Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. В настоящее время проблема охлаждения поверхностей теплообменных аппаратов воздушными потоками относится к одному из приоритетных направлений в энергетике, металлургии, химической технологии. В последние время на АЭС и ТЭС стали находить все более широкое применение «сухие градирни», где тепло рассеивается путем конвективной теплопередачи через поверхность теплообмена без испарения жидкости в атмосферу. Это создает преимущества в сохранении водных ресурсов и особенно важно в маловодных регионах. Таким образом, сухая градирня становится привлекательной для использования в структуре АЭС и ТЭС вследствие отсутствия потребности в значительных водных ресурсах и связанного с переносом влаги в атмосферу «парникового эффекта».
Аналогичный принцип отвода теплоты используется на современных атомных электростанциях путем оснащения пассивными системами аварийного отвода тепла от оборудования (СПОТ) при возникновении аварийных ситуаций к конечному поглотителю (воздуху окружающей среды). При этом интенсивность отвода тепла к воздуху с наружной поверхности теплообменников, обеспечиваемая естественной конвекцией, чрезвычайно мала, что требует создания больших поверхностей теплообмена, применения различного рода интенсификаторов (рифление и оребрение поверхности, высотное размещение и пр.). Интенсивность отвода тепла в этих условиях в значительной степени зависит от температуры окружающего воздуха (располагаемого температурного напора). Высокая температура окружающей среды, особенно в летние дни, приводит к снижению мощности для электростанций, использующих системы сухого охлаждения, до 20-30%. Поэтому в странах с жарким климатом. (Иран, Бангладеш, Египет, Саудовская Аравия и пр.) предъявляют дополнительные требования к увеличению отвода теплоты в системах охлаждения.
Не менее важной является проблема отвода остаточного тепловыделения отработанных шаровых ТВЭЛ газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). Однако исследование процессов теплообмена ТВЭЛ, особенно при возникновении общесистемных аварий и потере энергоактивных систем охлаждения, практически не изучено. Хотя к современным и перспективным АЭС предъявляется требование наличия систем пассивного отвода тепла к конечному поглотителю (атмосферному воздуху), не только от активных зон реакторов, но и от хранилищ отработанного ядерного топлива.
В этой связи разработка новых технологий охлаждения, более компактных и эффективных, способных работать при высокой температуре окружающего воздуха, является актуальной задачей для создания новых образцов техники, отвечает приоритетному на правлению развития науки, технологий и техники РФ: п. 8 «Энергоэффективность, энергосбережение и ядерная энергетика».
Применение гибридного подхода к охлаждению теплообменных поверхностей с использованием увлажнения воздуха микрокапельным орошением (водяным туманом) значительно повышает эффективность воздушного теплообмена при минимальном количестве расходуемой воды.
Целесообразность использования водовоздушного аэрозольного охлаждения элементов современного энергетического оборудования можно объяснить тем, что данная технология обладает повышенной интенсивностью протекающих процессов теплообмена. Определяющими в данном случае процессами являются совместное воздействие конвективного теплообмена и тепломассообмена на охлаждаемой поверхности, вызванного испарением осаждающихся из водовоздушного потока капель воды.
Важным и вместе с тем малоизученным является вопрос о влиянии испарения капель в потоке и на нагретой поверхности на интенсивность процессов теплообмена в широком диапазоне плотностей орошения.
Отсутствие надежных экспериментальных данных по охлаждению элементов теплообменных устройств различной конфигурации в каналах с водовоздушным потоком затрудняет понимание происходящих процессов и не позволяет сформулировать надежные инженерные рекомендации для расчетов и проектирования подобных систем.
Объектом исследования являются система пассивного отвода тепла (СПОТ) и сухие градирни (СГ) на базе АЭС.
Предмет исследования - повышение безопасности и эффективности системы пассивного отвода тепла (СПОТ) и сухих градирен (СГ) на базе атомной электростанции.
Цель работы - исследование теплообменных и гидродинамических характеристик водовоздушного аэрозольного потока при взаимодействии с охлаждаемой поверхностью теплообменных установок в условиях вынужденного течения и естественной конвенции; получение критериальных зависимостей, содержащих основные теплофизические и режимные параметры, для проведения инженерных расчетов теплообменных установок с водовоздушными аэрозольными потоками; разработка методов расчета теплообменных процессов в объектах ядерной техники с целью оптимизации их характеристик, повышения надежности оборудования и систем.
Задачи исследования:
1. Разработка и создание экспериментального стенда для исследования вынужденного или свободного конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления одиночного шарового элемента и рядов из шаровых элементов в среде водовоздушного аэрозольного потока.
2. Проведение экспериментальных исследований по гидродинамике и теплообмену перспективных энергетических аппаратов на примере взаимодействия с водовоздушным потоком отдельного шара и рядов шаровых элементов, а также цилиндрических элементов в каналах различной конфигурации.
3. Разработка и создание экспериментального стенда для исследования вынужденного нестационарного конвективного теплообмена между водовоздушным аэрозольным потоком и одиночным шаровым элементом.
4. Разработка экспериментального стенда для исследования вынужденного или свободного конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления цилиндрических элементов (трубного пучка) с водовоздушным потоком.
5. Проведение численного анализа теплообмена и структуры течения при обтекании потоком воздуха в условиях вынужденной и естественной конвекции рядов из шаровых элементов, расположенных в цилиндрическом канале, с помощью программного комплекса ANSYS - FLUENT v.17.
6. Построение и анализ физической модели взаимодействия капель водовоздушного аэрозольного потока с нагретой шаровой и цилиндрической поверхностями в каналах.
7. Получение критериальных зависимостей, содержащих основные теплофизические и режимные параметры, для проведения инженерных расчетов теплообменных установок с водовоздушными аэрозольными потоками.
Научная новизна исследования:
1. Предложен и экспериментально исследован процесс теплоотдачи шаровых и цилиндрических элементов к водовоздушному аэрозольному потоку для различных значений интенсивности орошения, при которых достигается максимальный эффект интенсификации теплообмена.
2. Впервые разработана и научно обоснована физическая модель течения и
осаждения капель воды на шаровую и цилиндрическую поверхность, которая позволяет оценить условия образования на ней пленки воды с
тепломассообменной составляющей общего режима теплообмена с водовоздушным потоком.
3. Впервые установлено совместное влияние скорости набегающего водовоздушного потока и содержания капельной влаги в потоке на интенсивность теплообмена, как с шаровыми, так и цилиндрическими элементами в каналах.
4. Предложены новые эмпирические корреляции, обобщающие зависимости между критериями Нуссельта и режимными параметрами (число Рейнольдса, число Вебера и параметр фазового перехода воды в пар), определяющими процесс теплообмена в энергетических установках с охлаждением водовоздушным аэрозольным потоком...
Общим итогом диссертационной работы являются научно-обоснованные технические решения, способствующие повышению эффективности работы систем охлаждения энергетических аппаратов при использовании водовоздушного потока, получаемого путем впрыскивания небольшого количества микрокапель воды (аэрозоля) в поток воздуха. Предлагаемые технические решения могут быть использованы для повышения эффективности работы системы пассивного отвода тепла СПОТ и сухих градирен СГ на базе АЭС, работающих в условиях жаркого и сухого климата. Помимо АЭС и ТЭС предлагаемая технология охлаждения может найти так же применение на других промышленных объектах с теплообменными установками, испоьзующими системы воздушного охлаждения.
В результате выполненной работы получены следующие результаты:
1. Проведены исследования и анализ особенностей гидродинамики и теплообмена при взаимодействии с водовоздушным потоком отдельного и рядов из шаровых элементов, а также цилиндрических элементов в каналах различной конфигурацией в условиях вынужденной и естественной конвенции потоков при стационарном и нестационарном режимах теплообмена.
2. Установлено совместное влияние скорости набегающего водовоздушного потока и содержания капельной влаги в потоке на интенсивность теплообмена как с шаровыми, так и цилиндрическими элементами в каналах в диапазоне 2.5’103< Яе < 1.25’103 и 20.48 кг/(м2-ч) < | < 111.68 кг/(м2-ч) причем с ростом числа Яе влияние степени орошения потока на теплообмен значительно возрастает.
3. Теплообмен шаровых элементов, последовательно расположенных внутри цилиндрического канала, характеризуется значительной неравномерностью в направлении их обтекания. Коэффициент теплоотдачи первого элемента в 1.31.8 раза выше, чем второго и третьего элементов, что связано с экранирующим эффектом первого элемента, определяющим последующий характер течения и особенности данной системы охлаждения.
4. Максимальные значения коэффициента теплоотдачи цилиндрических элементов в прямоугольном канале, расположенных в шахматном порядке, соответствуют второму ряду в направлении натекающего водовоздушного потока. В исследованном диапазоне чисел Рейнольдса, средний коэффициент теплоотдачи в 1.12, 1.7 и 2.9 раза выше, чем в потоке воздуха для первого, второго и третьего ряда при максимальной интенсивности орошения. Поэтому при охлаждении водовоздушным аэрозольным потоком в условиях вынужденного течения предполагается сделать промежуточный теплообменник с малорядними конструкциями.
5. Проанализировано влияние впрыска микро-капель воды в поток воздуха (в воздушной среде), создаваемый при естественной конвекции нагретыми шаровыми и цилиндрическими элементами в каналах, коэффициент теплоотдачи в этом случае в 1.5-2.7 раза выше, чем при охлаждении воздушной средой в зависимости от температуры поверхности элементов и количества впрыскиваемой в поток воды.
6. Разработанная физическая модель течения и осаждения капель воды на шаровую и цилиндрическую поверхности позволила оценить условия образования на ней пленки воды и долю тепломассообменной составляющей в общем значении коэффициента теплоотдачи.
7. Коэффициент гидравлического сопротивления водовоздушного аэрозольного потока в каналах с охлаждаемыми элементами незначительно превышает соответствующий параметр при однофазном течении воздушного потока (до 6%) для всего диапазона интенсивностей орошения воздуха водой, что говорит о высокой теплогидравлической эффективности аэрозольного охлаждения.
8. Полученные критериальные уравнения теплообмена можно рекомендовать к использованию в инженерных расчетах в установках систем охлаждения с шаровыми и цилиндрическими элементами (трубные пучки) при использовании водовоздушного аэрозольного потока в качестве охлаждаюшей среды.
9. Проведенные расчёты технологических процессов в объектах ядерной техники с водовоздушным аэрозольным потоком показали, что предлагаемая гибридная система охлаждения приводит к:
• повышению отводимой мощности системы аварийного расхолаживания САРХ-ВТО реактора на быстрых нейтронах в 2-2.8 раза по сравнению с охлаждением воздухом в широком диапазоне температур окружающей среды;
• повышению эффективности системы охлаждения оборотной воды на примере модели сухих градирен АЭС в 2 раза, чем при обдуве воздушным потоком в условиях постоянной температуры окружающей среды;
• уменьшению промежутка времени охлаждения корзины отработанного ядерного топлива в 1.5 раза по сравнению с охлаждением одним воздухом.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
