Диссертация (Закономерности процессов гидродинамики и теплообмена в контуре естественной циркуляции), страница 7

Верхние адиабатные (тяговые)участки составляют 48 и 5 калибров соответственно. В настоящей работе экспериментывыполнены с обогреваемой секцией 892 мм.На внешней стороне рабочего участка с переменным шагом по высоте трубы в 25сечениях трубы приваривались хромель-алюмелевые термопары с диаметром термоэлектродов0,2 мм.Измерение температуры жидкости на входе в зону обогрева проводилось кабельноймикротермопарой, внешним диаметром 500 мкм, которая была установлена внутри трубы нарасстоянии 7 калибров до начала обогреваемого участка.Обогревосуществляетсяпеременнымэлектрическимтоком,пропускаемымнепосредственно по стенке трубы. Напряжение подается на рабочий участок от вторичнойобмотки силового трансформатора ОС-25/0.5.

Тепловая мощность, выделяемая на участкеобогрева, определяется по току и падению напряжения на рабочем участке.31Рис. 14. Принципиальная схема экспериментального стенда.1 - обогреваемый канал; 2 - опускная труба; 3 - мерная колонка;4 - предварительные нагреватели; 5 - теплообменник; 6 - сепаратор-конденсатор;7 - вакуумный насос; 8 - система электропитания образца; 9 - реле аварийной защиты;10 - система измерения тока на рабочем участке; 11 - измерительная система;12 - ультразвуковой расходомер; 13 - термопары; 14 – датчик давления.Датчики давленияПрименяемые в настоящей работе измерительные преобразователи давления АИР-10Lсостоят из первичного преобразователя и электронного устройства.

Среда под давлениемподается в камеру первичного преобразователя и деформирует его мембрану, что приводит кизменениюэлектрическогосопротивлениярасположенныхнанейтензорезисторов,включенных в электрическую цепь электронного устройства, в результате чего первичныйпреобразователь выдает сигнал напряжения.

Электронное устройство преобразует сигналнапряжения в унифицированный токовый выходной сигнал. Время установления выходногосигнала преобразователей при скачкообразном изменении давления, составляющем 90 %диапазона измерений, составляет 0,5 с.32Измерение унифицированного токового сигналапроизводится путем измерения падения напряжения наобразцовомсопротивлении(1Ом).Использованиемалоинерционных преобразователей измерения давленияпозволяет получать осциллограммы пульсаций давления.Давление в системеКонденсатор выпара соединяется с вакуумнойкамерой, необходимый уровень разрежения создаетсявакуумным насосом НВЗ-20.

Включение вакуумнойкамерысомагистральзначительнымпослеобъемомконденсатораввыпаравакуумнуюпозволяетподдерживать постоянное давление в полости сепараторас границами систематического смещения ± 10 Па, а такжеисключить значительные пульсации расхода и давления вконтуре,чточрезвычайноважнопридавлениясистемепроведенииэксперимента.Контрольвосуществляетсявакуумметром МБЦ с пределом измерения от 0 до 107кПа с границами систематического смещения 5 Па иприбором ИПДЦ-68009, входящим в систему ИВК.Эксперименты проводились при атмосферном давлении.Скорость цирку ляцииИзмерение скорости циркуляции (средней скороститеченияжидкости)осуществляетсянавходеультразвуковымвзонуобогреварасходомером,использующим в своей основе метод измерения безнеобходимости прямого контакта датчиков со средой.Диапазонизмеряемыхскоростейпотокасоставляет0.01-25 м/с.

Воспроизводимость – 0.15 % измеряемогозначения ±0.01 м/с. Скорость измерения в стандартномрежимеработы(времяотклика)составляет1с.Результаты тарировки содержатся в приложении А.Подводимая мощностьУровень заполне нияПредставленные в работе результаты получены приполном заполнении жидкостью циркуляционной петли доуровня выходного среза канала, находящегося в сепараторе.Прочее констру ктивноеРис. 15. Схема рабочего участка.33Имеющиеся в опускной секции контура электронагреватели и теплообменник-охладительобеспечивают необходимую температуру жидкости на входе в подъемный участок.Конструктивной особенностью контура является малое отношение площадей поперечныхсечений обогреваемого и опускного участков (равное 0,064), что существенно уменьшаетгидравлические потери в опускной линии.Рабочими (задаваемыми) параметрами являются давление в конденсаторе и тепловой потокна стенке обогреваемого канала.В области низких приведенных давлений гидростатическое давление в контуре (высотастолба жидкости) оказывается сопоставимым с абсолютным давлением.

По этой причинежидкость в нижней части контура будет всегда несколько недогрета.В КЕЦ, моделирующих работу пассивной системы послеаварийного охлаждения активнойзоны ядерного реактора (АЗ ЯР), высота контура составляет 8-10 м, что обусловливает недогревыводы в нижней части подъемной секции до 20 К. Имеющийся в нашем распоряжении КЕЦпозволяет получать такие же и даже большие локальные недогревы воды при высоте контураоколо 1,5 м, поскольку при этом гидростатическое давление столба жидкости сопоставимо иможет превышать абсолютное давление в конденсаторе, если последнее ниже 20 кПа.

Положениесечения начала кипения сильно влияет на движущий напор КЕЦ, его гидравлическоесопротивление и устойчивость течения и теплообмена. Возможность исследовать этивзаимосвязи не на полномасштабном и дорогостоящем стенде, а на лабораторной моделиявляется несомненным достоинством.Возможность устойчивой работы при заданных субатмосферных давлениях позволяетисследовать начало закипания жидкости в широком диапазоне ее недогревов до локальнойтемпературы насыщения.Экспериментальный стенд позволяет не только моделировать процессы, протекающие вполномасштабных контурах систем пассивной безопасности АЭС, но и выявить общиезакономерности работы КЕЦ при использовании различных жидкостей (вода, спирты, хладон) вдостаточно широком диапазоне приведенных давлений. Измерения скорости циркуляции ивизуальное наблюдение структуры двухфазного потока (на выходе из зоны обогрева в объемкамеры сепаратора/конденсатора) используются для разработки и верификации моделейосновных процессов, определяющих гидродинамику и теплообмен в КЕЦ.Перед началом проведения эксперимента проводится подготовка залитой в контуржидкости.

Путем снижения давления в контуре с помощью вакуумного насоса происходитдегазация рабочей жидкости.Выход на режим начинается с установки рабочих параметров: давления, плотноститеплового потока на стенке рабочего участка и температуры жидкости на входе в зону обогрева.34В течение эксперимента необходимо поддерживать все перечисленные параметры на заданномуровне.После установки рабочих параметров, наблюдая рост температуры стенки и температурыжидкости на входе, можно сделать вывод о выходе на режим, когда эти параметрыстабилизируются.2.2 Измерительный комплексДля сбора, обработки и хранения данных, полученных в ходе проведения эксперимента,применяется измерительный комплекс на базе персонального компьютера В ходе экспериментапроизводятся измерения показаний термопар, датчиков давления, а также измеренияподводимой тепловой нагрузки на рабочем участке.

Применяемое в системе оборудование можноусловноразделитьподвумшасси-модулям,первыйизкоторыхиспользуетсядлявысокоскоростного сбора сигналов с термопар и датчиков давления (постоянное напряжение),второй для измерения подводимой мощности к рабочему участку (переменное напряжение).В ходе подготовки системы ИВК особое внимание уделялось вопросам коммутациидатчиков температуры, давления и измерительной системы в целом. Схема построенияизмерительной системы с входящими в ее состав блоками приведена на рис. 14.Наличие более чем 30 термопар по высоте канала и высокая скорость считыванияинформации, обеспечиваемая информационно-измерительной системой, позволяют получатьпрактически мгновенное распределение температуры поверхности обогреваемой секции.С учетом выбранной частоты измерения в 100 Гц (скорость записи результатов измерения)суммарное время, необходимое для однократного поканального опроса всех датчиков на одномизмерительном блоке системы (25 шт.

– термопары, 1 шт. – датчик давления на входе в зонуобогрева) составляет менее 1 мс (0,924 мс), что позволяет считать многоканальные измеренияодновременными. При последующей обработке полученные значения осредняются по 10 точек,что в итоге дает реализацию измеренного сигнала с частотой 10 Гц.Измерения подводимой мощности, а именно падения напряжения и силы тока на рабочемучастке производятся с помощью измерительного оборудования на отдельном шасси-модуле.Данные измерения не требуют высокой скорости измерения, поскольку используются дляконтроля уровня тепловой нагрузки на рабочем участке.352.3 Неопределенность измеренийНеопределенность измерения температуры рабочего участка содержит неопределенностиградуировки термопар, метода измерения (пересчет температуры стенки рабочего участка свнешней поверхности на внутреннюю) и измерительного комплекса.

Неопределенностьградуировки термопар была оценена при создании установки и составляет 0,1 оС. Расчетраспределения температуры стенки рабочего участка для случая максимальной плотноститеплового потока 80 кВт/м2 показывает, что перепад температур между образующими будетсоставлять 1,3 оС. Границы систематического смещения измеренного значения сигнала за счетизмерительного комплекса составляют ± 0,75 оС (в части измерения сигналов термопар).Относительная суммарная неопределенность измерения подводимого теплового потокасоставляла 2 %.Неопределенности измерения скорости циркуляции и давления представлены в виде границотклонения значения величины от ее оценки.

Скорость циркуляции жидкости измеряласьультразвуковым расходометром FLUXUS F601 с границами отклонения 0,01 м/с. Давление вполости сепаратора – конденсатора измерялось преобразователем давления АИР – 10/М1 - ДИВ сграницами отклонения 0,2 % от величины оценки, в роли который выступает среднее значение.363 Результаты экспериментаОдной из задач проводимого исследования являлось изучение влияния основных рабочихпараметров КЕЦ: теплового потока и температуры жидкости, поступающей в обогреваемуютрубу, на теплогидравлические характеристики контура низкого давления. В работепредставлены опытные данные о скорости циркуляции, распределении температуры стенки(осредненные по времени, так и «мгновенные») по высоте обогреваемой секции контура.Эксперименты проведены на трех разных жидкостях – воде, перфторгексане C6F14(торговая марка FC-72) и этиловом спирте. Диапазон значений недогрева жидкости дотемпературы насыщения: 0-70 K (вода), 3-15 К (перфторгексан), 0-5 К (этанол).

Диапазонплотности теплового потока для этих жидкостей соответственно: 6-80 кВт/м2, 5-30 кВт/м2,20-80 кВт/м2. Суммарное количество режимов на трех жидкостях – 150, из которых 87 на воде.Это позволило без изменения конструкции и технических параметров установки фактическирасширить диапазон исследований по приведенным давлениям практически на порядок, врезультате чего получена дополнительная информация, важная для понимания механизмовнеустойчивой циркуляции и условий ее возникновения.Следует отметить, что в дальнейшем влияние двух основных режимных параметров(плотность подводимого теплового потока и температура жидкости на входе в зону обогрева)будет рассмотрено только для воды, в то время как рассмотрение для перфторгексана иэтилового спирта ограничено влиянием подводимой тепловой нагрузки при температурежидкости на входе, близкой к температуре насыщения.В целом в опытах были реализованы различные режимы циркуляции по длине зоныобогрева:- однофазная конвекция;- кипение по всей длине;- смешанные режимы.В смешанных режимах циркуляции наблюдалась неустойчивость течения, приводившая книзкочастотным колебаниям скорости циркуляции и температуры, амплитуда которых в рядеслучаев достигала значительных величин.Смешанные режимы циркуляции с участками однофазного течения значительнойпротяжённости характеризовались неустойчивостью с возникновением возвратных течений.Наблюдалась корреляция по частотам между пульсациями скорости циркуляции, пульсациямитемпературы стенки и периодичностью выбросов порций жидкости и парокапельной смеси изподъёмной секции.37Наблюдаемый тип неустойчивости обусловлен закипанием жидкости, т.е.