Фазовые превращения при охлаждении металлических образцов корпусов реакторов АЭС эмульсиями и суспензиями на основе воды
|
Введение 11
Глава 1. Современные представления о подходах эффективного отведения избыточной тепловой энергии в системах «хладагент - поверхность теплообмена» 18
Выводы по первой главе 28
Глава 2. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена и фазовых превращений при охлаждении металлических шаров, суспензиями и растворами на основе воды, а также при нагреве капель воды с металлическими соразмерными включениями 29
2.1. Методика исследований и экспериментальный стенд для изучения
процессов испарения капель воды, содержащих крупные металлические включения 30
2.2. Экспериментальный стенд и методика исследований эффективности
применения различных хладагентов на основе воды для быстрого охлаждения металлических поверхностей 37
2.3. Результаты экспериментального исследования процесса испарения капель
воды, с крупными металлическими включениями 40
2.4. Результаты экспериментального изучения эффективности применения различных хладагентов на основе воды для быстрого охлаждения
металлических шаров 51
Выводы по второй главе 60
Список условных обозначений и символов по второй главе 62
Глава 3. Численное исследование процесса охлаждения корпуса реактора АЭС растворами и суспензиями на основе воды 63
3.1. Математическая постановка задачи 64
3.2. Метод конечных разностей
3.3. Блок схема рассматриваемой задачи 74
3.4. Код программы 76
3.5. Результаты численного исследования 83
Выводы по третьей главе 92
Список условных обозначений и символов по третьей главе 93
Глава 4. Социальная ответственность 94
4.1. Производственная безопасность 96
4.1.1. Анализ выявленных вредных факторов при функционировании
реактора 96
4.1.2. Анализ выявленных опасных факторов при функционировании
реактора 101
4.2. Экологическая безопасность 101
4.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 102
4.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 103
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 107
5.1. Swot-анализ 108
5.2. Календарный план-график выполнения работ 113
5.3. Смета бюджет-проекта 120
Список публикаций 123
Список литературы 124
Приложение А 136
Глава 1. Современные представления о подходах эффективного отведения избыточной тепловой энергии в системах «хладагент - поверхность теплообмена» 18
Выводы по первой главе 28
Глава 2. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена и фазовых превращений при охлаждении металлических шаров, суспензиями и растворами на основе воды, а также при нагреве капель воды с металлическими соразмерными включениями 29
2.1. Методика исследований и экспериментальный стенд для изучения
процессов испарения капель воды, содержащих крупные металлические включения 30
2.2. Экспериментальный стенд и методика исследований эффективности
применения различных хладагентов на основе воды для быстрого охлаждения металлических поверхностей 37
2.3. Результаты экспериментального исследования процесса испарения капель
воды, с крупными металлическими включениями 40
2.4. Результаты экспериментального изучения эффективности применения различных хладагентов на основе воды для быстрого охлаждения
металлических шаров 51
Выводы по второй главе 60
Список условных обозначений и символов по второй главе 62
Глава 3. Численное исследование процесса охлаждения корпуса реактора АЭС растворами и суспензиями на основе воды 63
3.1. Математическая постановка задачи 64
3.2. Метод конечных разностей
3.3. Блок схема рассматриваемой задачи 74
3.4. Код программы 76
3.5. Результаты численного исследования 83
Выводы по третьей главе 92
Список условных обозначений и символов по третьей главе 93
Глава 4. Социальная ответственность 94
4.1. Производственная безопасность 96
4.1.1. Анализ выявленных вредных факторов при функционировании
реактора 96
4.1.2. Анализ выявленных опасных факторов при функционировании
реактора 101
4.2. Экологическая безопасность 101
4.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 102
4.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 103
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 107
5.1. Swot-анализ 108
5.2. Календарный план-график выполнения работ 113
5.3. Смета бюджет-проекта 120
Список публикаций 123
Список литературы 124
Приложение А 136
Объектом исследования является физико-химические свойства хладагентов.
Цель работы - экспериментальное и численное исследование закономерностей фазовых превращений при охлаждении металлических шаров, суспензиями и растворами на основе воды, а также при нагреве капель воды с металлическими соразмерными включениями.
Поставлены задачи по определению закономерностей высокотемпературных фазовых превращений при охлаждении металлических образцов (шаров) растворами и суспензиями на основе воды, а также нагреве капель воды с металлическими включениями. Определить влияние добавления растворимых и нерастворимых примесей в объем воды на характеристики процессов высокотемпературного испарения и кипения при охлаждении металлических шаров и нагреве гетерогенных капель воды (с металлическими включениями). Определить оптимальные (ресурсоэффективные) условия охлаждения, металлоконструкций при использовании в качестве хладагентов неоднородных жидкостей на основе воды в случаи чрезвычайной ситуации на ТЭС и АЭС, связанных с перегревом оборудования
Выпускная квалификационная работа оформлена в текстовом редакторе MicrosoftWord 7.0 и представлена в распечатанном виде на листах формата А4.
В настоящее время проблема, связанная с необходимостью обеспечения быстрого охлаждения поверхностей технологического оборудования, в частности, ограждающих конструкций реакторов атомных электростанций (АЭС), является достаточно актуальной. Особенно, после аварии, произошедшей на АЭС Фукусима-1, в результате которой температура топливных элементов (топливных стержней) в активной зоне АЭС возросла до 1200-1400 К [1]. Производительности существующей системы водяного охлаждения оказалось недостаточно для эффективной компенсации такой высокой температуры. Результаты расследования случившегося инцидента, показали, что причиной неэффективного (недостаточного) охлаждения и, как следствие, физического повреждения активной зоны АЭС стало снижение скорости теплопередачи из-за пленочного кипения [2]. Этот режим кипения характеризуется образованием устойчивой паровой пленки на нагретой до столь высокой температуры металлической поверхности. Такой процесс впоследствии повышает термическое сопротивление всей системы. В этом случае, паровой слой является своего рода теплоизолирующим. Применение морской воды, как показывают исследования [2], исключает процесс пленочного кипения и повышает эффективность охлаждения металлических образцов.
Исследования механизма пленочного кипения и минимальной температуры пленочного кипения или температуры Лейденфроста представлены многочисленными научными работами (например, [3-5]), среди которых подавляющее количество теоретические. Однако, довольно ограниченная экспериментальная информационная база и сложность численных решений (моделирования) с многочисленными допущениями оставляют механизмы и условия пленочного кипения при интенсивном охлаждении до конца неизученным.
Предложенные в [6] меры безопасности опираются на доказанную эффективность использования морской воды (без специализированных примесей) при аварийном охлаждении ограждающих конструкций активной зоны АЭС во время чрезвычайных ситуаций, подобных аварии на АЭС Фукусима-1. Однако, даже учитывая огромный потенциал (перспективы) применения морской воды, обусловленный близостью многих АЭС к мировому океану, не стоит забывать об остальных станциях, расположенных в глубине материков, в частности в Европе и Северной Америке. Использование морской воды, безусловно, будет невозможно в таких регионах. В связи с этим, проблема эффективного охлаждения ограждающих конструкций активной зоны АЭС с использованием традиционного хладагента (воды) остается актуальной, а, следовательно, и проблемы, связанные с замедлением скорости теплопередачи из-за образования паровой пленки с низкой теплопроводностью на границе раздела сред «поверхность металла - слой воды».
Наиболее популярным направлением развития рассматриваемой тематики являются исследования влияния добавления различных наночастиц и соли в объем воды на критический тепловой поток и минимальную температуру пленочного кипения при быстром охлаждении металлических объектов малых размеров (например, [7-9]).
Кроме того, положительный эффект применения водно-солевых растворов и суспензий выявлен в ряде других высокотемпературных гетерогенных технологий [10-13], среди которых наиболее интересным и перспективным является полидисперсное пожаротушение.
Авторы статей [10] и [11] показали масштабы влияния добавления солей и твердых углеродистых включений на интенсификацию процессов испарения капельных неоднородных потоков в высокотемпературной газовой среде. Более того, в статьях [12] и [13] с применением аналогичного экспериментального стенда установлены закономерности механизмов фазовых превращений капель воды, содержащих крупные (до 3-4 мм) графитовые включения, в продуктах сгорания топлив при высоких температурах. В ходе экспериментов неоднократно наблюдалось новое и крайне мало изученное явление взрывного вскипания жидкости, которое также позволяет утверждать о незавершенности исследования процессов нагрева (или охлаждения), испарения и режимов кипения жидкостей с примесями различной природы (суспензии, эмульсии, растворы).
Таким образом, несмотря на огромное количество ежегодно проводимых теоретических и экспериментальных исследований, проблема связанная с необходимостью быстрого охлаждения поверхностей технологического оборудования АЭС и ТЭС, в случае аварийного перегрева достаточно актуальна. В первую очередь это связано с возникновением стабильной паровой пленки (пленочное кипение) на поверхности сильно нагретого металлического объекта. Эта пленка существенно замедляет теплообмен. Ускорение перехода от пленочного кипения к пузырьковому является крайне важным для изучаемых процессов. Такого эффекта добиваются, например, за счет добавления частиц различного размера, происхождения и концентрации в охлаждающую жидкость или применения морской воды, а также водно-солевых растворов.
Цель работы: экспериментальное и численное исследование
закономерностей фазовых превращений при охлаждении металлических шаров, суспензиями и растворами на основе воды, а также при нагреве капель воды с металлическими соразмерными включениями. Исследования будут проводиться в температурных условиях, соответствующих или близких к реальным условиям перегрева корпусов (ограждающих конструкций) теплонагруженного
оборудования ТЭС и АЭС.
Цель работы - экспериментальное и численное исследование закономерностей фазовых превращений при охлаждении металлических шаров, суспензиями и растворами на основе воды, а также при нагреве капель воды с металлическими соразмерными включениями.
Поставлены задачи по определению закономерностей высокотемпературных фазовых превращений при охлаждении металлических образцов (шаров) растворами и суспензиями на основе воды, а также нагреве капель воды с металлическими включениями. Определить влияние добавления растворимых и нерастворимых примесей в объем воды на характеристики процессов высокотемпературного испарения и кипения при охлаждении металлических шаров и нагреве гетерогенных капель воды (с металлическими включениями). Определить оптимальные (ресурсоэффективные) условия охлаждения, металлоконструкций при использовании в качестве хладагентов неоднородных жидкостей на основе воды в случаи чрезвычайной ситуации на ТЭС и АЭС, связанных с перегревом оборудования
Выпускная квалификационная работа оформлена в текстовом редакторе MicrosoftWord 7.0 и представлена в распечатанном виде на листах формата А4.
В настоящее время проблема, связанная с необходимостью обеспечения быстрого охлаждения поверхностей технологического оборудования, в частности, ограждающих конструкций реакторов атомных электростанций (АЭС), является достаточно актуальной. Особенно, после аварии, произошедшей на АЭС Фукусима-1, в результате которой температура топливных элементов (топливных стержней) в активной зоне АЭС возросла до 1200-1400 К [1]. Производительности существующей системы водяного охлаждения оказалось недостаточно для эффективной компенсации такой высокой температуры. Результаты расследования случившегося инцидента, показали, что причиной неэффективного (недостаточного) охлаждения и, как следствие, физического повреждения активной зоны АЭС стало снижение скорости теплопередачи из-за пленочного кипения [2]. Этот режим кипения характеризуется образованием устойчивой паровой пленки на нагретой до столь высокой температуры металлической поверхности. Такой процесс впоследствии повышает термическое сопротивление всей системы. В этом случае, паровой слой является своего рода теплоизолирующим. Применение морской воды, как показывают исследования [2], исключает процесс пленочного кипения и повышает эффективность охлаждения металлических образцов.
Исследования механизма пленочного кипения и минимальной температуры пленочного кипения или температуры Лейденфроста представлены многочисленными научными работами (например, [3-5]), среди которых подавляющее количество теоретические. Однако, довольно ограниченная экспериментальная информационная база и сложность численных решений (моделирования) с многочисленными допущениями оставляют механизмы и условия пленочного кипения при интенсивном охлаждении до конца неизученным.
Предложенные в [6] меры безопасности опираются на доказанную эффективность использования морской воды (без специализированных примесей) при аварийном охлаждении ограждающих конструкций активной зоны АЭС во время чрезвычайных ситуаций, подобных аварии на АЭС Фукусима-1. Однако, даже учитывая огромный потенциал (перспективы) применения морской воды, обусловленный близостью многих АЭС к мировому океану, не стоит забывать об остальных станциях, расположенных в глубине материков, в частности в Европе и Северной Америке. Использование морской воды, безусловно, будет невозможно в таких регионах. В связи с этим, проблема эффективного охлаждения ограждающих конструкций активной зоны АЭС с использованием традиционного хладагента (воды) остается актуальной, а, следовательно, и проблемы, связанные с замедлением скорости теплопередачи из-за образования паровой пленки с низкой теплопроводностью на границе раздела сред «поверхность металла - слой воды».
Наиболее популярным направлением развития рассматриваемой тематики являются исследования влияния добавления различных наночастиц и соли в объем воды на критический тепловой поток и минимальную температуру пленочного кипения при быстром охлаждении металлических объектов малых размеров (например, [7-9]).
Кроме того, положительный эффект применения водно-солевых растворов и суспензий выявлен в ряде других высокотемпературных гетерогенных технологий [10-13], среди которых наиболее интересным и перспективным является полидисперсное пожаротушение.
Авторы статей [10] и [11] показали масштабы влияния добавления солей и твердых углеродистых включений на интенсификацию процессов испарения капельных неоднородных потоков в высокотемпературной газовой среде. Более того, в статьях [12] и [13] с применением аналогичного экспериментального стенда установлены закономерности механизмов фазовых превращений капель воды, содержащих крупные (до 3-4 мм) графитовые включения, в продуктах сгорания топлив при высоких температурах. В ходе экспериментов неоднократно наблюдалось новое и крайне мало изученное явление взрывного вскипания жидкости, которое также позволяет утверждать о незавершенности исследования процессов нагрева (или охлаждения), испарения и режимов кипения жидкостей с примесями различной природы (суспензии, эмульсии, растворы).
Таким образом, несмотря на огромное количество ежегодно проводимых теоретических и экспериментальных исследований, проблема связанная с необходимостью быстрого охлаждения поверхностей технологического оборудования АЭС и ТЭС, в случае аварийного перегрева достаточно актуальна. В первую очередь это связано с возникновением стабильной паровой пленки (пленочное кипение) на поверхности сильно нагретого металлического объекта. Эта пленка существенно замедляет теплообмен. Ускорение перехода от пленочного кипения к пузырьковому является крайне важным для изучаемых процессов. Такого эффекта добиваются, например, за счет добавления частиц различного размера, происхождения и концентрации в охлаждающую жидкость или применения морской воды, а также водно-солевых растворов.
Цель работы: экспериментальное и численное исследование
закономерностей фазовых превращений при охлаждении металлических шаров, суспензиями и растворами на основе воды, а также при нагреве капель воды с металлическими соразмерными включениями. Исследования будут проводиться в температурных условиях, соответствующих или близких к реальным условиям перегрева корпусов (ограждающих конструкций) теплонагруженного
оборудования ТЭС и АЭС.