Исследования явления кавитации в оборудовании второго контура АЭС с реактором типа ВВЭР-1000 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.791

ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

КЛАПАНОВ ТИПА «ДИСК»

© 2010 г. Ю.С. Кузин ОАО «Атоммашэкспорт», г. Волгодонск «Atommashexport», Volgodonsk

Клапаны регулирующего типа «Диск» предназначены для регулирования различных параметров рабочей среды в технологических системах трубопроводов и оборудования АЭС. В настоящей работе анализируются расчетные модели для определения напряженно- деформированного состояния (НДС) клапанов типа «Диск». Размерный ряд клапанов типа «Диск», выпускаемых ОАО «Атоммашэкспорт», довольно широк: от Ду50 до Ду700, давление до 1,6 МПа, температура эксплуатации до 350о С, среда -вода и пар. Расчеты проводились по программе конечно-элементного анализа «ANSYS».

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние; клапан, технологические трубопроводы; форма проходного сечения; эксплуатационные и сейсмические нагрузки; собственная частота; вибростойкость.

Valves of regulating type «Disk» are intended for regulation of various parametres of a working environment in technological systems of pipelines and the atomic power station equipment. In the present work settlement models for definition of tensely - deformed condition (VAT) of valves of type «Disk» are analyzed. A dimensional number of valves of type «the Disk», let out ОАО «Atommashexport» is wide enough: from Du50 to Du700, pressure to 1,6 МПа, working temperature 350" C, environment - water and steam. Calculations were spent under the program of the is final-element analysis «ANSYS».

Keywords: intense-deformed condition; valve; technological pipelines; form of section through passage; calculation; pressure; operational and seismic loadings; own frequencies; vibration strength.

Клапаны регулирующего типа «Диск» предназначены для регулирования различных параметров рабочей среды в технологических системах трубопроводов и оборудования АЭС. Регулирующая арматура в общей номенклатуре энергетической арматуры занимает исключительно важное место, обеспечивая условия нормального функционирования технологических систем трубопроводов и обеспечивает стабильность рабочих параметров системы в номинальных и переходных режимах работы. Условия её работы оказываются весьма сложными, так как при изменении положения регулирующего органа изменяется перепад давления на клапане, форма проходного сечения и скорости среды в проточной части.

В настоящей работе анализируются расчетные модели для определения напряженно- деформированного состояния (НДС) клапанов типа «Диск». Размерный ряд клапанов типа «Диск», выпускаемых ОАО «Атоммашэкспорт», довольно широк: от Ду50 до Ду700, давление до 1,6 МПа, температура эксплуатации до 350°С, среда - вода и пар. Конструкция клапана регулирующего Ду 700 показана на рис. 1.

Опыт эксплуатации данного ряда регулирующих клапанов показал, что начиная с размеров Ду 250 и более, данные клапаны являются более чувствительными к силовым и вибрационным нагрузкам с точки зрения показателей надежности. Поэтому определение НДС клапанов от различных нагрузок и их анализ являются первостепенной задачей конструкторской организации.

оярп t-ion

Рис. 1. Клапан Ду 700

Расчёты проводятся в соответствии с нормами [1], принятыми в атомной энергетике. При выполнении расчета учитываются действующее на клапан давление, усилие затяжки шпилек фланцевого соединения,

усилия на патрубки клапанов от трубопроводов [1 -5], температурные поля.

Согласно [1, 3] клапаны относятся к оборудованию второй категории сейсмостойкости. Поэтому оценка прочности клапанов ведётся при действии нагрузок проектного землетрясения в сочетании с нагрузками, возникающими при нормальных условиях эксплуатации клапана [1].

При расчёте на прочность рассматриваются режимы нормальных условий эксплуатации (НУЭ), режим гидравлического испытания и режим аварийной ситуации (АС), а также совместное действие эксплуатационных и сейсмических нагрузок и вибрационных нагрузок:

1) НУЭ:

- расчётное давление;

- усилие от шпилек при расчётном давлении;

- усилия на патрубки от присоединяемых трубопроводов при НУЭ;

2) «Гидроиспытание»:

- давление при гидравлических испытаниях;

- усилие от шпилек при давлении гидроиспытания;

- усилия на патрубки от присоединяемых трубопроводов при НУЭ;

3) НУЭ+ПЗ:

- расчётное давление;

- усилие от шпилек при расчётном давлении;

- усилия и моменты от совместного действия веса трубопровода и проектного землетрясения;

4) НУЭ+АС:

- расчётное давление;

- усилие от шпилек;

- моменты от совместного воздействия веса трубопровода и реактивной силы при разрыве трубопровода.

Воздействие от присоединяемых трубопроводов на клапаны в расчёте учитывается заданием сил и моментов сил, прикладываемых к патрубкам [3].

В соответствии с НП-068-05 и ТУ 6981-49408847871-07 разрабатываемая арматура должна быть вибростойка в диапазоне частот от 5 до 100 Гц при действии вибрационных нагрузок по двум направлениям с ускорением до 1 g и с амплитудой колебаний до 50 мкм, причем одно из направлений воздействия совпадает с осью трубопровода.

Объем расчетов на вибростойкость:

- определение собственных частот конструкции (модальный анализ);

- расчет от действия синусоидальной нагрузки (гармонический анализ);

- оценка обеспечения вибростойкости.

Расчеты проводились программой конечно-

элементного анализа «ANSYS» [2].

Корпуса арматуры обычно имеют довольно сложную форму. Расчёт НДС клапана проводится по программе конечно-элементного анализа «ANSYS» [2]. Для определения напряжённо-деформированного состояния затвора строится трёхмерная конечно-элементная модель, представляющая собой половину

корпуса клапана, как показано на рис. 2. Элементы корпуса моделируются десятиузловым трёхмерным твердотельным элементом SOLID92, который в каждом узле имеет шесть степеней свободы. Расчёт температур и перепадов температур по толщине конструкции проводится по программе ANSYS [3] методом конечных элементов. Для определения температурных полей для корпуса клапана и крышки клапана строятся две конечно-элементные модели. В качестве конечного элемента используется четырёхгранный тепловой твердотельный элемент SOLID81, который в качестве степени свободы имеет только температуру. Теп-лофизические свойства материалов принимаются согласно [4] и используются в программе расчёта в виде нелинейных функций для режимов «разогрев», «стационар» и «охлаждение».

При определении температурных полей, действующих на элементы конструкции, решается задача теплообмена между элементами клапана и внешней средой, с использованием модуля теплового анализа. Для выбора температурных полей, используемых в расчёте прочности, проводится предварительный анализ влияния температур конструкции на напряжённое состояние и выбираются наиболее опасные моменты времени в температурных режимах.

Электропривод

Золотник

Седло

Стакан

Бугель

Шпиндель Корпус

Патрубок

Рис. 2. Конечно-элементная модель регулирующего клапана Ду 700

Для определения вибронагрузок в качестве расчётного инструмента использовалась программа конечно-элементного анализа «AN£Y£». Строится полномасштабная трёхмерная конечно-элементная модель, представляющая точную конструкцию клапана с приводом в натуральную величину. Элементы клапана моделируются десятиузловым трёхмерным твердотельным элементом SOLID92, который в каждом узле имеет шесть степеней свободы.

Граничные условия - жесткое закрепление конструкции на концах патрубков (аналогично закреплению при эксплуатации).

Рис. 3. Конечно-элементная модель регулирующего клапана Ду 700 для определения вибронагрузок

Модальный анализ используется для определения собственных частот и форм колебаний конструкции. Предполагается, что совершаются свободные незатухающие колебания:

[М]{и''} + [К] {и} = {0}.

В заданном диапазоне 5-100 Гц, первые три собственные частоты клапана Ду 700, показанного на рис. 3, относятся к формам колебания бугеля с приводом и попадают в диапазон 5-100 Гц, что приводит к необходимости расчета НДС клапана от вибронагрузок. Одним из критериев обеспечения вибростойкости является условие отстройки собственных частот колебаний конструкции от дискретных частот детерминированного возбуждения (в нашем случае диапазон 5 - 100 Гц).

Поступила в редакцию

Гармонический анализ используется для нахождения установившейся реакции линейных систем, нагруженных синусоидальными силами. Циклическая нагрузка будет приводить к гармонической реакции механических систем. Расчет выполняется нахождением реакции системы на нескольких частотах и строится график амплитудно-частотной характеристики. Максимум реакции, найденный по графику будет соответствовать и максимуму напряжения в конструкции. Гармонический анализ предназначен для отыскания максимального значения уровней вибрации.

Выводы

1. При проектировании регулирующих клапанов типа «Диск», начиная с размеров Ду 250 и более, необходимо производить расчетные обоснования клапанов с учетом всех приведенных выше нагрузок и методов анализа, особое внимание обращая на вибрационные нагрузки.

2. При современном состоянии программных средств на построение расчетной модели, проведение расчета напряженно-деформированного состояния и его анализ тратится вполне приемлемое время.

Литература

1. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86.

2. Программный комплекс ANSYS, версия 6.0, лицензия 151427, регистрационный номер паспорта аттестации №145 от 31.10.2002.

3. Арматура для оборудования и трубопроводов АЭС. ОТТ-87.

4. Технические условия на арматуру энергетическую, ТУ 6981-137-08847871-04.

5. Технические условия на арматуру энергетическую, ТУ 6981-033-45475812-00.

18 февраля 2010 г.

Кузин Юрий Сергеевич - инженер-конструктор, ОАО «Атоммашэкспорт». Тел. 3-47-07. доб. 165. Cousin Yury Sergeevich - engineer-designer, «Atommashexport». Ph. 3-47-07. add. 165.

УДК 332.1

ВНЕДРЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ КОНРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КАК ИННОВАЦИОННОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

© 2010 г. А.В. Маркулес, ЕС. Молошная

Волгодонский институт (филиал) Volgodonsk Institute (branch)

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Сбережение энергоресурсов в муниципальных и территориальных формированиях являются одной из целей разработки новых управленческих технологий и технических решений на предприятиях электроэнергетики. Приведен анализ структуры и причины электрических потерь — важнейшего показате-

ля экономичности, характеризующего эффективность энергосбытовой деятельности. Дана оценка эффективности использования автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии.

Ключевые слова: ценообразующая отрасль; энергосбережение; увеличение потребления электроэнергии; снижение потерь электроэнергии; система учета; инновационные управленческие решения; практическая реализация; энергосберегающая политика муниципальных образований.

Saving energy in municipal and territorial units is one of the aims of the development of brand- new management technologies and solutions for the electricity companies. There has been held an analysis of the electrical losses structure and causes - the key indicator of profitability, that characterizes the effectiveness of energy retail activities. The assessment of efficiency of the use of automated control system and electricity metering has given.

Keywords: price setting branch; energy-saving; electric power consumption increase; electric power losses decrease; system of account; innovation administrative (management) decisions; practical realization; energy-saving policy of municipal institutions.

Регулирование отношений, возникающих в процессе энергосбережения, в целях эффективного использования энергетических ресурсов страны осуществляется в России в форме энергосберегающей политики государства. Важнейшей задачей является создание и реализация перспективных инновационных проектов, направленных на удовлетворение возрастающих потребностей в электроэнергии предприятий промышленности, сельского хозяйства и социально-бытовой сферы.

Существуют два взаимодополняющих способа решения проблемы: целенаправленная деятельность по снижению потребления энергии и использование альтернативных источников энергии. Снижение потребления энергии может осуществляться как экономией конечными энергопотребителями, так и за счет ликвидации потерь на пути к ним.

Инновационной продукцией здесь могут быть новые управленческие технологии, разработка и внедрение технических решений на отдельных электростанциях и сетях. Главными направлениями инноваций в электроэнергетике в современных условиях являются: совершенствование эффективности парогазового цикла и увеличение на этой основе производства энергии; внедрение экологически чистых технологий на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе; повышение КПД и снижение себестоимости производства энергии на энергетических установках малой мощности, работающих на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии, а также с использованием топливных элементов.

Энергетика - это ведущая ценообразующая отрасль промышленности, которая обеспечивает все другие отрасли, в том числе и жилищно-коммунальное хозяйство электроэнергией и теплом. Потери электроэнергии в электрических сетях - важнейший показатель экономичности их работы, наглядный индикатор состояния системы учета электроэнергии, эффективности энергосбытовой деятельности энергоснабжающих организаций [1].

Разработка мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях требует проведения достаточно достоверной оценки их величин и соответствия нормам. Фактические потери могут быть

разбиты на две укрупненные составляющие, безусловно, связанные между собой: технические и коммерческие потери. Последние обусловлены хищениями электроэнергии, несоответствием между показаниями счетчиков и оплатой за электроэнергию бытовыми потребителями и другими причинами в сфере организации контроля потребления энергии.

Приоритетным направлением снижения технических потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях 0,4 - 35 кВ является более широкое использование устройств автоматического регулирования напряжением под нагрузкой, вольтодоба-вочных трансформаторов, средств местного регулирования напряжения для повышения качества электроэнергии и снижении её потерь [2].

Наиболее перспективным и инновационным решением проблемы снижения коммерческих потерь электроэнергии, для бытовых и промышленных потребителей является разработка, создание и широкое применение автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Это комплекс контрольно-измерительной аппаратуры, коммуникаций связи, ЭВМ и программного обеспечения. Внедрение системы позволит: в разумных интервалах времени собирать в центрах управления все данные о потоках электроэнергии на всех уровнях напряжения; обрабатывать полученные данные таким образом, чтобы обеспечить составление отчётов за потребленную или отпущенную электроэнергию (мощность); анализировать и строить прогнозы по потреблению (генерации); выполнять анализ стоимостных показателей; производить расчеты за электрическую энергию.

Обозначим следующие мероприятия реализации этой цели: 1) в точках учета энергии установить высокоточные средства учета - электрические счетчики, подключенные к сетям высокого напряжения через измерительные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения; 2) цифровые сигналы в современных электронных счетчиках, либо импульсные сигналы в старых счетчиках, передать в так называемые «сумматоры», снабженные памятью; 3) создать систему связи, обеспечивающую дальнейшую передачу информации в местные (на предприятии) и на верхние уровни - сбытовые компании, системному оператору

и т.д.; 4) организовать и оснастить центры обработки информации современными компьютерами и программным обеспечением.

Практическая реализация перечисленных мероприятий требует значительных капиталовложений и времени. По оценкам электрических сетей это позволит уменьшить коммерческие потери электроэнергии максимум на 50 %. Остальные потери - это хищения электроэнергии. Стратегическое направление снижения потерь в сетях - обеспечение нормальной, соответствующей современным требованиям, системы учета электроэнергии, создание АСКУЭ, исключение системы самосписания потребителями показаний приборов учета электроэнергии.

Снижение потерь электроэнергии - один из путей и реальных источников поступления денежных средств, направляемых на развитие электрических сетей, на повышение надежности и качества электроснабжения потребителей, на оплату топлива на электростанциях [3].

Муниципальным органам власти необходимо стимулировать и координировать внедрение АСКУЭ, прежде всего, на энергоемких предприятиях, реализо-вывать сопутствующие инвестиционные проекты.

Энергосберегающая политика на региональном и муниципальном уровнях должна обеспечить: осуществление государственного надзора за эффективным использованием энергетических ресурсов; обязатель-

ность учета производимых или расходуемых энергетических ресурсов юридическими и физическими лицами; сочетание интересов потребителей, поставщиков и производителей энергетических ресурсов; заинтересованность юридических лиц - производителей и поставщиков энергетических ресурсов в энергосбережении.

Реализация государственных программ энергосбережения требует непрерывного освоения и внедрения инновационных технологий в области учета, контроля, стимулирования использования энергосберегающих технологий производства и потребления энергии в муниципальных и территориальных формированиях.

Литература

1. Воротницкий В.Э., Калинкина М.А. Расчет, нормирование и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. М. ИПК госслужбы, 2007.64с.

2. Пятигор В.И. Снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. Динамика, структура, методы анализа и мероприятия (Часть1, Часть2) // Энергосбережение. 2005. № 2.

3. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем / под ред. В.И. Казакова / М.: Энергоатомиздат, Издательство МЭИ. 2003. 218 с.

Поступила в редакцию 18 февраля 2010 г.

Маркулес Александра Витальевна - студент, кафедра «Экономика и управление предприятием», Волгодон-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 88639261463.

Молошная Елена Семеновна - старший преподаватель, кафедра «Электротехника и автоматика», Волгодон-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8(863)9227866.

Markules Alexandra Vitaljevna - student, department «Economy and Management of Business», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 88639261463.

Moloshnaja Elena Semenovna - senior lector, department «Electrical Engineering and Automatics», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(863)9227866.

УДК 629.396.967

ИССЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЕНИЯ КАВИТАЦИИ В ОБОРУДОВАНИИ ВТОРОГО КОНТУРА АЭС С РЕАКТОРОМ ТИПА ВВЭР-1000

© 2010 г. И.А. Бубликов, А.А. Акулиничева, 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)

Целью работы является экспериментальные исследования влияния мощности нагревательного элемента на время кавитации, частоту пульсаций и удельную энергию шума. В результате установлено,

что с увеличением мощности нагревательного элемента снижается время кавитации и частота пульсации, а удельная энергия шума возрастает. Расчетные значения размеров паровых пузырьков совпадают с наблюдаемыми визуально.

Ключевые слова: паровые пузыри; удельная энергия шума; частота колебаний.

The purpose of work is experimental researches of influence of capacity of a heating element for a while cavitation, frequency of pulsations and specific energy of noise. It is a result established that with increase in capacity of a heating element time cavitation decreases and frequency of a pulsation, and specific energy of noise increases. Settlement values of the sizes steam bubbles coincide with observable visually.

Keywords: steam bubbles; specific energy of noise; frequency of fluctuations.

Кавитация - это процесс схлапывания паровых пузырьков, при котором выделяется энергия (удельная энергия парообразования) в виде пульсаций давления или даже гидроударов, способных привести к повреждению или даже разрушению оборудования и трубопроводов. Это явление может возникать в воде, нагретой до параметров насыщения в двух случаях: при изменении температуры потока; при изменении давления потока.

Явление кавитации неизбежно присутствует в оборудовании и трубопроводах любой тепловой станции, в том числе и атомных.

В первом случае пароводяная смесь в состоянии пузырькового или снарядного кипения смешивается с холодной водой. Часть паровых пузырьков (снарядов) схлапывается, создавая пульсации давления и, за счет своей внутренней энергии, нагревает холодную воду до состояния насыщения. Наиболее наглядный пример этого явления - закипание воды в чайнике. Образующиеся у дна паровые пузырьки поднимаются вверх, в холодные слои воды, где схлапываются, поэтому чайник и «шумит». Аналогичное явление происходит в парогенераторе АЭС с реактором ВВЭР-1000, в котором область активного пузырькового кипения межтрубного пространства с параметрами ts = 270°С подается питательная вода, имеющая t = 240°С. Также как и чайник, парогенератор «шумит», вызывая пульсации давления в межтрубном пространстве. Это становится дополнительным источником колебания трубчатки и может приводить к снижению ее надежности.

Во втором случае явление кавитации может возникать в потоке воды, нагретой до состояния, близкого к насыщению:

- резкое уменьшение проходного сечения трубопровода или поворот трубопровода, в котором происходит деформация турбулентного ядра потока, с образованием зон завихрения и пониженного давления, при этом согласно уравнения Бернулли происходит увеличение скорости и динамической составляющей потока, а следовательно, уменьшение статического давления; давление может стать меньше Р5 и в воде произойдет образование пара в виде пузырьков;

- снижение давления воды на всасе насосов, сопровождающееся образованием пара и схлапывание пузырьков пара в насосе при повышении давления,

что приводит к эрозионному износу рабочего колеса и внутренних полостей насоса.

Рассмотрим точки наиболее вероятного появления кавитации на примере атомной станции с реактором типа ВВЭР-1000 (Волгодонская АЭС и др.). Принципиальная тепловая схема представлена на рис. 1.

7

Рис. 1. Принципиальная схема второго контура АЭС с реактором ВВЭР: ЦВД - цилиндр высокого давления турбины; ЦНД - цилиндр низкого давления турбины; СПП - сепаратор-пароперегреватель; К - конденсатор турбины; КН1 -конденсатный насос первого подъема; БОУ - блочная очистительная установка; КН2 - конденсатный насос второго подъема; ПНД - подогреватель низкого давления; ТПН -турбопитательный насос; ПВД - подогреватель высокого давления

Любой термодинамический цикл состоит из отдельных процессов. Эти процессы представляются на Т-S диаграмме (рис. 2) и реализуются в реальной тепловой машине в различном оборудовании тепловой схемы, в нашем случае, атомной станции. Рассмотрим основные процессы и оборудование, в которых они происходят.

Исходный конденсат с параметрами в точке 1 после конденсатора турбины, имея низкое давление (ниже атмосферного), должен быть сжат до давления выше атмосферного для дальнейшего движения по трубопроводам. Это производится в конденсатных насосах первого и второго подъемов (процесс сжатия конденсата, точки 1 - 2). При низком давлении и насосах КН1 возможно появление кавитации.

В ПНД конденсат нагревается по кривой 2 - 3 до левой части пограничной кривой Т- S диаграммы, т.е.

до линии насыщения. Конденсат с параметрами точки 3 попадает в деаэратор. В трубопроводах конденсата до и после деаэратора возможно появление кавитации.

Деаэратор в структуре станции располагается на максимальной высоте для того, чтобы создать подпор водяного столба конденсата на входе в питательные насосы (турбопитательные насосы - ТПН для АЭС с ВВЭР-1000). После деаэратора конденсат, имеющий параметры насыщения в точке 3, необходимо сжать для дальнейшего подогрева и подачи в парогенератор. Процесс сжатия конденсата (прямая 3 - 4) происходит в питательном насосе, причем этот насос значительно поднимает давление конденсата (в 6 - 7 раз), от 1 до 6 - 7 МПа за счет того, что имеет многоступенчатую конструкцию.

Т, °С

373

^пв

№ эксп. Q, Вт Ткав, с Imax, Вт/м2 v, Гц

1 617 640 1,E-05 1240/1132/961

2 504 721 1,E-06 2189/2145/1667

3 390 1011 1,E-08 2338/2205/1079

4 250 1824 1,E-012 2806/2419/1538

5 120 4505 1,E-013 2034/1609/1817

S

Рис. 2. (Т-S) диаграмма термодинамического цикла АЭС с реактором ВВЭР: ts к - температура насыщения в конденсаторе турбины (Р, - 2,3 - 4,2 КПа; 4 - 25 - 35°С); ^ с - температура насыщении пара в деаэраторе р - 1 МПа; 4 -- 180°С); ts кп - температуре насыщения при кипении воды в парогенераторе (Р, - 6 МПа; 4 - 270°С)

Далее конденсат направляется в парогенератор. В существующей конструкции парогенератора испаритель и экономайзер совмещены. Это означает, что питательная вода подводится в парогенератор непосредственно в зону пузырькового кипения, при этом часть паровых пузырьков схлапывается, отдавая свою энергию на нагрев питательной воды до состояния насыщения.

Таким образом, в представленной схеме появление кавитации возможно или существует в следующих элементах:

- парогенератор, в котором кавитация существует при нормальном режиме эксплуатации (в пароводяную смесь с ^ = 270 °С подается питательная вода, имеющая t = 240 °С):

- всас насоса КН1, который после конденсатора турбины перекачивает конденсат, имеющий параметры, близкие к насыщению ((Р, - 2,3 - 4,2 КПа; ts - 20 -30 °С));

- подводящие и отводящие трубопроводы конденсата деаэратора (Р, = 1,0 МПа, - 180 °С);

- всас турбопитательного насоса (ТПН). Целью экспериментальных исследований являлось определение степени влияния выделяемой тепловой мощности на время кавитации в замкнутом объеме, на удельную энергию шума и его частоту. Результаты экспериментальных измерений представлены на рис. 3 и в табл. 1.

а)

б)

Рис. 3. Зависимость времени кавитации от тепловой мощности; пример при 616,98 ВТ: а - в реальном времени; б - раздвинутая на начальной фазе

Таблица 1

Результаты измерений

№ эксп.

Q, Вт

617

504

390

250

120

640

721

1011

1824

4505

1,E-05

1,E-06

1,E-08

1,E-012

1,E-013

v, Гц

1240/1132/961

2189/2145/1667

2338/2205/1079

2806/2419/1538

2034/1609/1817

Исходя из полученных экспериментальных данных, строим обобщающие графики (рис. 4).

Подводимая тепловая энергия идет на образование паровых пузырей у дна, которые сразу схлапыва-ются:

Q = •

т

пар

где тпар - масса образующегося пара, кг;

t

t

Imax, ВТ/М

Т_____ с

1

2

3

4

5

т

m

V n

= vnap snap n = ^

пар ' пар^пар'

^пар

г - удельная энергия парообразования, кДж/кг; т -время кавитации, т.е. период, за который процесс закипания от «шума» доходит до кипения во всем объеме, с; рпар - плотность пара, кг/м3; ипар - удельный объем пара, м /кг; Vпар - объем образующегося парового пузырька, м3; Утр = 1 ^пар ; V - частота схлапы-

т- п

вания, 1ц; V = — .

т

Из приведенных формул следует, что диаметр парового пузырька в зависимости от частоты шума, мощности нагревателя и времени кавитации:

d = 3

ПТУ

г)

Рис. 4. Зависимость от мощности нагревателя: а - времени кавитации; б - удельной энергии шума; в - частоты пульсации; г - частоты пульсации от времени кавитации —♦— -

0,617 МВт/м3; -

-♦-- 0,25 МВт/м3; —•--0,12 МВт/м

- - 0,504 МВт/м3; ■

,3

- 0,39 МВт/м3;

3

Рис. 5. Результаты визуальных наблюдений

При атмосферном давлении удельная энергия парообразования составяет 2256,5 кДж/кг, мощность нагревателя в экспериментах изменялась от 617 до 120 Вт, при этом измеренная частота кавитации принимала значения от 2806 до 961 Гц, что соответствует диаметру паровых пузырьков от 7,5 мм до 3.3 мм.

Выводы

1. С увеличением мощности наревательного элемента - снижается время кавитации и частота пульсации, а удельная энергия шума возрастает.

2. Частота шума за время кавитации не постоянна, а, как правило, снижается за время кавитации примерно в 1,3 раза.

3. Визуальные наблюдения показывают (рис. 5), что паровые пузыри образуются на дне, т.е. на источнике теплоты и имеют диаметр 5-7 мм. Расчетный размер паровых пузырьков в закипающем объеме в зависимости от мощности составляет от 3.3 до 7,5 мм, что соответствует визуальным наблюдениям.

Литература

1. Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции. М.:

Высшая школа, 1982. 264 с.

2. Тепловые и атомные электростанции: справочник/под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Коименко и проф В.М. Зорина. 3-е изд., перераб. И доп. М.: Издательство МЭИ, 2003. 644 с.

Поступила в редакцию 18 февраля 2010 г.

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

Акулиничева Анна Алексеевна - студентка, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института.

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

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.

Aculinicheva Anna Alekseevna - student, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University

Orjekhovski Sergey Sergeevich - student, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University. Ph. (8639)24-03-88. E-mail: [email protected]_