Зондовые методы определения характеристик одно-двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах

Болтенко, Дмитрий Эдуардович

Зондовые методы определения характеристик одно-двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Болтенко, Дмитрий Эдуардович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Электрогорск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Зондовые методы определения характеристик одно-двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах»

Автореферат диссертации на тему "Зондовые методы определения характеристик одно-двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах"

На правах рукописи

БОЛТЕНКО ДМИТРИЙ ЭДУАРДОВИЧ

ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНО-ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В СТАЦИОНАРНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань -2006

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Электрогорский Научно-Исследовательский Центр по безопасности Атомных Электростанций» (ФГУГТ «ЭНИЦ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тарасевин С.Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Щукин A.B.

кандидат фнз. — мат. наук Шмаль И И.

Ведущая организация: Институт Высоких Температур РАН

Защита состоится ОСГ 2006 г. в /о часов на заседании дис-

сертационного совета Д 212.079.02. Казанского Государственного Технического Университета им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского Государственного Технического Университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук, доцент ~~7 Каримова А. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

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 АЗ (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 зондирования потока с целью расширения диапазона применимости, повышения точности и представительности полученных данных весьма актуальна.

Цель работы

Проведение 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, направленные на создание термопарного измерителя скорости (ТИС) с прямым нагревом 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 <р„ от уровня дискриминации сигнала содержит область плато, уровень дискриминации, выбранный на участке плато оптимален, его использование при обработке сигнала дает минимальную погрешность при определении <рл. На основе данных, полученных при взаимодействию зонда с двухфазным потоком, разработана методика определения 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.

Практическая значимость н использование полученных результатов

Разработанные методики 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 оптимального, с точки зрения минимальной погрешности определения истинного объемного паросодержания методом электрозондирования, уровня дискриминации;

- методика определения скоростей фаз в двухфазном потоке на основе метода электрозондирования;

- 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.

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

Апробация работы

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 ГЛ., Подольск, 23-26 мая 2005 г.; на международной конференции 1 Ith International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-ll) popes Palace Conference Center, Avignon, France, October 2-6, 2005.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 14 публикациях, в том числе, 4 патентах РФ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация содержит введение, пять глав, заключение к работе (194 страницы машинописного текста, 49 иллюстраций) список литературы (172 наименования), список условных обозначений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Дана общая характеристика работы. Сформулирована цель и основные задачи исследования.

В первой главе проанализированы методики, используемые для определения локальных характеристик и структуры одно - двухфазных потоков. Показано, что известные методики не позволяют с достаточной точностью контролировать ряд важных характеристик одно двухфазных потоков в области высоких давлений и температур. Методик для определения таких характеристик как скорости фаз двухфазного потока, расход двухфазного потока в широком диапазоне параметров практически не существует. Исходя из проведенного анализа, сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе рассмотрен метод электрозондирования. Метод элекгрозон-дирования один из известных методов, используемых для диагностики двухфазных потоков. Методические основы заложены в трудах Российских ученых (Похвалов Л.О., Бартоломей Г.Г., Солодкий ВА., Свистунов Е.П., Голубев Б.П., Смирнов С.Н., Лукашов Ю.М., Дильман В.В., Шестопалов Е.М., Джусов Ю.П. и др.). Метод использовался как в стендовых, так и в реакторных условиях для определения истинного объемного паросодержания. Показано, путем сравнения с другими методами (гамма просветка), что метод электрозондирования работоспособен в следующем диапазоне режимных параметров: давление 0,1-20,0 МП а, истинное объемное паросодержание 0-1. Наиболее эффективен метод в области пузырькового и пробкового режимов.

Метод электрозондирования двухфазного потока, основан на различии электропроводности жидкой и паровой фаз. При взаимодействии зонда с двухфазным потоком, из-за различия проводимости жидкой и паровой фаз, имеет место двухуровневая амплитудная модуляция базового напряжения, причем, верхний уровень модуляции соответствует фазе «жидкость», нижний — фазе «пар», рис.1. При определении истинного объемного паросодержания <р„ используют временное осреднение в межэлектродном промежутке зонда. При этом измеряется время, в течение которого в рассматриваемой точке (межэлекгродном промежутке) находится каждая из фаз и определяется следующим образом:

где г - радиус вектор, рассматриваемой точки; Г-время экспозиции;

ХЛт, - определенное на зависимости и- Дт) суммарное время взаимодействия электроконтаюиого зонда с фазой, при соответствующем выбранном уровне дискриминации иа.

(1)

Алгоритм определения времени, в течение которого паровая фаза присутствует в точке замера, заключается в следующем. На зависимости Ц^Дт) выбирается некоторый условный уровень (уровень дискриминации иа поз. 1), начиная с которого считается, что чувствительный элемент зонда находится в той или иной фазе рис.1. Путем сравнения амплитуд входного сигнала с Г/Л идентифицируется фаза среды в зоне чувствительного элемента зонда в данный момент времени и вычисляется истинное объемное паросодержание по зависимости (1). Время экспозиции задается предварительно (5-10с). При проведении исследований аварийных режимов на крупномасштабных стендах получение представительных данных по Ф затруднено. Это обусловлено тем, что во время проведения исследований доступ к датчику и внесение каких либо корректировок в измерительную систему практически не возможен.

Выполненный анализ показал, что основная погрешность определения <р, связана с неверным определением времени взаимодействия чувствительного элемента зонда с фазой. Последнее непосредственно связано с выбором некоторого условного порогового уровня (уровень дискриминации) на зависимости и=Дт), полученной при взаимодействии зонда с двухфазным потоком. Как правило, уровень дискриминации, предварительно выбранный и установленный, в процессе измерений самопроизвольно отклоняется от первоначального. Ошибка определения <ра в этом случае может быть очень велика, получение хотя бы качественно верного результата проблематично, рис.1 (1/л поз. 2,3). Для устранения этого недостатка применяют различные методы. Известные методы позволяют решить задачу поддержания выбранного ил при изменении свойств зонда и (или) жидкой фазы. Выбор оптимального Г/Л с точки зрения минимальной погрешности определения <рд, при этом остается открытым. Для определения влияния Сгд на точность определения рл выполнены опыты. Опыты выполнены на установке, показанной на рис. 2. Опыты проводились следующим образом. Воздух от компрессора подавался под уровень воды через перфорированные пластины 2. Прохода через слой жидкости (воды) воздух равномерно распределялся по высоте слоя, создавая определенное соотношение между воздухом и водой, т. е. <р. Далее измерялся действительный и весовой уровень воды. Среднее по сечению <р определялось на основе зависимости:

<Р = (1- ЬЛг)(р/(р.-р~,*> ) (2)

где А„ Иа — весовой и действительный уровень воды;

Р* > Рт» — плотность воды и воздуха соответственно.

Замеры <р, проводились в десяти точках по сечению установки. Перемещение зонда осуществлялось с помощью специального приспособления. После интегрирования измеренного профиля, проводилось сравнение полученного среднего по сечению <р со средним по сечению истинным объемным паросодержанием получен-

ным по зависимости (2). Далее изменялся уровень дискриминации, и опыты повторялись. В результате проведенных опытов установлен вид зависимости <ря — /(V, рис.3. Как видно на зависимости существует пологий участок (область плато), в пределах которого точность определения <р практически не меняется и составляет 3+5 % по отношению к <р определенному по зависимости (2).

Таким образом, на основе проведенных исследований можно утверждать, что уровень дискриминации, выбранный на участке плато оптимален, и его использование при обработке сигнала дает минимальную погрешность при определении <рл. Оптимальный уровень дискриминации зависит от свойств зонда, жидкой (паровой) фаз, режимных параметров двухфазной смеси (скорость фаз, размер фракций и т. д.). При выборе уровня дискриминации в пределах плато ошибка определения <рл минимальна.

На основе этих данных предложена методика выбора оптимального, с точки зрения минимальной погрешности определения <р„, уровня дискриминации. Методика заключается в многократном определении ф>„на основе зависимости (1) при различных, произвольно выбранных уровнях дискриминации и^ лежащих в интервале — ит1п, построении зависимости вида <р* = /(17^), рис.3, определении оптимального {/„ по местоположению точки перегиба и (или) области плато на зависимости <рл = /(ХУ, определении <рп при оптимальном ид.

При разработке физически обоснованных методик расчета теплогидравличе-ских характеристик (IX X), оптимизации и контроле технологических процессов, необходимо помимо <р„ уметь определять скорости фаз. Анализ известных методов показал, что они не совершенны и не позволяют определять с достаточной точностью скорости фаз. В работе предложена методика определения скоростей фаз с помощью одного зонда.

Методика заключается в записи сигнала и = /(г), полученного при взаимодействии электроконтактного зонда, размещенного нормально оси канала, с двухфазным потоком, определении скорости фазы как среднего скоростей фронтов, возникающих при входе фазы в межэлектродный промежуток и выходе фазы из межэлектродного промежутка. Скорость фазы (пар, жидкость) определяется на основе следующих зависимостей:

-, скорость границы раздела фаз в процессе прохождения от первого по ходу потока электрода до второго электрода;

(3)

где

А Д и

- скорость границы раздела фаз в процессе выхода из межэлектродного промежутка и потери контакта с первым по ходу движения потока электродом и вторым электродом;

Л - расстояние между электродами электроконтактного зонда; Для оценки точности методики было проведено измерение скорости пузырей на установке (рис.2), с помощью видеосъемки движения пузырей и последующей покадровой обработки полученных снимков. Были выполнены также расчетные оценки скорости всплытия пузырей. Расчетная оценка была проведена по формуле Д.А. Франк-Каменецкого для скорости всплытия одиночного пузыря:

Г = 1.5 - Р^ )/(/>.)' (4)

Отклонение определенных с помощью предлагаемого метода скоростей пузырей от расчетных значений, и значений, полученных с помощью видеосъемки не превысило 9 - 12%. На рис.4 показана зависимость и = Дт), записанная при взаимодействии пузырьков воздуха с зондом, а также различные стадии взаимодействия пузыря с зондом (рис. 4 а, б, в.). Как видно из рис.4, фронты симметричны, что кроме всего прочего свидетельствует о минимальном искажении формы пузырей при взаимодействии с зондом.

При исследовании аварийных режимов на крупномасштабных стендах, как правило, определение <р происходит в нестационарных режимах. В работе предложена методика определения <р в условиях нестационарных режимов. Методика заключается в записи сигнала и = Дт), полученного при взаимодействии зонда с двухфазным потоком, определении характерного времени нестационарного режима, определении времени осреднения (экспозиции) удовлетворяющему ряду условий:

• время осреднения должно быть намного больше времени пребывания фазы в измерительном объеме зонда,

■ быть намного меньше характерного времени процесса,

• должно быть достаточным для получения статистически значимого результата.

Для определения <р необходимо записать сигнал, образующийся при взаимодействии зонда с двухфазным потоком до получения зависимости вида 17 = /(т). Определить характерное время исследуемого процесса Т^щ. Характерное время определяется на основе данных об исследуемом процессе. На основе анализа зависимости вида II = Дт) определяются режимы течения двухфазной смеси, имеющие место в разные промежутки временной реализации нестационарного процесса На временных отрезках с идентичным режимом течения, определяется время экспозиции Т. Т определяется исходя из условий: Г^ где Т^р >> Т^р « Тпти. На

временных отрезках, соответствующих выбранным временам экспозиции, определяется <р.

На основе предложенной методики определено <р в различных аварийных режимах на установке ПСБ ВВЭР. Экспериментальная установка ПСБ-ВВЭР является масштабной моделью первого контура серийной АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. Назначение стенда - исследование теплогидравлических процессов происходящих в первом контуре АЭС с ВВЭР — 1000 при стационарных, переходных и аварийных режимах. На рис. 5 показано изменение режимных параметров в одном из аварийных режимов и соответствующее изменение <р от времени, определенное на основе предложенной методики.

В третьей главе представлены результаты разработки метода оптозондирования. Метод оптозондирования двухфазного потока, основан на различии коэффициента отражения света от границы раздела двух сред (зонд-газ, зонд-жидкость). Метод оптозондирования сходен с электрозондированием, однако, имеет по сравнению с ним ряд достоинств:

• В методе оптозондирования отсутствуют ограничения по величине электросопротивления рабочей среды, что позволяет существенно расширить диапазон сред (хладоны, криогенные жидкости, взрывоопасные жидкости и т. д.).

• Ввиду малого затухания оптического сигнала в современных световодах, практически снимаются ограничения по длине измерительной линии, которые существуют в электрозондовом методе в связи с электрической емкостью кабеля.

• Обеспечивается высокая помехоустойчивость от электромагнитных полей. Это важно при проведении исследований на крупномасштабных стендах, где токи в тепловыделяющей сборке достигают 60000-80000 А

• Чувствительный элемент оптического зонда имеет малые поперечные размеры (50-200 мкм), что обеспечивает хорошее пространственное разрешение и уменьшает влияние зонда на исследуемый поток.

Последнее имеет решающее значение при определении характеристик потока (подкипание в ячейках сборки, истинное объемное паросодержание ) по сечению сборки (размеры ячеек малы). Размещение элекгрозонда в этих случаях затруднено. Из литературы известно использование метода оптозондирования для определения истинного объемного паросодержания в ячейках сборки (1?. Бе Сгесу, 0.1ипе1). В России метод не реализован.

Для разработки структурной схемы, реализующей метод оптозондирования, были выполнены исследования. В результате проведенных исследований разработана структурная схема, позволяющая реализовать метод оптозондирования, рис.6.

В схеме рис.6 использована амплитудная модуляция излучения (непосредственная модуляция по интенсивности), которая наиболее удобна для дальнейшей обработки выходного сигнала оптического датчика. При взаимодействии зонда (волоконно-оптического датчика ВОД) с двухфазным потоком из-за различия коэффициентов отражения света от границы раздела ВОД с газом (паром) и, соответственно, с жидкостью имеет место двухуровневая амплитудная модуляция, причем, верхний уровень модуляции соответствует фазе «газ (пар)», нижний - фазе «жидкость». Характерный вид сигнала, возникающий при взаимодействии ВОД с двухфазным потоком, показан на рис.7.

В качестве источника излучения использован суперлюминесцентный диод торцевого излучения с длиной волны излучения 840 им. В качестве приемника излучения использован фотодиод Silicium-PIN, работающий как оптический фотоприемник и преобразующий отраженный свет в электрические сигналы. Сверхнизкое время переключения и высокая световая чувствительность (максимум при длине волны 850 нм) — главное преимущество таких фотодиодов. Для разделения входящего и отраженного света, использован оптический разветвитель (на схеме не показан).

Волоконно-оптический датчик выполнен из многомодового оптического волокна, один конец которого оснащен оптическим ST разъемом для соединения с другими компонентами измерительной системы, а с другой обработан специальным образом для образования чувствительного элемента, взаимодействующего с двухфазным потоком.

В работе представлен разработанный и изготовленный ВОД, предназначенный для измерений в пароводяном потоке высокого давления рис.8. Испытания показали, что ВОД работоспособен при давлении пароводяной смеси до 16,0 МПа и температур потока 340°С. Метод огтгозондирования позволяет определять <р„ в пароводяных потоках высокого давления и может быть использован для определения <р„ в ячейках тепловыделяющих сборок. При определении <р, используются методики обработки сигнала, разработанные применительно к элекгрозондовому методу. Проверка точности метода оптозондирования выполнена на водо-воздушной смеси в условиях барботажного режима, рис.2. Показано, что точность определения р.» методом оптозондирования составляет 3-5% .

В четвертой главе представлены результаты исследований метода теплового зондирования. При исследовании аварийных режимов на крупномасштабных стендах необходимо определять локальные скорости потока в труднодоступных местах установок. Режимные параметры Р = ОД —16,0 МПа, скорость воды FP= 0,1-1 м/с. Метод теплового зондирования с помощью прямого нагрева чувствительного элемента позволяет решить эту задачу.

Из литературы известны системы и датчики для реализации метода теплового зондирования (Короткое П.А., Беляев Д.В., Азимов Р.К., Аеров Р.К., Герцович В А., Кореньков B.C.). Эти системы были разработаны в 60-80 -х годах прошлого столетия. Дальнейшего развития эти системы не получили. В силу ряда ограничений известные системы не позволяют решить поставленную задачу.

В работе представлены результаты разработки метода теплового зондирования с помощью нагретого чувствительного элемента термопары (ТИС — термопарный измеритель скорости). Разработаны:

1. Термопары с прямым нагревом чувствительного элемента, позволяющие получить значительный тепловой поток в месте спая.

2. Измерительная система, позволяющая отделить полезный сигнал, вырабатываемый чувствительным элементом термопары, от сигнала идущего от источника питания и помех в измерительной цепи.

На рис.9 показаны схемы ТИС. В первой схеме спай, рис.9а, образованный термоэлектродами, включен в зону нагрева. Зона нагрева выполнена из провода с большим электрическим сопротивлением (нихром). К зоне нагрева источник питания подключен через подсоединительные провода (выполнены из медных проводов) и узел разводки. Термоэлектроды, образующие спай, через узел разводки и термоэлектродные (компенсационные провода) провода, подключены к измерителю термо-ЭДС. Во второй схеме рис.9б, спай, образованный термоэлектродами, и термоэлектроды, образуют зону нагрева. Зона нагрева к источнику питания подключена через спав (хромель-медь и копель — медь) и подсоединительные провода (выполнены из медных проводов) к узлу разводки, а от него, через подсоединительные провода, к источнику питания. Термоэлектроды образующие спай, через спаи и подсоединительные провода к узлу разводки и термоэлектродные (компенсационные провода) провода, подключены к измерителю термоЭДС. Такие схемные решения позволили обеспечить основное условие необходимое для работы ТИС: электрическое сопротивление зоны нагрева намного больше электрического сопротивления подсоединительных проводов. Выполнение этого условия позволяет локализовать зону нагрева, исключить нагрев ТИС вне зоны нагрева и, соответственно, исключить влияние нагрева на его работоспособность. Разработана схема и изготовлен макет измерительной системы, позволяющей качественно отделить полезный сигнал, вырабатываемый чувствительным элементом ТИС, от сигнала идущего от источника питания и помех в измерительной цепи.

Определение скорости однофазного потока жидкости (газа) с помощью ТИС осуществляется на основе зависимости вида ЛТЧ, = f(W). Зависимость АТН^ = f(\V) определяется на основе уравнения теплового баланса, записанного для ТИС. В стационарном режиме, когда количество тепла, выделенного в зоне нагрева ТИС, равно количеству тепла переданного окружающей среде имеем:

При фиксированном / и слабой зависимости RXH от Т/ #f(t) получим:

(6)

где

Т/- температура жидкости вблизи чувствительного элемента ТИС;

Д,„ — сопротивление зоны нагрева;

I— ток через зону нагрева;

АТч, — разность температур между чувствительным элементом ТИС и температурой жидкости;

IV- скорость жидкости.

Выполнены исследования, направленные на получение функциональной зависимости для ТИС. Исследования выполнены на метрологическом стенде ЭНИЦ. Измерительная схема показана на рис.10. ТИС размещался в горизонтально ориентированном канале нормально потоку, чувствительный элемент находился в центре канала. При проведении опытов варьировались расходы воды через канал и ее температура. Величина теплового потока с поверхности зоны нагрева варьировалась в диапазоне 10-40КВТ/М2. Тепловой поток варьировался путем изменения тока протекающего через зону нагрева. Опытные данные были обработаны в виде критериальной зависимости. В качестве базовой использовалась известная зависимость, полученная в опытах при поперечном обтекании цилиндрических тел:

IV— средняя скорость воды в трубе, м/с. В результате обработки опытных данных найдены постоянные коэффициенты.

Раскрыв (7) получим зависимость скорости потока жидкости (газа) от температурного напора на чувствительном элементе ТИС, физических свойств жидкости (газа) и плотности теплового потока в зоне нагрева.

где i

Рг/~ v/aß - критерий Прандгля

(7)

а - - средний коэффициент теплоотдачи с поверхности зоны нагрева

<*,.„. - средний диаметр зоны нагрева, мм; </,„. = 1 х 10~3, м; Л/ - коэффициент теплопроводности воды, Вт/м-Х;

Re = га*" - критерий Рейнольдса;

^ =_КЧ'Л) V_

... ^' V*' ■ Рг /"1

где и/ = 0,219,/! = 2,73, л2 =0,38

Зависимость (8) справедлива для конкретной исследованной конструкции ТИС.

На рис.11 показана зависимость ЛТ,, = /(Ю для ТИС (нижняя кривая). Как видно, с повышением скорости чувствительность ТИС снижается. Анализ полученной зависимости показал, что для воды измерение возможно в диапазоне скоростей (С = 0,1-2 м/с, для пара на линии насыщения при Р — 0,1 МП а, а также воздуха при Р = 0,1 Мл а, возможный диапазон измеряемых скоростей 1-100 м/с. Точность определения среднерасходной скорости не хуже 3%. В работе рассмотрены подходы, позволяющие повысить чувствительность ТИС и расширить диапазон измеряемых скоростей. Экспериментально показано, что использование насадков позволяет снизить погрешность и повысить чувствительность ТИС. Верхняя кривая на рис.11 показывает экспериментально полученную зависимость ЛТ, , = Д1У) для ТИС с насадком. Благодаря насадку, скорость обтекания чувствительного элемента ТИС уменьшается по сравнению со скоростью основного потока, в результате вид кривой [(Щ изменяется, рис.11.

Использование схемы ТИС, в которой поддерживается разность температур на чувствительном элементе, а тепловой поток (мощность) в зоне нагрева изменяется в

соответствии с изменением скорости (£? =ЯЮ ¿¡Тч.э. — сошг.). позволяет расширить диапазон измеряемых скоростей для воды. На рис. 12 показана зависимость мощности (теплового потока) от скорости для ТИС, работающего по рассмотренной выше схеме. Как видно, из рис. 12, в этом случае диапазон работы ТИС расширяется до 10 м/с.

Определена инерционность ТИС. В зависимости от геометрических размеров чувствительного элемента ТИС инерционность равна 0,1-0,3 с. Малые значения инерционности позволяют рекомендовать ТИС не только для измерения скорости (расхода) в стационарных условиях, но и для аварийных режимах работы установок.

В главе пять рассмотрены подходы, позволяющие на основе данных, полученных методами зондирования, определить истинные и расходные характеристики двухфазного потока.

Горизонтально ориентированные каналы.

Для горизонтально ориентированного канала, в адиабатном гомогенном потоке, известны два значения локального паросодержания и скорости и д>„ - в центре канала (измеренные), на стенке заданные (локальное паросодержание и скорость на стенке равны нулю). Локальное скольжение фаз отсутствует. Профили локального истинного объемного паросодержания <р,(у) и скорости и'(у) аппроксимируем степенными законами:

у. ™

Р.1 А ] И'. I Й )

где Ио и д>о - скорость и истинное объемное паросодержание в центре канала. Средние значения получим путем интегрирования известных профилей (9) по сечению (т =1/2, и= 1/7). В результате получим: среднее по сечению истинное объемное паросодержание:

(р)=0,67^о (Ю)

где <р0 - значение истинного объемного паросодержания в центре канала; Объемное расходное паросодержание:

р = 0,83(р) (11)

Массовое расходное паросодержание:

Х= 1/(1+ (Рр'К\-р)р)) (12)

Плотность смеси:

Р, =¥>/>* + (1-<р)р' (13)

Скорость смеси:

^ = №оО+Х(р'-р')/р-) (14)

Расход смеси:

(15)

ЦГо = в/(р' Б) — скорость циркуляции. В случае, когда расход теплоносителя в канале предварительно не известен (этот случай характерен для линий истечения), скорость смеси может быть определена с помощью электрозондирования, либо с помощью метода теплового зондирования.

Вертикально ориентированные каналы

В вертикальных каналах скорость паровой фазы может значительно отличаться от скорости жидкости. Последнее наряду с неоднородностью распределения фаз и скорости смеси, имеющей место как в горизонтальном, так и в вертикальном канале, вызывает дополнительное различие истинных скоростей фаз и скорости смеси. В работах Лабунцова Д. А и Зубера Н. показано, что одновременный учет распределения параметров по сечению канала и локального скольжения фаз, может

быть выполнен на основе следующей зависимости:

+ ^ {16)

ч>

где АИ' = Ц?' = £/_ - скорость всплытия одиночного пузырька в спокойной жидкости,

В двухфазном потоке при наличии множества пузырей проявляется «коллективный эффект» взаимного увлечения пузырей. В этом случае:

£ = 1,Цр'1р'Уа{1-р1"1рУ (17)

е - поправочный множитель, учитывающий взаимодействие пузырей.

Если Во > 100.

(18)

Если Во < 100 скорость всплытия пузырей определяется по следующей зависимости:

Определим локальную скорость пара Н"' методом электро, либо теплозонди-рования:

Тогда локальная скорость смеси:

(<р), р, X, рж С„, определяем по зависимостям (10-15).

В случае дисперсно-кольцевого режима течения, наиболее полную информацию можно получить с помощью методов отбора. Скорость смеси может бьггь определена с помощью теплового зондирования, скорость капель с помощью электрозондирования.

Двухфазные потоки в условиях теплообмена

В общем случае в диабатных каналах поток может быть неравновесным. Для определения среднего по сечению истинного объемного паросодержания, массового паросодержания, необходимо знать распределение истинного объемного паросодержания и температуры воды по сечению трубы. Такие данные практически отсутствуют. Известные же данные показывают, что в зависимости от режимных параметров и плотности теплового потока, профиль (/И ф, изменяется от седловидного (пар движется в виде узкого кольцевого слоя у стенки канала) до плоского. В связи с этим использование степенных распределений, применяемых для определения распределения <ря по сечению канала в адиабатных потоках, неправомерно. Для получения экспериментальных профилей I, и <рл в области термически неравновесного потока необходимо проводить измерение I, и <рл с помощью зондов, установленных в нескольких точках по радиусу трубы.

и^о^Л^&р/р-

(19)

1Г**г ИЪ-ЛГ

(20)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенных экспериментальных исследований по взаимодействию электрозонда с двухфазным потоком установлено, что на зависимости истинного объемного паросодержания <р, от уровня дискриминации <р, = существует область плато, в пределах которого <р, практически не меняется. Показано, что при выборе 17а в пределах этого участка погрешность определения <рл минимальна. Разработана методика определения истинного объемного паросодержания <ра. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

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

2. 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.

3. Патент России 2186377 MKH3G 0I21N27/06. Способ определения истинного объемного паросодержания / Э.А. Болтенко, Д.Э. Болтенко // Заявка №2001101125 от 16.01.2001. Открытия. Изобретения. 2002. №21.

4. Болтенко Э.А., Шаров В.П., Болтенко Д.Э., Цой В.Р. Определение скоростей однофазного потока жидкости методом теплового зондирования. Тезисы докладов второй всероссийской конференции по проблемам термометрии. « ТЕМПЕРАТУРА 2004». 23-25 марта 2004. Обнинск 2004. С. 80.

5. Болтенко Э.А., Болтенко Д.Э., Кирин H.H., Цой В.Р. Определение характеристик двухфазного пароводяного потока методом электрозондирования. // V Минский международный форум по тепло- и массообмену 24-28 мая, 2004 г. Минск. 2004.

6. Болтенко Д.Э., Кирин H.H., Болтенко ЭА., Цой В.Р. Определение локального истинного паросодержания методом электрозондирования. // ЭНИЦ-2003, Годовой отчет/ Под ред проф. Блинкова В.Н. — Электрогорск: ФГУП «ЭНИЦ», 2004. - 266 с.

7. Патент России 2212669 MKH3G 01Р 5/10. Способ определения скорости потока жидкости /ЭА. Болтенко, В.П. Шаров, Д.Э. Болтенко, В.Р. Цой // Заявка №2002120876 от 06.08.2002. Бюл. 2003. №26.

8. Болтенко Д.Э., Кирин H.H., Болтенко Э.А. Определение характеристик двухфазного потока на основе метода электрозондирования. В сб. докладов 4-ой международной научно-технической конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 23-26 мая 2005 г. Подольск. Россия.

9. Болтенко Э.А., Шаров В.П., Болтенко Д.Э. Кирин H.H., Швец В.Г. Определение теплогидравлических характеристик одно и двухфазных потоков в стендовых и реакторных условиях. В сб. докладов 4-ой международной научно-технической конференции. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 23-26 мая 2005 г. Подольск. Россия.

10. Е. Boltenko, N. Kirin, D. Boltenko, V. Tsoy. Determination of Two-Phase Steam-Water Flow Characteristics By The Electric Probe-Based Method. International Youth Nuclear Congress 2004.9-14 May. Toronto, Canada.

11. E. Boltenko, V. Sharov D. Boltenko. Measurement of Basic Thermal-Hydraulic Characteristics Under The Test Facility and Reactor Conditions. The 11th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-11), Papers Palace Conference Center, Avignon, France, October 2-6,2005.

12. Патент России 2244310 MKH5G 01P 5/10. Способ определения скорости потока ' жидкости /Э_А. Болтенко, В.П. Шаров, П.С. Глазырин, Д.Э. Болтенко, В.Р. Цой // Заявка №2003111858/28 от 24.04.2003. Бюл. 2005. №1.

13. Патент России 2267771 MTOC3G 01N 15/02. Способ определения скорости границы раздела фаз в двухфазном потоке /Э.А. Болтенко, Д.Э. Болтенко // Заявка №2003121648/28 от 17.03.2003. Бюл. 2006. №1.

14. Болтенко Д.Э., Кирин Н.Н., Болтенко Э.А., Шаров В.П. Экспериментальное определение характеристик термопарного измерителя скорости, ТИС // ЭНИЦ-2005, Годовой отчет/ Под ред проф. Блинкова В.Н. - Электрогорск: ФГУП «ЭНИЦ», 2006.

Л Т-

Р ° о о О

ТУТГ "К гти \ ' -

/ ь. ^ 1 Ч 1 1 1 *

Ц. 1 II 1 1 ш 1 111111 тт III 1

Рис. I Упрощенная схема взаимодействия зонда с двухфазным потоком

Пар (гт)

Рис. 2 Устройство для градуировки датчиков 1 — корпус, 2 — перфорированная пластина, 3 —устройство перемещения, 4 — мерная стеклянная трубка, 5 — зонд

& о.е _

0.4

0,2 О-

0.2

0.4

0.6

о,а 1

Рис. 3 Зависимость паро содержания от уровня дискриминации

д*)хфазиый поток

О с. О

—<о>

Рис. 4 Характер взаимодействия зонда с двухфазным потоком. 1 — внутренний электрод; 2 — наружный электрод; 3 — электроизолятор; 4 — межэлектродный промежуток

ч,

20 О т ю 24( ю

Время, сек

( 1

1 ттвртг ■■рЛЛЛс* щашл

2400

Время, сек

| ь;

-Ы- А/ и

(

¡400

Время, сек

Рис. 5 Третья петля на входе в опускной участок. Эксперимент 13.11.2003

Рис. 6 Структурная схема измерительного канала

Дат чик

О < Лг" 1

О О-ч

и.

гг

Рис. 7 Схема взаимодействия двухфазной смеси с волоконно-оптическом зондом

Рис. 8 Конструкция волоконно-оптического датчика

Рве. 9 Термопарный измеритель скорости

(а): 1 — спай; 2 — зона нагрева; 3, 4 — термоэлектроды; 5,6- подсоединительные провода; 7 —узел разводки; 8 — источник питания; 9, 10 — компенсационные провода; 11 — измеритель термо-ЭДС

(б): 1 — спай (хромелъ-копель); 2, 10 — термоэлектродный провод (хромель); 3, 9 — термоэлектродный провод (капель); 4 — спай (хромель — медь); 5 — спай (копель — медь); 6. 8 — подсоединительные провода; 7 —узелразводки; 11 — измеритель термо-ЭДС; 12 — источник питания

Рис. 10 Измерительная схема для экспериментальной проверки ТИС / — источник питания; 2 — амперметр; 3 — ТИС; 4 — блок преобразования и выделения сигнала; 5—милливольтметр; 6 — осциллограф; 7 — персональный компьютер

Рис. 11 Зависимость в°Дгц Р = 0,1 Мпа, 1/= 20 °С

""Ч

4 Л.. -Ю'С

лс

о/ ю 1г1М/с

Рис. 12 Зависимость мощности зоны нагрева ТИС от скорости воды. Р- 0,1МПа,//=20 "С

ЛР № 020713 от 27.04.1998

Подписано к печати / & ( - с'6 г. Формат бумаги 60x84/16

Печать ризограф. Заказ № 3 / Бумага МВ Тираж 100 экз. Печ. л. 1,5 Цена договорная

Отдел множительной техники ИАТЭ 249035, г. Обнинск, Студгородок, 1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата 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 диссертация по физике, 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:

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.

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.

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

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"

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.

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.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Болтенко, Дмитрий Эдуардович, Электрогорск

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.