной зоны в конструкции АЭС предусмотрено размещение бака запаса воды объемом -2108 м3. В случае аварии с разрывом первого контура предполагается затопление пространства защитной оболочки водой из этого бака выше уровня патрубков реактора. Это обеспечит надежный теп-лоотвод от активной зоны.
Для обеспечения возможности залива реактора: из бака запаса воды, находящегося при давлении в защитной оболочке, необходимо понизить давление в первом контуре реакторной установки. Для этих целей в проекте АЭС используется автоматическая система сброса давления (Automatic Depressurization-System - ADS). Она; представляет собой ряд клапанов, соединенных с компенсатором объема, обеспечивающих поэтапное понижение давления; Эти клапаны расположены на трех ступенях, что уменьшает возникающие динамические нагрузки на оборудование [24]:
В рамках,развития \ программы реакторов с.пассивными системами\ безопасности компанией Westinghouse на основе основных технических решений заложенных в проект АР600 был разработан; проект энергоблока установленной, мощностью 1000 МВт [25]-Конструкция системы пассивного залива:в РУ АР 1000 также осталась аналогичной реактору АР600; Однако, в связи с возросшей мощностью реакторной установки возникла;необходимость в; некоторых изменениях в; системах безопасности [26].
В частности, для реактора АР1000 объем гидроемкостей и расход воды из них были увеличены;на 25%. Из-за- ограниченных размеров здания (защитной оболочки), увеличение объема было достигнуто использованием гидроемкостей большего диаметра: Увеличение расхода было осуществлено заменой дроссельной; шайбы, расположенной в; линии слива. Степень изменения этих параметров была выбрана так, чтобы общая продолжительность работы системы осталась прежней. Также; на 84% вырос расход из бака - запаса воды: Указанные изменения позволили обеспечить. надежный отвод остаточных .тепловыделений от реактора АР 1000 [21].
Европейские энергетические компании совместно с компаниями Westinghouse и Ansaldo Nucleare (Italy) разработали проект усовершенствованной АЭС ЕР 1000, удовлетворяющий европейским требованиям по безопасности (European Utilities Requirements - EUR) [28-30]; Проект ЕР 1000 близок к конструкции;реактора S?WR: (Simplified Pressurized Water Reactor), разработанного компанией Westinghouse совместное научно-исследовательскими центрами Японии [31] в части систем - безопасности; и конструкции защитной оболочки, в то время как реактор АР600 послужил прототипом в плане компоновки станции и конструкции вспомогательных систем. Основным отличием от реакторов серии АР является использование трехпетлевой схемы первого контура.
Граничные условия для модели системы ГЕ-2
При принятом способе моделирования важным условием получения представительных результатов в экспериментах являлось обеспечение соответствия граничных условий при экспериментах на стенде натурным условиям.
Граничными условиями, определяющими расход охлаждающей воды из системы ГЕ-2 в РУ, являются давление и паросодержание на входе-выходе трубопроводов системы, соединяющих ГЕ-2 с первым контуром.
Определение данных граничных условий для системы ГЕ-2, работающей во время запроектной аварии с максимальной течью из РУ, было проведено путём чис ленного моделирования взаимосвязанных процессов в защитной оболочке и реакторной установке по кодам АНГАР и ТРАП, соответственно для ЗО и РУ [62]. В результате было определено, что: давление в экспериментах на стенде ГЕ-2 должно поддерживаться: в диапазоне от 1,6 до 0,2 МПа; на концах трубопроводов системы ГЕ-2 температура должна соответствовать заданному давлению насыщения, а паросодержание быть близко к единице.
Первоначальная конфигурация стенда соответствовала гидравлической ; схеме системы;ГЕ-2, предложенной проектантом (рис. 2Л., 2.2.). Стенд имел две напорные емкости Б1: и Б2 объемами-16 м и 25 м соответственно, объединенные, уравнительными перемычками по паровой и водяной частям. Для стенда были изготовлены напорные емкости в горизонтальном исполнении с внутренним диаметром 2,185 м: Слив воды из напорных гидроемкостей; происходил через внешний коллектор 0200 мм; который-был расположен между уравнительными линиями 0150 мм.(внизу) и , 050 мм (вверху) и имел три отвода по высоте патрубками 0100 мм, 0100 мм и 050 мм для обеспечения профилирования расхода. Кроме того, имелась четвертая сливная? линия 050 мм, которая была подсоединена к трубопроводу, соединяющему гидроемкости по нижней водяной:части. Все сливные линии были оснащены шаровыми вентилями, предназначенными для регулирования расхода:
Кроме того, в состав стенда входили две сливные емкости БЗ и Б4 объемами 16 м и;25 м. соответственно, в которых перед началом экспериментов находилась вода и насыщенный пар при давлении Ц 6 МПа. Сливные емкости также с помощью уравнительных паропроводов были. объединены как по паровой; так и по водяной части. Геометрия сливных и напорных емкостей была идентичной..
Для выполнения расчетных граничных услови й по давлению и: паросодержа-нию при проведении экспериментов осуществлялась подпитка системы нижних баков по паропроводу 098 мм от ТЭЦ ФЭИ с расходом пара до 10 т/ч. Необходимые параметры пара устанавливались с помощью редукционно-охладительной установки [63].
Связь напорных: и сливных емкостей ї осуществлялась с - помощью паровой линии 050 мм, соединявшей паровое пространство баков БЗ и Б4 с уравнительной перемычкой баков Б1 и Б2;.Вместо специальных пружинных обратных клапанов, автоматическое открытие которых при падении! давления в реакторе ниже: 1,6 МПа, инициирует начало работы системы ГЕ-2, на стенде использовались шаровые краны.
В состав стенда также входила вспомогательная система заполнения и дренажа емкостей, позволявшая обеспечивать различные уровни жидкости в напорных баках при выполнении экспериментов.
Защита оборудования; стенда ГЕ-2 от роста давления осуществлялась с помощью предохранительных клапанов, установленных на напорных и сливных емкостях, а также наРОУ.
Контроль основных технологических параметров при проведении экспериментов на крупномасштабном стенде ГЕ-2 осуществлялся с помощью системы автоматизированного сбора научной информации (АСНИ). В ее состав входило около 80 первичных измерительных приборов, размещенных на стенде (рис. 2.3). С помощью этих датчиков измерялись следующие параметры: — уровни воды в гидроемкостях: Б1 и Б2, сливных баках БЗ и Б4, а также в; коллекторе; — расходы воды в четырех профилирующих трубопр оводах ив- общей; сливной линии; — давление в баках БГ - Б4, а также в характерных точках гидравлического контура стенда; — температура среды в гидроемкостях Б1 и Б2 (в пяти точках по высоте) и в сливных баках БЗ и Б4 (в трех точках по высоте); как с помощью термопарных зондов:: установленных внутри баков, так и с помощью поверхностных термопар; — температура среды по длине парового трубопровода, а также температура сливаемой жидкости (как по сечению труб, так и на внешней стенке).
Для измерения вышеперечисленных параметров использовались следующие датчики и приборы: - преобразователь измерительный дифференциальный: Сапфир-22ДЦ-2430 -измерение уровня жидкости в баках и коллекторе, а также измерение перепада давления на сливных линиях для определения расхода воды по ним (основная погрешность прибора ±0,2%); - ультразвуковой расходомер "АКРОН" - измерение расхода, жидкости в профилирующих трубопроводах и на общей линии слива; (основная погрешность: прибора+2%); - измерительный преобразователь избыточного давления Сапфир-22ДИ-2154 — измерение уровня давления в баках и трубопроводах стенда (основная погрешность прибора ±0,2%);: - кабельная термопара хромель-копель (ХК) изготовленная из кабеля КТМС, с наружным диаметр защитный оболочки 1;0 мм (холодные спаи термопар термоста-тировались при 0 С) - измерение температуры внутри баков и по сечению трубопроводов стенда; - поверхностная ХК термопара - измерение температуры наружной поверхности баков и труб., Запись измеряемых параметров стенда осуществлялась І с помощью крейтовой системы LTC фирмы LCARD, подключенной к персональному компьютеру. В состав системы LTC входили: - крейтЬТС27; - термопарный усилитель-преобразователь LC227K (2 шт.) - и; субмодуль. расширения каналов LC026K (2 шт.) - для записи показаний термопар (точность ±0.25%; от диапазона); - коммутатор - преобразователь LC111 (4 шт.) - для записи показаний датчиков давления и расхода (точность - ±0.1% от входного диапазона); - крейт-контроллер LC014 - для связи с персональным компьютером со скоростью передачи данных 400кбайт/с; персональный компьютер.
Эксперименты на рабочих участкахРУ-1000/50 и РУ-3000/50... ,
Целью проведения опытов на экспериментальной установке "Модель паропровода" было детальное изучение механизма истечения недогретоЙ воды во встречный поток пара в вертикальной заглушённой сверху трубе. Т.е. не только выяснение скорости продвижения вверх границы раздела фаз, но и определение других параметров истечения, таких как давление и поля температур.
Для выяснения различия в механизмах истечения в конденсирующиеся и неконденсирующиеся среды, параллельно с экспериментами по истечению в пар были выполнены опыты с горячим воздухом и паровоздушной смесью. Начальное давление каждой из сред равнялось 0,5 МПа. Средняя температура воды в рабочем участке в исходном состоянии равнялась 30 С, т.е. величина ее недогрева составляла 122 С. Все эксперименты были проведены в соответствии с методикой, описанной в главе 2 данной работы.
Первый этап экспериментальных исследований был выполнен на рабочих участках РУ-1000/50 и РУ-3000/50 высотой 1000 и 3000 мм соответственно. Внутренний диаметр рабочих участков равнялся 50 мм? и был эквивалентен диаметру пар ового трубопровода системы ГЕ-2 в его первоначальном варианте. На данных рабочих участках были изучены \ гидродинамические и тепловые характеристики процесса: истечения холодной воды в о встречные потоки горячих газовых сред в вертикальной заглушённой сверху трубе.
К гидродинамическим характеристикам исследуемого явления моясно отнести скорость изменения объема (расход) изливаемой жидкости и динамику давления в рабочем участке при истечении.
Результаты измерения объемов жидкости при проведении экспериментов представлены на рис. 3.2. (из-за особенностей конструкции использованного уровнемера наблюдение за уровнем в мерном баке велось не с начала истечения). Данные, представленные на рисунке позволяют оценить времена истечения воды из рабочего участка и подсчитать объем конденсата пара, образовавшегося в процессе истечения в пар и паровоздушную смесь.
Видно, что времена истечения воды во встречные потоки воздуха и пара отличаются почти на порядок. Такое различие, наблюдаемое на обоих рабочих участках, позволяет сделать предположение о различных механизмах истечения воды в конденсируемые и неконденсируемые среды..
Кроме того, важным, является тот факт,, что времена истечения воды во встречные потоки воздуха и паровоздушной смеси практически равны, т.е. даже добавка к пару 25% воздуха полностью изменяет характер истечения в эту среду.
Разность измеренных объемов жидкости при: истечении в пар, паровоздушную смесь ив воздух представляет собой количество образовавшегося за время опорожнения трубы конденсата; Видно, что доля конденсата при истечении воды в пар составляет -20...25 % от начального объема воды в рабочем участке и не превышает 10 % от данного объема при истечении в паровоздушную смесь.
На рис. 3.3, представлены экспериментальные данные по изменению давления в верхней точке рабочих участков во время экспериментов. Эти данные вместе с представленными ранее результатами измерения объемов жидкости позволили определить времена опорожнения рабочих участков.
В случае измерения давления в качестве признака окончания исследуемого процесса было принято прекращение колебаний (в случае истечения в воздух) или начало резкого роста давления (при истечении в паровоздушную смесь или в пар). При измерении объемов жидкости, характерным показателем служило прекращение роста уровня жидкости в мерном баке. Определенные таким образом времена истечений воды во встречные потоки различных газовых сред, приведены в таблице 3.2.
Из рис. 3.3; видно, что при истечении в различные газовые среды характер: изменения давления меняется. При экспериментах на воздухе в начальньш момент происходит скачок давления, вызванный гидравлическим ударом, возникающим при открытии шарового крана и передачи импульса в среду с атмосферным давлением. Величина гидроудара достигает -1,25...1,3 Р0. Затем, за время 2,5...3,0 с, давление снижается до номинального, а далее наблюдаются его затухающие колебания около этой величины;
При экспериментах на паровоздушной смеси с концентрацией воздуха 25 % также наблюдается гидроудар, хотя начальный скачок давления не превышает величины Р0. Затем происходит резкое снижение давления до величины -(0,3...0,4) Ро., что можно объяснить большим расходом пара на конденсацию, превышавшим паропроизводительньте возможности экспериментальной установки. Ранее приведенные результаты измерений объемов жидкости в мерном баке (таблица 3.1) пока зали, что максимальный .темп накопления конденсата наблюдался именно в опытах с паровоздушной смесью. Для рабочего участка высотой 1,0 м. эта величина составила 0,032 л/с, а для РУ высотой 3,0 м. 0,022 л/с. Для сравнения эти же величины при истечении в пар составили -0,01 л/с и 0,007 л/с соответственно, т.е. более чем в три раза меньше.
При истечении в поток пара гидроудар в начальный момент не происходит, давление в рабочем участке достигает величины -(0,8...0,9) PQ, а затем плавно, без сильных пульсаций, снижаетсядо уровня (0,55...0,6) Ро, что объясняется большей длительностью процесса истечения и меньшим расходом пара на конденса-цию все же превышавшим скорость выработки пара в ЭУ.
Таким образом, исследование гидродинамических характеристик показало, что механизмы истечения недогретой жидкости в потоки конденсирующихся и неконденсирующихся сред различны, однако для выяснения существа отличий необходимо было исследовать тепловые характеристики процесса, т.е. поля температур? внутри и на наружной стенке рабочих участков:
Исследование расходной характеристики системы ГЕ-2 при различных вариантах гидравлической схемы
Таким образом, в экспериментах, проведенных при первоначальной гидравлической схеме, с использованием внешнего профилирующего коллектора и двух параллельно соединенных гидроемкостей, наблюдалась неустойчивая работа стенда ГЕ-2 и невыполнение требований к системе по виду расходной характеристики.
Существенное отличие результатов, полученных в данных экспериментах; от итогов "холодной" проливки можно объяснить только неравновесными процессами взаимодействия недогретой воды и пара в баках и трубопроводах стенда,.имевших место в "горячих" опытах. Неравновесные процессы привели к нестабильной работе системы, выразившейся, в частности, в отсутствии профилирования расходной характеристики.
Анализ экспериментальных результатов показал, что быстрое прекращение: расхода, особенно при его повторных всплесках, было вызвано, наряду с сильными-нестационарными процессами конденсации, и недостаточным диаметром паропровода, соединяющего верхние и низшие баки. В связи,с большой конденсацией пара, как в сливных баках на струе падающей воды, таки в объеме напорных емкостей, происходило падение давления в системе. Из-за недостаточного диаметра паровой линии (50 мм) ; давление в напорных баках Б Ц Б2: не успевало отслеживать изменения давления в баках БЗ, Б4; что приводило к разбалансировке системы и остановке расхода. Значительные интервалы - между появлениями расхода в ходе экспериментов также были связаны с сильной конденсацией пара в объеме жидкости и недостаточной пропускной способностью паропровода.
По имеющимся- экспериментальным данным: были определены расходы и; скорости: пара: в паровой линии во - всех экспериментах. Исходными: данными для І расчета были показания датчиков давления на концах паропровода и вычисленное суммарное гидравлическое сопротивление паровой линии. На рис: 4Л3. в качестве: примера приводятся расчетные графики расхода и скорости пара для эксперимента ННТ-122:
Из рис; 4.13; видно, что наибольший расход пара в паровой линии 0,6 кг/с имел место при закрытом обратном клапане и отсутствии расхода воды. При этом давление; в Ї верхних баках возрастало недостаточно быстро, что можно; объяснить как большим расходом пара на конденсацию при взаимодействии струи пара с объемом холодной воды, так и малым проходным сечением паровой линии.
После появления повторных всплесков расхода воды давление в сливных баках падало сильнее, чем в; напорных, что приводило к отрицательным значениям расхода. Скорость струи пара на входе в верхние баки достигала 150 м/с, таким образом пар мог проникать достаточно глубоко в объем жидкости.
В эксперименте ННТ-124 характер . изменения расхода и. скорости пара І был качественно схожим, максимальная величина расхода составляла 0,5:0,6 кг/с. Расчетная скорость пара для эксперимента ННТ-124 в интервалах между всплесками расхода изменялась в диапазоне 40-60 м/с, т.е. была несколько ниже из-за наличия; в гидроемкостях горячей воды, а, следовательно, более высокого уровня1 давления --. и большей плотности пара в системе. На основании экспериментальных данных была определена доля пара, поступающего на конденсацию в объеме жидкости. Для анализа были выбраны те интервалы времени, когда расхода из гидроемкостей не было, и весь поступающий по» паровой линии пар расходовался на повышение давления; а также на конденсацию на металлических стенках баков ив объеме жидкости. Исходными данными для расчета были: величина изменения давления в системе верхних баков за известный; промежуток времени; рассчитанный расход пара по паровой линии:и объем; паровой полости в баках в данный момент времени. Расчет велся следующим образом:
1. Вычислялся расход пара; затраченный на повышение давления в баке (какг увеличение массы пара за счет изменения его плотности при известном объеме).
2. Приближенно оценивалась интенсивность конденсации пара на металлических: стенках баков: и труб. При этом-полагалось, что конденсация идет, на половине внутренней поверхности баков Б Ги Б2; Прирост температуры стенок полагался равным разности температур насыщения при конечном и начальном давлении:
3. Вычислялся расход пара на конденсацию при взаимодействии струи пара с; объёмом холодной воды. Для этого: из известной рассчитанной; величины; расхода І пара в паровой линии вычитался расход пара, пошедший на увеличение давления и конденсацию на стенках. Результаты расчетов приведены в таблице 4Л;
Из таблицы 4.1 видно, что доля пара, идущего на конденсацию в объеме баков, т.е. на "бесполезный" нагрев воды составляла от 55 до 75 % в зависимости от начальной температуры жидкости; что, в связи; с ограниченной пропускной способностью /паропровода, приводило к значительному падению давления в системе напорных баков и являлось причиной прекращения расхода.
Бще одной. причиной отсутствия профилирования расхода в проведенных опытах, вместе с сильными процессами конденсации и малым диаметром паровой линии, послужил разный уровень жидкости в системе из трех параллельно соединенных сосудов: двух напорных баков и внешнего,профилирующего коллектора, а по гидравлической схеме системы необходимое профилирование расхода возмож но только в І случае равенства этих; уровней и их постепенного снижения по мере слива воды.
Экспериментальные данные по измерению температуры в напорном баке Б2 показывают, что в экспериментах ННТ-122 и ННТ-124 в первые 1500-2000 с. истечение велось только из бака Б1; в то время как уровень в баке Б2 не изменялся: Это можно объяснить различными давлениями в баках, что являлось . следствием неодинаковых условий конденсации пара, а также разным гидравлическим сопротивлением подводящих паровых трубопроводов;
Кроме того, показания датчиков давления,. установленных выше и ниже профилирующего коллектора свидетельствуют, что при наличии расхода в системе, уровень воды в коллекторе во всех экспериментах был максимален, независимо от количества; воды, оставшейся баках. В тоже время при отсутствии расхода уровень в коллекторе, наоборот, резко понижался, что было вызвано разностью давлений между коллектором и І баком Б2: То есть наблюдалась явная неустойчивость уровней жидкости в і системе, вызванная процессами нестационарной; конденсации? в параллельно соединенных сосудах; Для уменьшения данной неустойчивости было решено исключить из гидравлической схемы стенда одну гидроемкость, и провести эксперименты по исследованию расходной характеристики системы; ГЕ-2 в конфигурации "напорный бакБ2 - внешний профилирующий коллектор".
