Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Интенсификация теплообмена воздушных теплообменников аварийного расхолаживания и сухих градирен АЭС с использованием водовоздушного аэрозоля (тумана)

30.09.2019 2019 - №03 Aтомные электростанции

В.М. Пахалуев

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.3.02

УДК: 621.039:532.574

Современные атомные электростанции оснащаются пассивными системами аварийного отвода тепла от оборудования при возникновении аварийных ситуаций к конечному поглотителю (воздуху окружающей среды). При этом интенсивность отвода тепла к воздуху с наружной поверхности теплообменников, обеспечиваемая естественной конвекцией, чрезвычайно мала, что требует создания больших поверхностей теплообмена, применения различного рода интенсификаторов (рифление и оребрение поверхности, высотное размещение и пр.). Интенсивность отвода тепла также сильно зависит от температуры окружающего воздуха (располагаемого температурного напора).

При сооружении атомных электростанций в странах, для которых характерен высокий уровень температуры окружающего воздуха (Иран, Бангладеш, Египет, Саудовская Аравия и пр.), предъявляются дополнительные требования к увеличению поверхностей теплообмена.

Приводятся результаты экспериментального исследования интенсификации теплообмена путем малоэнергоемкой ультразвуковой подачи в охлаждающий воздух сверхмалых частиц жидкости размером (~ 3 мкм). Теплообмен поверхности с потоком обеспечивается тремя физическими эффектами: конвекция, кондуктивный теплообмен и испарение частиц воды.

Последние два эффекта слабо зависят от температуры окружающего воздуха и обеспечивают активный теплосъем в любой ситуации. Исследования проведены с использованием высокоточного калориметра с регулируемым подводом тепла (в интервале от 7800 до 12831 Вт/м2), имитирующим нагретую поверхность в диапазоне чисел Рейнольдса воздушного потока от 2500 до 55000 и расходах жидкости (воды) от 23.39 до 111.68 кг/м-2 ч–1.

Исследования показали, что присутствие тонкораспыленной воды приводит к значительному увеличению передачи тепла по сравнению с использованием только воздушного охлаждения. При фиксированном тепловом потоке энергетическая эффективность увеличивается с ростом концентрации воды, достигая при 111,68 кг м–2 ч–1 значений свыше 600 Вт м–2гр–1, что в 2,8 раза выше, чем при воздушном охлаждении. С целью уточнения оптимальных областей интенсификации возможно применение данной технологии для интенсификации теплообмена к воздуху в сухих градирнях АЭС и ТЭС, используемых в условиях жаркого и резко континентального климата.

Ссылки

  1. Dmitriev S.M., Morozov A.V., Remizov O.V. Passive Core Cooling Systems for Various Types of Nuclear Reactors. N. Novgorod, NGTU Publ., 2013, 77 p. (in Russian).
  2. Zhang Y., Qiu S., Su G., Tian W. Design and transient analyses of emergency passive residual heat removal system of CPR1000. Nuclear Engineering and Design. 2012, v. 242, pp. 247-256.
  3. Maio Vitale Di, Naviglio D., Giannetti A., Manni F. An innovative pool with a passive heat removal system. Energy. 2012, v. 45(1), pp. 296-303.
  4. Mousavian S., D’Auria F., Salehi M. Analysis of natural circulation phenomena in VVER-1000. Nuclear Engineering and Design. 2004, v. 229(1), pp.25-46.
  5. Andrushechko S.A., Afrov A.M., Vasilyev B.Yu., Generalov V.N., Kosourov K.B., Semchenkov Yu.M., Ukraintsev V.F. NPP with VVER%1000 TYPE reactor. From Physical Basics of Exploitation to Evolution Design. Moscow. Logos Publ., 2010, 604 p. (in Russian).
  6. Zvirin Yu. A review of natural circulation loops in PWR and other systems. Nucl. Eng. Design. 1981, v. 67, pp. 203-225.
  7. Safety Assessment Report. Novovoronezh NPP%2 Power Unit No. 1. Chapter 12. Safety Systems. Moscow. JSC Atomenergoproect Publ., 2013, 240 p. (in Russian).
  8. Galiev K., Yaurov S., Goncharov Y., Volnov A. Experience of commissioning of the V-392M reactor plant passive heat removal system. Nuclear Energy and Technology. 2017, v. 3(4), pp. 291-296.
  9. Li X., Gurgenci H., Guan Z., Sun Y. Experimental study of cold inflow effect on a small natural draft dry cooling tower. Applied Thermal Engineering. 2018, v. 128, pp. 762-771.
  10. Yang L.J., Wu X.P., Du X.Z., Yang Y.P. Dimensional characteristics of wind effects on the performance of indirect dry cooling system with vertically arranged heat exchanger bundles. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013, v. 67, pp. 853-866.
  11. Fahmy M., Nabih H. Impact of ambient air temperature and heat load variation on the performance of air-cooled heat exchangers in propane cycles in LNG plants. – Analytical approach. Energy Convers. Manage. 2016, v. 121, pp. 22-35.
  12. Bhatti M., Savery C. Augmentation of Heat Transfer in a Laminar External Gas Boundary Layer by the Vaporization of Suspended Droplets. Journal of Heat Transfer. 1975, v. 97(2), p. 179.
  13. Wataru N., Heikichi K., Shigeki H. Heat transfer from tube banks to air/water mist flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1988, v. 31(2), pp. 449-460.
  14. Wang T., Dhanasekaran T. Calibration of a Computational Model to Predict Mist/Steam Impinging Jets Cooling With an Application to Gas Turbine Blades. Journal of Heat Transfer. 2010, v. 132(12), pp. 122201.
  15. Hayashi Y., Takimoto A., Matsuda O. Heat transfer from tubes in mist flows. Experimental Heat Transfer. 1991, v. 4(4), pp. 291-308.
  16. Hayashi Y., Takimoto A., Matsuda O., Kitagawa T. Study on Mist Cooling for Heat Exchanger: Development of High-Performance Mist-Cooled Heat Transfer Tubes. JSME International Journal. Ser. 2, Fluids Engineering, Heat Transfer, Power, Combustion, Thermophysical Properties. 1990, v. 33(2), pp. 333-339.
  17. Huang X.G., Yang Y.H., Hu P. Experimental study of falling film evaporation in large scale rectangular channel. Annals of Nuclear Energy. 2015, v. 76, pp. 237-242.
  18. Kudo T., Sekiguchi K., Sankoda K., Namiki N., Nii S. Effect of ultrasonic frequency on size distributions of nanosized mist generated by ultrasonic atomization. Ultrasonics Sonochemistry. 2017, v. 37, pp. 16-22.
  19. Allais I., Alvarez G., Flick D. Modeling cooling kinetics of a stack of spheres during mist chilling. Journal of Food Engineering. 2006, v. 72(2), pp. 197-209.
  20. Allais I., Alvarez G. Analysis of heat transfer during mist chilling of a packed bed of spheres simulating foodstuffs. Journal of Food Engineering. 2001, v. 49(1), pp. 37-47.

атомные электростанции аэрозольное охлаждение воздушно-водяной туман концентрация воды интенсификация теплообмена