Экспериментальные и расчетные обоснования охладительной способности пруда-охладителя Волгодонской АЭС Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.039

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПРУДА-ОХЛАДИТЕЛЯ ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС

© 2010 г. И.А. Бубликов, С.С. Оржеховский

Волгодонский институт (филиал) Volgodonsk Institute (branch)

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Определена зависимость интенсивности испарительного охлаждения от температуры и влажности окружающей среды. Проведены экспериментальные исследования динамики изменения At/тдо стабилизации от горячей воды до температуры окружающей среды. В результате исследований получены новые данные об интенсивности испарительного охлаждения в летне-осенний и зимний периоды времени.

Ключевые слова: система охлаждения; пруд-охладитель; испарительное охлаждение; теплообмен излучением и конвекцией.

The purpose of work is definition of dependence of intensity еevaporation cooling from temperature and humidity of an environment. The task in view was solved by carrying out of experimental researches of dynamics of change At/z вbefore stabilization from hot water up to an ambient temperature. As a result of researches new data about intensity еevaporation are obtained cooling during the years, autumn and winter period of time.

Keywords: cooling system; a pond cooler; cooling by evaporation; heat exchange by radiation and convection.

Охлаждение в водоеме-охладителе происходит в результате соприкосновения воды с воздухом при ее движении как в границах акватории, так и по высоте водяного слоя. Поступающая в больших количествах с нагретой в конденсаторах водой теплота (до 1 миллиона ГДж/сут на крупных ТЭС) отводится в основном путем испарительного охлаждения. Испарительное охлаждение - это тепло-массообмен поверхности с окружающим воздухом.

Охлаждение поверхностных слоев воды происходит за счет отрыва и уноса молекул воды (пара) с поверхности. Каждая молекула, грамм и килограмм испарившейся воды уносит свою собственную удельную энергию парообразования г и 2500 кДж/кг.

Такое охлаждение значительно повышает интенсивность теплообмена между водой и воздухом. Интенсивность испарения пропорциональна разности давления насыщенного пара при температуре поверхности воды и давления пара в прилегающем к жидкости слое воздуха. При небольших давлениях пара в воздухе, что соответствует его малой относительной влажности, предел охлаждения воды может быть относительно ниже температуры воздуха, что является характерным преимуществом испарительных охладителей.

Потребление воды из водоема-охладителя только на охлаждение одного блока АЭС с реактором типа ВВЭР-1000 достигает 5-106м3/сут. Потери воды на испарение зависят от режима работы и времени года и должны составлять 0,5 - 1 %.

Чтобы отвести сбрасываемую в пруд-охладитель мощность от одного блока Q и 2000 МВт только за счет испарительного охлаждения необходимо испарить с его поверхности около 0,069-106м3/сут. (0,8 м3/с) [1].

Этот режим действует в самые жаркие летние месяцы. Дополнительными источниками подводимой теплоты являются: солнечное излучение и более горячий воздух.

Интенсивность испарительного охлаждения определяется влажностью окружающего воздуха, которая в свою очередь устанавливает определенный перепад температур между поверхностью воды и окружающим воздухом.

Уравнение теплового баланса водохранилища-охладителя в условиях установившегося теплового режима, т. е. в случае, когда температура воды в водоеме не зависит от времени:

&хл+ Qизл + Qконв Qисп,

где Qохл - теплота, вносимая энергоблоком, которую необходимо отвести имеющимися возможностями пруда-охладителя, МВт; для блока АЭС с реактором ВВЭР-1000 эта величина составляет 2000 МВт;

Qохл = G0p ср Ы ,

Ы - разность температуры воды, поступающей в водохранилище и уходящей из него, °С; G0 - объемный расход охлаждающей воды, м3/с; при Ы = 8 °С, G0 = = 60 м3/с; р; ср - плотность и теплоемкость воды; при атмосферных условиях р = 970 кг/м3; ср = 4,19 кДж/(кг-К); Qизл - мощность, воспринимаемая прудом-охладителем за счет солнечного излучения, МВт;

Qизл (дизл дал Д ^доп) ^пруда ,

дисп - удельный тепловой поток солнечного излучения, Вт/м2 ; - часть солнечной радиации, отраженная от поверхности воды (альбедо), Вт/м2; Д ддоп - потеря тепла на дополнительное излучение водной поверхно-

сти при подогреве воды до температуры выше естественной, Вт/м2;

бконв - мощность, подводимая летом или отводимая зимой за счет конвективного теплообмена, МВт; это объясняется тем, что летом температура окружающего воздуха выше температуры воды, а в зимний период - наоборот;

бконв ^конв ^пруда ,

дконв - удельный тепловой поток конвективного теплообмена, Вт/м2;

Qисп - мощность, отводимая прудом-охладителем за счет испарительного охлаждения, МВт,

Qисп ^исп ^пруда ,

дисп - удельный тепловой поток испарительного охлаждения; Вт/м2 ; 5Лруда - активная теплообменная поверхность пруда-охладителя, м2; проектное значение активной площади пруда-охладителя Волгодонской АЭС составляет 18 км2, однако эта площадь, как правило, делится на три основных части: активная, пассивная и «мертвая». Их соотношение зависит от направления и скорости ветра. В результате, активная площадь пруда-охладителя может принимать значения от 12 до 15 км2'

Относительный расход циркуляционной воды на 1 м2 активной площади пруда-охладителя при расходе охлаждающей воды 60 м3/с и активной площади 15 км2

G0

g =-= 4 •10~6 м3/м2-с или 0,3456 м3/м2-сут.

^пруда

Максимальный тепловой поток солнечной радиации устанавливается для максимально жарких месяцев лета в результате многолетних наблюдений. Так, по имеющимся данным для 45° широты в РФ максимум теплового потока солнечного излучения приходится на июнь-июль и составляет 376,8 Вт/м2.

Кроме этого, часть солнечной радиации отражается от поверхности воды (альбедо). Доля этой энергии для рассматриваемых условий составляет 0,06, т.е. 22,6 Вт/м2

Потеря тепла на дополнительное излучение водной поверхности при подогреве воды до температуры выше естественной составит:

Лддоп = 48,5(0,086 + 0,001^4Х^ср - ^4),

где ^ - зависит от скорости ветра, м/с; при ю=0 м/с ^=1,05; при ю=5 м/с ^=0; иногда значением ^ можно пренебречь; tе - нормально-естественная температура воды, °С.

Например, при дизл0=376,8 ВТ/м2 отраженный тепловой поток составит 22,6 ВТ/м2, а дополнительное излучение при 4=25°С; ^=28°С составит: Дддоп=16,15 Вт/м2.

В целом удельный тепловой поток излучения в самые жаркие дни июня-июля для 45° северной широты РФ составит:

дизл = 376,8 - 22,6 - 16,15 = 338,0 Вт/м2.

Удельный тепловой поток испарением,

Мкал

м • сут

по Фарфаровскому [2] предлагается определять зависимостью дисп = А(ет - е), где А - коэффициент тепло-

Мкал

отдачи испарением, —-,

м • сут • ммрг.сг.

А = 0,231(1 + 0,135ю200).

При переводе в единицы системы СИ и замене обозначения А на аиспар, Вт/(м2-Па) формула примет вид аиспар =0,085(1 + 0,135-ю200), где ю200 - скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью пруда-охладителя, м/с. Для региона Краснодар-Волгоград среднемесячная скорость ветра в июне от 3,8 до 3,3 м/с, т.е. в среднем юср«3,5 м/с; ет - по Фарфаров-скому указывается как максимальная упругость водяных паров мм. рт. ст.; в принятых в настоящее время терминах это: давление насыщения = парциа-нальное давление = точка росы при температуре воды пруда-охладителя. Зависимость давления насыщения Рх от температуры представлена на рис. 1 а. Она может быть описана эмпирической зависимостью = 21-41'511 + 610. Параметр е обозначен как абсолютная влажность в размерности (мм. рт. ст.). Однако абсолютная влажность измеряется в единицах плотности (мг/м3) или (кг/м3).

Этот параметр в единицах размерности давления (Па) характеризует интенсивность отвода в окружающую среду, образующегося у поверхности воды пара.

У поверхности воды абсолютная влажность равна плотности водяного пара на линии насыщения Рх при 4 - температуре воды. Эта зависимость представлена на рис. 1 б.

Между окружающим воздухом и поверхностью воды существует градиент влажности, который характеризуется перепадом плотностей, толщиной слоя 5, с учетом влияния на процесс переноса ускорения свободного падения g. Таким образом, можно записать:

е =(р! - Влокр )ggC

где Влокр - абсолютная влажность воздуха окружающей среды, кг/м3.

Абсолютную влажность воздуха можно представить через относительную влажность Х, которая определяется путем измерений, в частности, психрометром и взаимосвязана с абсолютной влажностью следующим соотношением:

Х = -

Вл„

-100 или Влокр = Х р, 100.

Заменяя обозначения ет на Рх и е на АРперенос и подставляя полученное соотношение, получим общую формулу для определения удельного теплового потока испарительного охлаждения:

4исп= 0,085(1 + 0,135Ю200)(Р8 - АРперенос),

где АРперенос = р! [ 11" Щ 1 g5сл .

р

P, кПа

P II 0,021 , 1,511 ts

+ 0,61

5 4 3 2 1 0

5 10 15 20 25 30 ts, °С а)

p"s, -104, кг/м3

350 300 250 200 150 100 50 0

p'' s = 0,78 t1 + 48

5 10 15 20 25 30 ts, С

ПеРеНОС будет 0,0357 Па. В сравнении с 4 кПа эта величина незначительна.

В результате этого значение АРперенос очень мало по сравнению с давлением насыщения Рх. Им можно было бы пренебречь, но оно существует как физический процесс, связывающий влажность окружающего воздуха с интенсивностью испарительного охлаждения.

Например, при температуре воды 30°С, толщине слоя 5сл и 0,2 м и относительной влажности Х и 40 % значение ДР, Р, я

Таким образом, в упрощенном виде удельный тепловой поток испарительного охлаждения, Вт/м2, может быть представлен следующей зависимостью:

9исп = 0,085(1 + 0Д35-Ю2оо)Р,.

При указанных скоростях воздуха и температурах воды уровень теплового потока испарением будет принимать значение 500,65 Вт/м2.

Для определения удельного теплового потока конвекцией, Мкал/(м2-сут), у Фарфоровского [2] предлагается использовать следующую эмпирическую формулу:

^онв " - В(^ф -

где В - коэффициент теплоотдачи конвекцией, В -- 0,48-А, что при переводе в систему СИ примет вид

б)

Рис. 1. Зависимости давления насыщения и плотности водяного пара от температуры насыщения (температуры воды у поверхности пруда-охладителя)

В свою очередь относительная влажность связана с температурой окружающей среды ^ и перепадом температур между мокрым и сухим термометрами Лt (рис. 2). Уровень плотности водяного пара при атмосферных условиях принимает очень малые значения и, в зависимости от температуры поверхности воды может быть описан следующей аппроксимацией:

р! = (0,784'7 + 48) 104.

Х, %

Рис. 2. Зависимость относительной влажности от температуры окружающей среды

qKонв= 5,376 (1 + 0,135ю200)№4р -

где 4кр - температура окружающей среды, °С; 4р -средняя температура пруда; ^ - коэффициент, учитывающий изменение температуры по глубине (рассмотрен ранее).

Удельный тепловой поток конвекцией воздуха принимает положительные значения, т.е. нагревает воду летом, поскольку воздух в это время года горячее, чем вода и отрицательное значение (охлаждает воду) - зимой.

В нашем случае режим и интенсивность конвективного теплообмена зависит от:

- скорости ветра над поверхностью воды;

- температурных режимов воздуха и воды;

- волнения воды на поверхности водоема, вызванное, в частности, движением воздуха над поверхностью.

Существует ряд формул, определяющих конвективный теплообмен, Вт/(м2-К), между плоской поверхностью водоема и окружающим воздухом:

- Фарфоровский [2]:

^конв

5,376(1 + 0,135ю200);

- С.С. Кутателадзе [3] для свободной конвекции от горизонтальной поверхности, обращенной вверх, предлагает следующие эмпирические формулы для расчета критерия Нуссельта:

200^а>8-106 ^ № =0,54^а1/4;

Ra>8•106 ^ № -0,15^а1/3;

- П.Л. Кириллов [4] для удельного теплового потока предлагает: q = Хслояек(^ - t2)/8сл, где ек - коэффициент конвекции: при Ra=103^106 ^ ек=0,105^а'

0,3.

при Ra=106^1ö10 ^ ек=0,4^а0,2;

- общая зависимость аконв иногда представляется в виде

от скорости воздуха

, = 5,6 + 4 ю.

Анализ представленных формул показывает:

- формулы Кутателадзе и Кириллова практически совпадают, однако, они не учитывают скорость воздуха над поверхностью;

- при расчете по формуле Фарфаровского, при изменении скорости ветра от 0 до 5 м/с аконв изменяется всего лишь на 5 %, что не соответствует действительности;

- последняя формула из представленных наиболее приемлема; при нулевой скорости она дает значение Оконв = 5,6 Вт/(м2К), соответствующее условиям теплообмена без обдува, и практически совпадает с результатом по формуле Фарфоровского; при слабом обдуве, до 2 м/с получается вполне объяснимое значение на уровне а^ = 13,6 Вт/(м2К).

В этом случае удельный тепловой поток конвекцией qконв=аконв (4ов - 4кр) или qконв= (5,6 + 4-Ю2оо) Дt.

Если принять последнюю формулу за основу для расчета конвективной теплоотдачи, то при различных перепадах температур между окружающим воздухом и водой, получим следующие результаты (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость коэффициента теплоотдачи конвекцией

и удельного теплового потока от скорости ветра и перепада температур

ю200, м/с ^конв, Вт/(м2К) Чконв, Вт/м2; Atmax = 8 C Чконв, Вт/м2; At = 4°C

0 5,6 44,8 22,4

1 9,6 76,8 38,4

3 17,6 140,8 70,4

5 25,6 204,8 102,4

охладителя примет вид At =

k (

PCg

испар

"Чк

"Чи

Используя это уравнение, подставляя в него значения удельных тепловых потоков, получим значение, характеризующее охлаждающую способность пруда-охладителя Волгодонской АЭС в самый напряженный летний период. Это значение для рассматриваемых режимов при скорости ветра 5 м/с составит Д?=3,71°С, а при безветрии Дt = 8,6 °С. Полученные результаты показывают, что в ветреную жаркую погоду пруд-охладитель может не обеспечивать необходимую охлаждающую способность Дt = 8,0 °С.

Для проверки полученных расчетных результатов были проведены экспериментальные исследования.

При проведении экспериментов необходимо было наблюдать совместное действие конвективной теплоотдачи, солнечного излучения и испарительного охлаждения, установить динамику изменения температуры воздуха (окружающей среды) и горячей воды при охлаждении до стабилизации при помощи двух термометров, при этом контролировать относительную влажность воздуха.

В начальный момент (при высокой температуре воды) qконв работает на охлаждение, а при снижении температуры воды ниже температуры окружающей среды работает на нагрев. Графики зависимости t=f(х) для различных сезонов года представлены на рис. 3-6.

t, °С

35 30 25 20 15 10 5 0

^воды

A

ок р

—

At

80 [Г-О М«:' Т, с

а)

, °С 60 50 40 30 -I 20 10 0

I I I I I I I I I

tводы по термометру

t^ по пирометру

At

Как показывают расчеты, зависимости от перепада температур и скорости ветра линейные, хотя зависимость от Дt более существенна.

Общее уравнение охлаждающей способности пруда-

Г. 41 ¡'-п .'4.1 ■■""■и 1.4:11 " то Т, с

б)

Рис. 3. Зависимость температуры времени (лето - осень): а - 10 августа 2008 г. = 37,2 °С; ^ = 30 °С; X = 44 %; а= 520Вт/(м2^К)^ = -5,2 °С; б - 21сентября 2008г. tнaч = = 61,8 °С; tоKp = 21 °С; X = 37%; а=235Вт/(м2^К)^ = -3,3 °С

Общий тепловой поток, Вт/м2, можно определить по изменению средней температуры воды

заданного первоначального объема: qo = Сррвh — и

Дх

Дt

4,16 -10 — h , где h - уровень воды в ванночке, м. Ах

Ч, Вт/м2 10000 8000 6000 4000 2000 О

■

\

август Л Л

—■- ■-■

Т, с

Рис. 4. Зависимость теплового потока от времени

t

t

t,°C

30,00 20,00 10,00 0,00 -10,00

t,°C

>

\

\

4 \

4 ч ^воды

"-окр

0, ;o 1. Ю 1, >0 2, >0 2, ;o з. >0 3, ;o 4, T, ч

t,°C

50 -40 -30 -20 -10 -

At

а)

4.00 Т ч

б)

^воды

^окр

At

Т, с

в)

Рис. 5. Зависимость температуры от времени (зима): а

17 февраля 2009 г. ft

,2

ч= 2,09 °С; At = 1,

4 °С; X = 55 %; а = 705Вт/(м2-К); б - 18 февраля 2009 г. t04,m4= -1,03 °С; At=0,81 °С; X=55 %; а = 350Вт/(м2-К); в - 26 февраля 2009 г. Wmi. = 2,09 °С; At = 2,78 °С; X=43%; а = 450Вт/(м2-К)

qs, Вт/м2 10000

8000

6000

4000

2000

О

\ л\ 17 февраго

26 фев >П.ЧЯ

,18 феврах я

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Т, с

Рис. 6. Зависимость теплового потока от времени Выводы

1. Наиболее напряженными с точки зрения охлаждающей способности для пруда-охладителя являются летние месяцы июнь и июль. В этот период при существующей конструкции пруда он может обеспечить нормальную работу лишь одного блока в безветренную погоду. В самые напряженные дни охлаждающая способность пруда при среднегодовой скорости ветра в этот период 3,5 м/с не превысит 5,2°С, что недостаточно.

2. Существенное влияние на интенсивность конвективной теплоотдачи оказывает скорость ветра над поверхностью воды. Удельный тепловой поток с поверхности воды в стабильном режиме теплообмена может принимать значения от 1,0 до 2,5 кВт/м2

Литература

1. Теловые и атомные электростанции: справочник/под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф.В.М. Зорина. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 644 с.

2. Фарфоровский Б.С., Фарфоровский В.Б. Охладители циркуляционной воды тепловых электростанций. Л.: Энергия, Ленинград. отд-ние,1972. 111 с.

3. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. справочное пособие. М.: Энергоатомиз-дат, 1990. 367 с.

4. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы. 2-е изд., перераб. и доп. / П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков; под общ. ред. П.Л. Кириллова. М.: Энергоатомиздат, 1990. 360 с.

Поступила в редакцию 18 февраля 2010 г.

Бубликов Игорь Альбертович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (8639)22-52-77.

Оржеховский Сергей Сергеевич - студент, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института. Тел. (8639)24-03-88. E-mail: cth18@mail.ru

Bublikov Igor Albertovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8639)22-52-77.

Orjekhovski Sergey Sergeevich - student, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8639)24-03-88. E-mail: cth18@mail.ru_