Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
ШАВА Г. ОБЗОР ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ
И ТЕПЛООБМЕНУ СВОБОДНО СТЕКАЩЕІЇ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ 12
1.Ъ. Исследование влияния волновых характеристик по
верхности стекающей пленки жидкости на гидродинамику
и теплообмен в пленке 12
1.1.1. Влияние волновых параметров пленки на профиль
средней скорости в пленке 15
Средняя толщина пленки жидкости 19
Экспериментальные исследования конвективного теплообмена в стекающих пленках жидкости 23
Расчетно-теоретические исследования конвективного теплообмена в стекающих пленках жидкости 27
Теплообмен при кипении в стекающих пленках
жидкости 32
1.2; Охлаждение сухой горячей поверхности стекающей
пленкой жидкости 34
I,2,1. Теоретические исследования 34
1.3. Постановка задачи исследования 46
ШАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЛНОВЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПОВЕРХНОСТИ СТЕКАЩЕЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВНЫЕ
ТЕПЛОВЫЕ И ЗдаОДІЇНАМИЇЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЧЕНИЯ 48
Физическая модель 48
Математическая модель 50
Основные уравнения 50
Линейное приближение 53
Граничные условия 55
Анализ математической модели 58 ШАВА 3. ОХЛАЖДЕНИЕ ПЕРЕГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТЕКАЩЕЙ
ШШНКОЙ ЖИДКОСТИ 65
Физическая модель 65
Математическая модель процесса 66
Алгоритм решения задачи о передвижении фронта охлаждения 70
Одномерная модель 70
Двумерная модель 73 ШВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 76
4.1. Экспериментальные установки 76
4.1.1. Установка для исследования конвективного теп
лообмена в свободно стекающей пленке жидкости 76
а). Система электрообогрева 78
б). Водяной контур 78
в). Система измерений 80
4.1.2. Установка для исследования теплообмена в ок
рестности фронта охлаждения 82
а). Рабочий участок 82
б). Система электрообогрева 83
в). Водяной контур 83
г). Система измерений 83
4.1.3. Определение скорости фронта смачивания 85
а). Общее конструктивное решение системы 87
б) Схема узла оптического делителя 87
в). Схема узла фотоприемников 89
г). Система принудительного охлаждения лазерного
излучателя 89
д). Система принудительного охлаждения узла фото
приемников 89
4.2. Методика измерения коэффициента теплоотдачи к
свободно стекающей пленке жидкости 90
-. 4 -
4.2.1. Учет теплового потока с внешней поверхности
пленки 90
4.2.2, Расчет коэффициента теплоотдачи с учетом
оттока тепла по термоэлектродам 98
4.3. Методика измерения снимаемого теплового потока
в окрестности фронта охлаждения 100
Методика расчета теплового потока IOE
Учет систематической ошибки измерения температуры из-за оттока теплоты по термоэлектродам 105
Учет погрешности измерения температуры поверхности при её резком охлаждении из-за тепловой
инерции термопар НО
4.4. Оценка погрешности измерения величин 112
Погрешность измерения плотности орошения 112
Погрешность определения плотности теплового
потока 115
Погрешность измерения коэффициента теплоотдачи 116
Погрешность определения скорости фронта
охлаждения 117
4.4.5. Погрешность определения величины теплового
потока в окрестности фронта охлаждения 118
ШВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬШХ И ТЕОРЕТИЯЕС -
КЙХ ИССЛЕДОВАНИЙ 120
5.1. Результаты исследования влияния волновых пара
метров стекащеи пленки жидкости на усредненные те
пловые и гидродинамические характеристики пленки 120
Усредненный профиль скорости в пленке 126
Средняя толщина пленки жидкости 131
Коэффициент теплоотдачи 137
5.2. Результаты экспериментального и теоретического
исследования теплообмена стекающих пленок жидкости 145
- ь ~
5.2.1. Результаты экспериментального исследования
конвективной теплоотдачи 145
5.2.2, Сравнение экспериментального и теоретического
исследований конвективного теплообмена 146
5.3, Результаты экспериментального исследования
теплообмена в окрестности фронта охлаждения 148
5.4. Результаты расчета скорости продвижения
фронта охлаждения и сравнение с экспериментальными
данными 164
ВЫВОда 176
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 178
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
коэффициент температуропроводности, м2/с; теплоемкость, дзх/кг-гр;
плотность орошения стекающей пленки, кг/м.с; плотность теплового потока, бт/м ;
координата, направленная вдоль поверхности рабочего участка, м/с;
координата, перпендикулярная к поверхности рабочего участка, м/с;
р коэффициент теплоотдачи, вт/м «гр;
средняя толщина пленки, м; коэффициент теплопроводности, вт/м'гр;
кинематическая вязкость, м/с;
скорость, м/с;
длина пробега пленки, м;
время, с;
скорость продвижения фронта охлаждения, м/с;
средняя по сечению скорость, м/с;
фазовая скорость поверхностных волн, м/с;
усредненная по длине волны скорость, м/с;
коэффициент поверхностного натяжения, н/м;
мгновенная толщина пленки, м;
длина волны на поверхности пленки, м;
температура, С;
толщина стенки канала, м;
р коэффициент теплоотдачи к гладкой пленке, вт/м «гр;
максимальная толщина пленки, м;
кг расход жидкости, — ;
недогрев жидкости до температуры насыщения, С;
At = T~Ts - разность между температурой стенки и температурой
насыщения, С; /л - динамическая вязкость, н»с/м ; ^е<г=~м~ "" число Рейнольдса для пленочного течения; Рг= -^- - число Прандтля; Nus=2:s- - число Нуссельта для пленки;
Ql=^d- - число Био. А
ИНДЕКС Ы
кр - критический;
сп - условия на свободной поверхности;
ст - стенка;
s - условия насыщения;
Ж - жидкость;
вх - условия на входе в рабочий участок.
Введение к работе
Одним из основных направлений в ядерной энергетике в настоящее время является повышение единичной мощности реактора и связанное с этим увеличение энергонапряженности аппарата, совершенствование методов отвода тепла, совершенствование гидродинамических характеристик элементов оборудования АЭС, повышение надежности АЭС.
Во многих элементах энергетического оборудования современных АЗС имеет место течение пленок жидкости, например: СПП, паропроводы влажного пара, системы жидкостного регулирования (СУЗы), системы аварийного охлаждения ТВЭЛ в случае так называемой "большой аварии" связанной с потерей теплоносителя и осушении активной зоны.
В связи с вышеизложенным глубокое и детальное знание тепловых и гидродинамических характеристик течения пленок жидкости несомненно будет способствовать интенсификации работы соответствующих элементов энергетического оборудования.
Устройства со стекающей пленкой жидкости широко используются также и в других областях техники например: металлургии, химической, пищевой, фармацевтической промышленности, при опреснении соленых вод и т.д.
Однако процессы гидродинамики и теплообмена в пленках жидкости к настоящему времени изучены недостаточно хорошо, главным образом из-за наличия волнового движения на свободной поверхности пленки и сложного характера его поведения. Так, например, наличие волн на поверхности пленки в сепараиионных элементах приводит к срыву капель жидкости с гребней волн и забросу влаги в турбину, что приводит к резкому сокращению срока ее службы. Аналогичное явление в трубопроводах влажного пара приводит к эрро-зии трубопроводной арматуры и самого трубопровода в местах пово-
ротов. В каналах парогенераторов срыв жидкости с гребней волн на поверхности пленки приводит к кризису гидравлического сопротивления [4l] и высыханию пленки жидкости.
для предотвращения капельной эррозии трубопроводной арматуры и поворотов в трубопроводах устанавливаются внутритрубные сепарирующие устройства, которые представляют собой перфорированные вставки, помещенные в местах поворотов для отбора влаги. В зазоре вставки течет пленка жидкости, которая отбирается пленкосбор-ником. Но любые вставки в трубопроводах повышают гидравлическое сопротивления системы, поэтому зазор межде вставкой и стенкой трубопровода делается как можно меньше. Однако при слишком маленьком зазоре может произойти захлебывание течения пленки жидкости, что приводит к вторичному уносу капель. Поэтому точный расчет гидродинамики пленки весьма актуален.
В системах жидкостного регулирования стенок канала, а также подпитка столба жидкости осуществляется за счет пленки жидкости, стекающей по стенкам под действием силы тяжести. Кроме того, при выведении стержня и столба жидкости из активной зоны, на стенках канала остается пленка жидкости, что приводит к снижению паразитного захвата нейтронов при использовании системы жидкостного регулирования по сравнению с чисто стержневым регулированием. Использование стекающей пленки жидкости в CIP ставит задачу обеспечения такого режима отекания, в котором пленка покрывает всю поверхность и обеспечивает надежный теплосъем со всей обогреваемой поверхностью.
В случае так называемой "большой аварии", связанной с потерей теплоносителя и осушения активной зоны из-за разгерметизации корпуса реактора или разрыва главного трубопровода питательной воды необходимо предотвратить расплавление активной зоны ядерного реактора. Для аварийного расхолаживания активной зоны обычно пре-
дусматривается два альтернативных варианта. Это затопление активной зоны и расхолаживание ТВЭЛ при помощи стекающей пленки жидкости.
Первый вариант требует больших расходов охлаждающей воды и затопление активной зоны в этом случае особенно затруднительно в случае разгерметизации корпуса реактора. Второй вариант имеет существенные преимущества. Во первых пленка жидкости стекает самотеком и не требует насосов, во вторых для расхолаживания ТВЭЛ требуется гораздо меньший запас воды, в третьих разгерметизация корпуса не мешает процессу расхолаживания. Однако несмотря на все свои преимущества системы аварийного расхолаживания стекающей пленкой жидкости только начинают разрабатываться по мере исследования физики процесса.
Если время, прошедшее с момента осушения зоны до аварийной подачи жидкости, окажется достаточным для того, чтобы температура поверхности ТВЭЛ превысила значение, равное температуре Лейден-фроста (2бО-285С по данным [ 69, 80, 90] ), то процесс восстановления, смачивания горячей поверхности протекает сравнительно медленно, .так как жидкость натекающая на горячую поверхность отбрасывается от нее в виде пара и капель. И только когда температура поверхности снизится до значения температуры Лейденфроста, жидкость начинает смачивать ее. Границу между сухой и смоченной областями поверхности будем называть "фронтом охлаждения". При этом продолжается нагрев еще не смоченных участков поверхности, который может привести, в конечном итоге, к деформации или расплавлению ТВЭЛ. Поэтому знание скорости продвижения "фронта охлаждения" при смачивании сухой горячей поверхности необходимо для оценки эффективности работы системы аварийного расхолаживания.
В связи с этим для получения надежных методик расчета элементов энергетического оборудования в настоящей работе проведены экс-
- II -
периментальные и теоретические исследования гидродинамики и теплообмена стекающих пленок жидкости, а также скорости продвижения "фронта охлаждения" при смачивании сухой горячей поверхности. На базе разработанных моделей было проведено обобщение экспериментальных данных как настоящей работы, так и данных других авторов. Основные положения, выносимые на защиту:
Экспериментальные данные локальных коэффициентов теплоотдачи по длине канала при свободном отекании пленки жидкости в широком диапазоне режимных параметров.
Расчетная модель, связывающая волновые параметры на повер' хности пленки с ее гидродинамическими и тепловыми характеристиками.
Зависимость для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи и.усредненного профиля скорости в пленке.
Экспериментальные данные тепловых потоков, снимаемых стекающей пленкой с горячей поверхности, в окрестности фронта охлаждения.
Результаты расчета на ЭВМ скорости продвижения фронта охлаждения.
