151327 (Моделювання теплових процесіів в елементах енергетичного обладнання ТЕС і АЕС шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну), страница 3

Аналіз результатів дослідження теплового стану групи контейнерів, розташованих як у поздовжньому, так й у поперечному рядах площадки ССВЯП, при температурі зовнішнього повітря 24 та 40 °С і вітровому впливі з боку найбільш гарячих контейнерів показує, що значення температури в центрі кошика зберігання ВЯП не перевищує максимально припустиму (350 °С), що свідчить про безпеку експлуатації ВБК із погляду їхнього теплового стану в умовах зведення радіаційно-захисної стіни й вітрового впливу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Аналіз стану об'єктів енергетики (турбін, контейнерів зберігання ВЯП) і режимів їхньої експлуатації показав, що існуючі методи їхнього дослідження як експериментальні, так і розрахункові, не дозволяють повністю вирішувати задачі, пов'язані з реконструкцією працюючого та проектуванням нового енергетичного обладнання. У зв'язку з необхідністю нових підходів до вивчення процесів, що відбуваються в енергетичному устаткуванні, сформульована спряжена задача теплообміну стосовно об'єктів теплоенергетики. Вона була вирішена для кінцевих та діафрагмових ущільнень турбомашин і для контейнерів зберігання відпрацьованого ядерного палива.

2. Сформовано математичні моделі стаціонарних та нестаціонарних теплових процесів, що відбуваються в обраних елементах, які досліджувалися шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну. У результаті отримано векторні поля швидкостей робочих тіл, температурні поля найбільш напружених елементів і коефіцієнти тепловіддачі на поверхнях цих елементів.

3. У ході моделювання теплових процесів для оцінки вірогідності отриманих результатів проведена верифікація сформованої математичної моделі й застосованого методу шляхом порівняння результатів розрахунку з результатами визначення шуканих параметрів за критеріальними рівняннями теплообміну. Підтверджено, що при обраній моделі турбулентності, що замикає систему диференціальних рівнянь, отримані обома методами значення коефіцієнтів тепловіддачі практично збігаються, а закономірності їхньої зміни носять однаковий характер. Це дозволило істотно розширити діапазон застосування критеріальних рівнянь убік збільшення чисел Рейнольдса.

4. На основі аналізу результатів моделювання теплових процесів в ущільненнях турбомашин вперше визначені значення коефіцієнтів тепловіддачі на поверхнях роторів при нестаціонарному режимі нагрівання та при різних формах термокомпенсаційних канавок, які можуть бути використані при модернізації роторів для зниження темпу зміни коефіцієнтів тепловіддачі на їхніх поверхнях і, як наслідок, для зниження рівня термонапруженого стану роторів, що дозволить збільшити строк їхньої експлуатації.

5. Для підвищення якості експлуатації енергоблоків була запропонована методика автоматизованого контролю навантаження й розроблена інформаційна система моніторингу для електростанцій.

6. У ході розв’язання методичної задачі щодо визначення теплового стану окремо розташованого контейнера зберігання відпрацьованого ядерного палива встановлено, що умови натікання вітрового потоку на окремо розташований контейнер впливають на розподіл потоку повітря у ВБК, що, однак, не призводить до перевищення понад встановлену при проектуванні температуру оболонок ТВЕЛів у кошику зберігання.

7. Шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну було проведено дослідження теплового стану вентильованих контейнерів зберігання відпрацьованого ядерного палива, що розташовані на площадці зберігання. Аналіз результатів розрахункового дослідження дозволив зробити висновок про безпеку експлуатації цих контейнерів на території АЕС при зведенні радіаційно-захисної стіни та при зовнішніх вітрових впливах, що змінюються.

8. Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, використовуються на підприємствах: ХЦКБ “Енергопрогрес”, ВАТ Харківська ТЕЦ-5 та Запорізька АЕС, що підтверджено довідками про їх використання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Алёхина С. В. Решение сопряжённой задачи тепломассообмена при исследовании теплового состояния вентилируемого бетонного контейнера с отработавшим ядерным топливом / С. В. Алёхина, В. Н. Голощапов, А. О. Костиков, Ю. М. Мацевитый // Проблемы машиностроения – Харьков, 2005, т. 8, № 4 – С. 12 – 20.

2. Алёхина С. В. Теплообмен в концевых и диафрагменных уплотнениях паровых турбин / С. В. Алёхина, В. Н. Голощапов, А. О. Костиков, Ю. М. Мацевитый // Пробл. машиностроения. – 2006. – т.9, № 1. – С. 32–40.

3. Алёхина С. В. Теплообмен на поверхностях роторов паровых турбин при пуске из холодного состояния/ С. В. Алёхина, В. Н. Голощапов, А. О. Костиков, Ю. М. Мацевитый // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2006. – № 4. – С. 9 – 16.

4. Алёхина С. В. Нестационарный теплообмен на поверхности роторов турбомашин в лабиринтовых уплотнениях / С. В. Алёхина, В. Н. Голощапов, А. О. Костиков // Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2007. – № 1(7) – С. 100 – 102.

5. Алёхина С. В. Расширение диапазона применения критериальных уравнений теплообмена в уплотнениях турбомашин на основе решения сопряженной задачи // С. В. Алёхина, В. Н. Голощапов, А. О. Костиков // Вестник инженерной академии Украины – 2007. – Вып. 2 – С. 142–147.

6. Алёхина С. В. Верификация и выбор модели турбулентности для решения газодинамической задачи течения среды в уплотнениях турбомашин / С. В. Алёхина, В. Н. Голощапов // Проблемы машиностроения – 2007. – т. 10, №2 – С. 37 – 44.

7. Алёхина С. В. Информационная система мониторинга нагрузки энергоблоков ТЭС и ТЭЦ / С. В. Алёхина, А. О. Костиков, В. Н. Голощапов, Г. К. Вороновский, А. Ю. Козлоков // Енергетика та електрифікація – 2007. – №9. – С. 17 – 21.

АНОТАЦІЯ

Альохіна С. В. Моделювання теплових процесів в елементах енергетичного обладнання ТЕС та АЄС шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, м. Харків, 2008.

Дисертація присвячена питанням дослідження теплових процесів в елементах енергетичного обладнання шляхом вирішення спряжених задач теплообміну, в яких враховується взаємний вплив переносу теплоти як у твердому тілі, так і в навколишньому теплоносії. Проведено дослідження теплообміну в ущільненнях парових та газових турбін шляхом вирішення спряженої задачі теплообміну у двовимірній постановці. Здійснено верифікацію сформованої математичної моделі та розширення діапазону використання критеріальних рівнянь теплообміну. Визначено коефіцієнти тепловіддачі на поверхні ротора у зоні термокомпенсаційної канавки і запропоновано підхід для зниження термічних напружень. Запропоновано методику підвищення якості роботи енергоблоків шляхом впровадження інформаційної системи моніторингу. Шляхом вирішення спряженої задачі теплообміну проведено дослідження теплового стану вентильованого контейнера зберігання відпрацьованого ядерного палива, що розташований на відкритій площадці, та показано безпечність зберігання такого контейнера тривалий час за фактором зміни теплового стану.

Ключові слова: спряжена задача теплообміну, ущільнення турбомашин, коефіцієнт тепловіддачі, контейнери зберігання відпрацьованого ядерного палива.

АННОТАЦИЯ

Алёхина С. В. Моделирование тепловых процессов в элементах энергетического оборудования ТЭС и АЭС путем решения сопряженных задач теплообмена. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, 2008.

Диссертация посвящена исследованию тепловых процессов в элементах энергетического оборудования ТЭС и АЭС путем решения сопряженных задач теплообмена. Необходимость иметь достоверные данные о тепловом состоянии энергетического оборудования и его элементов вызвана появлением дефектов в уже использующемся оборудовании и проектированием нового. Для решения поставленной задачи требуется разработка новых подходов, методов и средств получения детальной информации о параметрах функционирования этого оборудования. Одним из таких подходов является методология решения сопряженных задач теплообмена, в которых учитывается взаимное влияние переноса теплоты как в твердом теле, так и в окружающем его теплоносителе. В качестве метода решения этих задач использован численный метод, в котором сформулированная задача аппроксимируется дискретной моделью, как правило, в виде алгебраических соотношений, из которых затем определяются численные значения искомых величин. В качестве объектов исследования выбраны тепловые и гидродинамические процессы, происходящие в концевых и диафрагменных уплотнениях турбомашин с термокомпенсационной канавкой и контейнерах хранения отработавшего ядерного топлива на площадке хранения.

Для поставленной задачи исследования сформирована математическая модель, включающая в себя уравнения: неразрывности, движения вязкого газа, энергии, теплопроводности. Замыкается система дифференциальных уравнений уравнением состояния газообразной среды. Для вычисления турбулентных составляющих скоростей, входящих в уравнения движения и энергии, по результатам верификации использовалась модель турбулентности “Standard k-”. Задача рассматривалась в двухмерной осесимметричной постановке или трехмерной в зависимости от рассматриваемого объекта. Математическая модель задачи в трехмерной постановке дополнена уравнением лучистого теплообмена.

В работе проведено исследование теплообмена в уплотнениях паровых и газовых турбин путем решения сопряженной задачи теплообмена в осесимметричной постановке. В ходе моделирования тепловых процессов для оценки достоверности полученных результатов проведена верификация сформированной математической модели и используемого метода путем сравнения результатов расчета с результатами, полученными по критериальным уравнениям теплообмена. Подтверждено, что при выбранной модели турбулентности, замыкающей систему дифференциальных уравнений, полученные разными методами значения коэффициентов теплоотдачи практически совпадают, а закономерности их изменения носят одинаковый характер. Это позволило существенно расширить диапазон применения критериальных уравнений в сторону увеличения чисел Рейнольдса. Определены значения коэффициентов теплоотдачи на поверхностях роторов при нестационарном режиме нагревания и формах термокомпенсационных канавок, которые могут быть использованы при модернизации роторов для снижения уровня термонапряженного состояния роторов, что позволит увеличить срок их эксплуатации. Для повышения качества эксплуатации энергоблоков предложена методика автоматизированного контроля нагрузки и разработана информационная система мониторинга для электростанций.

Путем решения сопряженных задач теплообмена проведено исследование теплового состояния вентилируемых контейнеров хранения отработавшего ядерного топлива, расположенных на площадке хранения. Анализ результатов расчетного исследования показал, что температура сборок в центре герметичной корзины хранения отработавшего ядерного топлива не превышает допустимую и позволил сделать заключение о безопасности эксплуатации этих контейнеров на территории АЭС.

Ключевые слова: сопряженная задача теплообмена, уплотнения турбомашин, коэффициент теплоотдачи, контейнеры хранения отработавшего ядерного топлива.

ANNOTATION

Alyokhina S.V. “Modeling of thermal processes in energy equipment of HES and AES by the solution of the conjugate problems of heat exchange”. – Manuscript.

The thesis for the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.14.06 – technical thermal physics and industrial heat power engineering. – A. M. Podgorny Institute for the Problems of Machinery of NAS of Ukraine. Kharkov, 2008.

The thesis is devoted the questions of research of thermal processes in the elements of power equipment by the decision of conjugate heat transfer problems, in which the mutual influencing of heat transfer is taken into account both in a solid and in heating, that surrounds him. Research of heat exchange is conducted in the seal of steam and gases turbines by the decision of conjugations task of heat exchange in the two-measured raising. The verification of the formed mathematical model and expansion of range of the use of criteria equalizations of heat exchange was conducted. The coefficients of heat emission are certain on a surface to the rotor in the area of thermal expansion grooves and approach is offered for the decline of thermal tensions. The method of upgrading quality of work of energetic block was offered by introduction of the informative system of monitoring. By the decision of conjugations problem of heat exchange research of the thermal state of the ventilated cask of storage of the spent nuclear fuel is conducted, that located on outside court, and the safety of storage is shown.

Keywords: conjugate heat transfer problems, seal of steam, seal of turbines, coefficients of heat emission, ventilated cask of storage of the spent nuclear fuel.