Зондовые методы определения характеристик одно-двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Болтенко, Дмитрий Эдуардович

• Болтенко, Дмитрий Эдуардович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Болтенко, Дмитрий Эдуардович

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И СТРУКТУРЫ ОДНО ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ.

1.1. Измерение средних и локальных температур потока.

1.1.1. Измерение истинных температур фаз двухфазного потока.

1.2. Измерение скорости (расхода) одно и двухфазного потока.

1.2.1. Скорости одно и двухфазного потока.

1.2.2.Расход двухфазной смеси.

1.3. Среднее по сечению канала истинное объемное паросодержание и плотность смеси рсм, <ф>.

1 АИстинное локальное объемное паросодержание, %.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Зондовые методы определения характеристик одно-двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Атомная энергетика России базируется на реакторах двух типов: ВВЭР и канальных уран-графитовых РБМК. Развитие атомной энергетики возможно при выполнении основного условия - уровень безопасности АЭС должен отвечать жестким требованиям. Характеристикой этого уровня служит расчетное доказательство безопасности АЭС с использованием теплогидравлических кодов улучшенной оценки, верифицированных на экспериментальных данных. Для верификации математических моделей в переходных и аварийных режимах, построения физически обоснованных методик расчета теплогидравлических характеристик установок необходимы экспериментальные данные, как по интегральным характеристикам потока, так и данные о локальных характеристиках и структуре потока: истинное объемное паросодержание, скорости фаз, скорость и расход одно- двухфазной смеси. Определение локальных характеристик и структуры потока наталкивается на ряд трудностей, обусловленных, с одной стороны, сложностью объекта исследования (высокие давления, температуры, наличие двух фаз движущихся с различными скоростями, нестационарность процессов и т. д.), а с другой, скудостью средств,'^ имеющихся в распоряжении экспериментатора. В настоящее время при определении характеристик одно- двухфазных потоков применяются зондовые методы. В силу различных причин методы зондирования потока имеют ограниченный диапазон применения. Во многих случаях получение достаточно представительных и точных данных по локальным характеристикам одно и двухфазных потоков не представляется возможным. Для безаварийной работы ЯЭУ необходимо контролировать интенсивность теплогидравлических процессов протекающих в элементах оборудования как в стационарных, так и переходных режимах. К таковым можно отнести расход теплоносителя, температура воды на входе и выходе A3 (паросодержание на выходе в кипящих РУ), мощность энерговыделения. Используемые в настоящее время методы не позволяют полностью контролировать ряд важных характеристик (скорость воды, истинное и (или) объемное паросодержание ). Таким образом, задача совершенствования известных и разработка новых методик зонди

-sрования потока с целью расширения диапазона применимости, повышения точности и представительности полученных данных весьма актуальна. ЦЕЛЬ диссертационной работы заключалась в следующем: В проведении экспериментальных исследований по созданию методов зондирования с улучшенными характеристиками в области режимов характерных для исследований аварий на экспериментальных интегральных стендах: высокие давления, температуры, нестационарные режимы течения одно - двухфазных потоков. Конкретными задачами работы являлись:

1. Экспериментальные исследования взаимодействия электрозонда с двухфазным потоком, направленные на получение зависимости истинного объемного паросодержания, скоростей фаз от уровня дискриминации сигнала, полученного при взаимодействии зонда с двухфазным потоком.

2. Экспериментальные исследования метода оптозондирования, направленные на разработку структурной схемы и волоконно-оптического датчика, позволяющего проводить исследования двухфазного потока в области высоких температур и давлений.

3. Экспериментальные исследования метода теплового зондирования, направ-ленные-на создание термопарного измерителя скорости (ТИС) с прямым на-" гревом чувствительного элемента, позволяющие реализовать метод в области высоких температур и давлений однофазной среды.

4. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при взаимодействии термопарного измерителя скорости с однофазным потоком и определение функциональной связи температурного напора на чувствительном элементе ТИС от скорости потока воды, физических свойств воды и плотности теплового потока в зоне нагрева.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Показано, что зависимость истинного объемного паросодержания срл от уровня дискриминации сигнала содержит область плато, уровень дискриминации, выбранный на участке плато оптимален, его использование при обработке сигнала дает минимальную погрешность при определении д>л. На основе данных, полученных при взаимодействию зонда с двухфазным потоком, разработана методика оп

-юределения истинного объемного паросодержания и методика, позволяющая с помощью метода электрозондирования определять скорости фаз в двухфазном потоке. Методики защищены патентами РФ.

Определена структурная схема, реализующая метод оптозондирования. На этой основе создана принципиальная схема и изготовлен макетный образец прибора. Разработан и изготовлен волоконно-оптический зонд, позволяющий проводить измерения истинного объемного паросодержания в пароводяном потоке высокого давления.

Разработаны датчики и схемы, позволяющие реализовать метод теплового зондирования с помощью нагретого чувствительного элемента термопары, ТИС. Получена функциональная связь температурного напора на чувствительном элементе ТИС от скорости потока воды, физических свойств воды и плотности теплового потока в зоне нагрева. Схемы и датчики защищены патентами РФ. ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивалась тщательной проработкой методик, отработкой предложенных, методик на водо-воздушных и пароводяных стендах высокого давления, сравнением полученных результатов с известными методиками, проведением большого количества тестовых экспериментов, статистической обработкой результатов измерений. "'s ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА.

Автор принимал участие на всех этапах исследований. Автором лично проведены исследования, на основе которых выбрана структурная схема, реализующая метод оптозондирования, разработана, изготовлена схема и волоконно-оптический зонд ВОД. При участии автора разработаны: методика, на основе которой возможен выбор оптимального с точки зрения повышения точности определения истинного объемного паросодержания уровня дискриминации, методика, позволяющая с помощью метода электрозондирования определить скорости фаз в двухфазном потоке, метод теплового зондирования с помощью прямого нагрева чувствительного элемента термопары.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Разработанные методик» расширяют экспериментальные возможности определения характеристик одно- двухфазных потоков в условиях высоких давлений и температур при исследовании стационарных и аварийных режимов работы АЭС. Комплексное использование методов зондирования дает возможность определения характеристик многофазных потоков (нефть, вода, воздух).

Методики используются на экспериментальных интегральных стендах ФГУП «ЭНИЦ» при исследованиях аварийных режимов АЭС с ВВЭР и РБМК. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- методика выбора огшшаяышго с точки зрения минимальной погрешности определения истинного объемного паросодержания уровня дискриминации;

- -методика определении скоростей фаз в двухфазном потоке на основе метода электрозоидироваиия;

- функциональная схема и датчик, реализующие метод оптозондирования;

- датчики и измерительная схема, на основе которых реализован метод теплового зондирования с помощью прямого нагрева чувствительного элемента термопары, ТИС; j

- функциональная зависимость температурного напора на чувствительном элементе ТИС от скорости потока воды, физических свойств воды и плотности теплового потока в зоне нагрева.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты исследований докладывались и обсуждались: • на V Минском международном форуме по тепло - массообмену 24-28 Мая, 2004 г. Минск. 2004; на международной конференции International Youth Nuclear Congress 2004, May 9-13 Toronto, Canada; на второй всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА 2004» 23-25 марта 2004 г. Обнинск; на 4-ой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», ОКБ ГП., Подольск, 23-26 мая 2005 г.; на международной конференции 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulic (NURETH-11) popes Palace Conference Center, Avignon, France, October 2-6,2005.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Болтенко, Дмитрий Эдуардович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К РАБОТЕ

1.Ha основе проведенных экспериментальных исследований по взаимодействию электрозонда с двухфазным потоком установлено, что на зависимости истинного объемного паросодержания (рл от уровня дискриминации % = ffUd), существует область плато, в пределах которого <рл практически не меняется. Показано, что при выборе Ud в пределах этого участка погрешность определения (рл минимальна. Разработана методика определения истинного объемного паросодержания (рл. Разработана методика определения скоростей фаз двухфазного потока с помощью одного электрозонда.

2. На основе проведенных исследований метода оптозондирования определена структурная схема, разработана принципиальная схема и изготовлен макетный образец прибора. Разработан и изготовлен волоконно-оптический зонд ВОД, позволяющий проводить определение (рл в пароводяном потоке высокого давления.

3.Разработана методика определения истинного объемного паросодержания в нестационарных режимах течения двухфазной смеси.

4. Реализован метод теплового зондирования с помощью нагретого чувствительного элемента термопары, ТИС. На основе обобщения экспериментальных данных по гидродинамике и теплообмену, полученных при поперечном обтекании ТИС потоком воды, получена зависимость устанавливающая функциональную связь скорости потока жидкости (газа) от температурного напора на чувствительном элементе ТИС, физических свойств жидкости (газа) и плотности теплового потока в зоне нагрева. Определен диапазон применимости метода. Рассмотрены подходы, позволяющие расширить диапазон измерения скорости потока с помощью ТИС и снизить погрешность измерения скорости.

5. Предложены зависимости, позволяющие на основе данных, полученных методами зондирования, определить истинные и расходные характеристики адиабатного (горизонтальные и вертикальные каналы) двухфазного потока.

6. Рассмотренные методы зондирования реализованы при исследовании аварийных режимов на экспериментальных интегральных стендах ФГУП ЭНИЦ. Полученные экспериментальные данные используются для верификации расчетных кодов, используемых для обоснования безопасности АЭС с ВВЭР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Болтенко, Дмитрий Эдуардович, 2006 год

1. Лабунцов Д. А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М: Издательство МЭИ, 2000.

2. Леончик Б.И., Маякин В.П. Измерения в дисперсных потоках. М.: Энергоиздат, 1981.

3. Лысиков Б.В., Прозоров В.К. Термометрия и расходометрия ядерных реакторов-М: Энергоатомиздат 1985 г.

4. Кузнецов Ю.Н. Теплообмен в процессе безопасности ядерных реакторов. М.:Энергоатомиздат, 1989.

5. Болтенко Э.А., Корниенко Ю.Н. Смирнов Ю.А., Болтенко Д.Э. Методы и средства для измерения характеристик термически неравновесного двухфазного потока // Теплоэнергетика, 2001, №3, с.34-39.

6. Болтенко Э.А., Смирнов Ю.А., Болтенко Д.Э. Методы и средства для определения характеристик двухфазного потока в области дисперсно-кольцевого режима течения // Теплоэнергетика, 2002, №3, с. 17-22.

7. Афган Н. Перегрев кипящих жидкостей. Пер. с англ. М.: Энергия, 1990.

8. Сергеев В.В., Ремизов О.В., Воробьев В.А. и др. Применение термопар для изучения некоторых характеристик неравновесных двухфазных потоков: Препринт ФЭИ №589, Обнинск, 1975.-ЗВ-.

9. А.С. 1177690 СССР, MKH3G01K13/02. Устройство для измерения температуры двухфазного потока / Э.А. Болтенко, Ю.Н. Корниенко, С.Н. Кочеткова // Заявка №3649894/24-10 от 05.10.83. Открытия. Изобретения. 1985. №33.

10. А.С. 1137874 СССР, MKH3G01K13/02. Устройство для измерения температуры жидкой фазы газового потока/ Э.А. Болтенко, В.А. Карпов // Заявка №3598593/2410 от 04.04;83.0ткрытия. Изобретения. 1986. № 14.

11. А.С. 1356719 СССР, MKH3G01K7/06. Способ определения температур фаз в двухфазном потоке / Э.А. Болтенко, Ю.П. Джусов, Ю.Н. Корниенко, B.C. Кузева-нов, В.А. Солодкий // Заявка №3987780/10-25 от 09.12.85. Открытия. Изобретения. 1993. №5.

12. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. -4-е изд., перераб. и доп. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989.

13. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. JI.: Машиностроение, 1982.

14. Стырикович М.А., Резников М.И. Методы экспериментального изучения процессов генерации пара. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Энергия, 1977.

15. Измерение некоторых характеристик парожидкостного потока в круглой трубе при давлении 68.6 бар / П. JI. Кириллов, Н. М. Комаров, В. И. Субботин и др. -Препринт ФЭИ-421,1973,20 с.

16. Селиванов В.М., Мартынов А.Д., Простяков В.В., Требина Н.М. Корреляционный метод измерения скорости. Препринт ФЭИ, 06-86, Обнинск, 1979.

17. Кебадзе Б.В. Анализ статистической погрешности и оптимизация корреляционных расходомеров // Атомная энергия. Т.56. Вып. 1, 1984.

18. Болтенко Д.Э., Болтенко Э.А., Зверинцев Н.В., Ланских B.C., Толмачев А.Г.,Урбан Т.В., Цой В.Р. Измерение скорости потока на стенде ПСБ-ВВЭР с помощью термокорреляционного метода. В сб Годовой отчет 2002. ЭНИЦ ВНИИА-ЭС. Электрогорск 2003 г. С.62-68.

19. Хинце И.О. Турбулентность ее механизм и теория. Пер. с англ. Под.ред. Г.Н. Абрамовича. М: Гос. Изд. Физ.-Мат. Литературы, 1963

20. Алемасов В.Е., Глебов Г.А., Козлов.А.П. Термоанемометрические методы исследования отрывных течений. Казань: Казанский филиал АН СССР, 1990

21. Козлов А.П., Михеев Н.И., Молочников В.М., Сайкин А.К. Термоанемометри-ческие измерения поверхностного трения в отрывных течениях. Под ред. Алемасо-ва В.Е. Казань: Издательство «АБАК», 1998

22. Abel R., Resch F. G. A Method for the Analysis of a Hot Film Anemometer Signals in Two-Phase Flows. Int. J. Of Multyphase Flow, 1978, v. 4, No 5-6, p. 523-533

23. Akashi K., Aihara Y., A Fundamental Study on the Use of Hot Wire Techique for Two-Phase Flow. - Trans. Jap. Soc. Aeronaut. And Space Sci., 1981, v. 23, No 62, p. 242-246.

24. Shiralkar B. S., Laney R. Т., Diabatic Local Void Measurements in Freon-114 with a Hot-Wire Anemometer. Trans. Amer. Nucl. Soc., 1972, v. 15, No 2, p. 886-882

25. Кормашова E.P., Елин H.H. Измерение расхода парожидкостной смеси стандартными диафрагмами // Теплоэнергетика 1999 №2 с. 66-70.

26. Созиев Р.И., Захарова Э.А., Хризолитова М.А., Ефанова А.И. Измерение расхода и фазового состава паро-и газожидкостных сред // Теплоэнергетика. 1995. №4 с.64-65.

27. Гордон Б.Г., Мальцев Б.К., Богдан С.Н. К вопросу об измерении расхода двухфазных сред при нестационарном истечении // Теплоэнергетика. 1975. №10. С.78-9

28. Hampel G., Mandrella R. Massenstrommessung tranuenter zwei-phasenstromung" mittels Drag-body-Realtortugung. Dusseldort, 1976, Bonn, 1976. S. 143-146.•• r

29. Anderson J.L., Fincke J.R. Mass Flow Measuremtyts in Air/Water MixturesUsing Drag Devices and Gamma Densitometer/ISA Transactions. Vol.l9№l,p.37-48., 1980.

30. Федоров Л.Ф., Рассохин Н.Г. Процессы генерации пара на атомных электростанциях. М. Энергоатмиздат 1985.

31. Патент России 2187090 MKH3G 0121N 9/26. Способ определения средней плотности смеси / Э.А. Болтенко, А.А Савинов, А.Г Толмачев, Е.И Трубкин, В.Р Цой//Заявка №2000103189/28 от 11.02.2000. Открытия. Изобретения. 2002. №22.

32. Емельянов И.Я., Юрова Л.И., Смолин В.Н. и др. Использование нейтронного датчика для определения паросодержания // Атомная энергия. 1977. Т.43, №3. С,171.

33. Алхутов М.С., Болтенко ЭЛ., Цой В.Р. Измерение плотности двухфазной смеси в стационарных и переходных режимах. // Теплоэнергетика, 2002, №9, с. 67.

34. Голубев Б.П., Смирнов С.Н., Лукашов Ю.М., Свистунов Е.П. Электрофизические методы исследования свойств теплоносителей М.: Энергоатомиздат, 1985.

35. Durst F. Optical Techniques for fluid flow and heat transfer. // Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics, 1988, p.32.

36. Левитан Л. Л., Боревский Л .Я. Голография пароводяных потоков. М.: Энергоатомиздат, 1989.

37. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М.: Энергоатомиздат, 1987.

38. Ринкевичюс Б.С. Лазерная анемометрия. М.: Энергия, 1978.

39. Рукк, Б. Павловский Лазерная томография и анализ структуры потоков Теплофизика высоких температур, 2000, том 38, No 1, с. 111-123.

40. Купко А.Д. Вопросы измерений лазерно-доплеровскими анемометрами в высокоскоростных турбулентных потоках // Автометрия, №3, 1990. С. 24-29.

41. Измерение дисперсности и влажности пара в турбине с использованием метода спектральной прозрачности / О.А. Поваров, Л.А. Фельдберг, В.Н. Семенов, С.А. Попов//Теплоэнергетика, 2000, №i 1. с. 34-38.

42. Mahdi Majed, Sima Zahrai, Torbjrn Noren Void Fraction Measurements in BWR Fuel Assemblies // Ninth International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-9) San Francisco, California, October 3-8,1999.

43. Мельников В.И., Контелев B.B., Иванов B.B., Прассер Х.-М., Циппе В. Ультразвуковая волноводная многоточечная система визуализации двухфазного теплоносителя // Известия вузов. Ядерная энергетика. № 1.2000 г. С. 81.

44. S. Kim, X.Y. Fu, X. Wang, М. Ishii. Study on interfacial structures in slug flows using a miniaturized four-sensor conductivity probe // Nuclear Engineering and Design 2001, v. 204. P. 45-55.РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

45. У. Mi, М. Ishii, L.N. Tsoukalas. Flow regime identification methodology with neural networks and two-phase flow models // Nuclear Engineering and Design 2001, v. 204. P. 87-100.

46. Y. Mi, M. Ishii, L.N. Tsoukalas. Investigation of vertical slug flow with advanced two-phase instrumentation // Nuclear Engineering and Design 2001, v. 204. P. 69-85.

47. M. Ishii, S. Kim. Micro four-sensor probe measurement of interfacial area transport for bubbly flow in round pipes // Nuclear Engineering and Design 2001, v. 205. P. 123131.

48. Development of the five- sensor conductivity probe method for the measurement of the interfacial area concentration / Euh D.J., Yun B.J., Song C.N., Kwon T.S., Chung M.K., Lee U.C. // Nuclear Engineering and Design 2001, v. 205. P. 35-51.

49. Мельников В.И. Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат. 1987.

50. Разработка и исследование акустического метода измерения паросодержания на выходе ТВС реактора ACT / Мельников В.И., Хохлов В.Н., Усынин Г.Б. и др. // Атомная энергия, 1986, т.61, вып. 1. С.27-30.

51. Горбань JI.M., Пашичев В.В., Пометько Р.С. Методы пересчета критических тепловых потоков с фреона на воду в каналах простой и сложной геометрии: Препринт ФЭИ №660, Обнинск, 1076.

52. Pometko R.S., Boltenko Е.А. et all. The Critical Heat Flux in WWER Fuel Subassembly Model with Nonuniform Cross-sectional Parameters Distribution / NURETH-8, September 30-0ctober 24, 1997, Japan.

53. Болтенко Э.А., Пометько Р.С. Кризис теплоотдачи в стержневых сборках. Методы расчета и теплового моделирования / Сб. Докладов. Теплогидравлика-94. Те-плофизические аспекты безопасности АЭС с водоохлаждаемыми реакторами. Об-нинск-1995. С.34-49.

54. A.R. Evseev. Liquid Film Thickness Measurement by The Fiber-Optical Probe.// The physics of heat transfer in boiling and condensation. Proceeding of the international symposium on the condensation. May 21-24.1997. Moscow. Russia, pp. 519-523.

55. F. de Crecy, D. Junel. Methodology for the study of the Boiling Crisis in a Nuclear Fuel Bundle / NURETH-7, September 10-15,1995, USA.