Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

является использование их в качестве горючего в ракетно-космической и авиационной технике. Таким образом, в связи с возможным применением криогенной техники в различных областях промышленности, особое внимание уделяется разработке оборудования для хранения и транспортировки жидких низкотемпературных продуктов, т.е. возникла острая необходимость в исследовании и моделировании теплообменных процессов, происходящих внутри закрытых емкостей с криогенными средами. Целью данной работы является определение полей течения и температуры в поперечном сечении топливного бака частично заполненного криогенным топливом, как в спокойном состоянии, так и в случае его поворота на заданный угол относительно оси симметрии.

2. Постановка задачи

Рассмотрим горизонтальный цилиндрический бак с радиусом R = 2 м и длинной L = 5 м, не полностью заполненный криогенным топливом до высоты H = 3,2 м. Среда внутри бака неоднородна и поверхность раздела фаз параллельна его оси. Имеется капиллярный сток заданной мощности V0 = 0,8. К внешней поверхности цилиндра подводится равномерный тепловой поток q. Предполагается, что свободная поверхность жидкости является плоской и недеформируемой, трение на ней отсутствует. Внешняя массовая сила k перпендикулярна оси цилиндра (рис. 1). В топливном баке криоагент разделяется на две фазы газообразную и жидкую. Известны теплофизические характеристики оболочки, а также жидкого и газообразного метана. Задана плотность внешнего теплового потока q = 0,5 – 0,8 Вт/м2, равномерно распределенного по поверхности рассматриваемого цилиндра и степень заполнения сосуда жидкостью от 0,6 до 0,9 объема. Начальная температура внутри цилиндра и в его оболочке – 70 К. Заданный промежуток времени поверхность раздела фаз находится в горизонтальном положе-нии. Далее в момент времени Т происходит мгновенный поворот емкости относительно зеркала жидкости на угол и поверхность раздела фаз некоторое время удерживается в таком положении (рис.1). Затем в момент времени Т система возвращается в исходное положение, т.е. рассматривается один такт процесса качания. Угол поворота цилиндра вокруг своей оси принимает значения = 50 - 150.

Рис. 1. Схема рассматриваемого бака с криогенным компонентом жидкости (оригинальный)

Рис. 2. Схема поперечных сечений (оригинальный)

126

момента времени и конкретного сечения. До поворота зеркала жидкости мы определяем поля температуры скоростей и функции тока в каждом из поперечных сечений рассматриваемого бака. С момента поворота начинается пересчет всех параметров задачи в зависимости от величины угла . Система Навье – Стокса в приближении Буссинеска решается с новыми параметрами. После возвращения бака в исходное положение происходит обратный пересчет и снова решается система уравнений.

4. Результаты расчетов

Анализируя картину распределения полей функций тока и температур во времени, можно сделать вывод, что в зоне соприкосновения жидкой фазы с прогретой стенкой газовой области наибольший прогрев происходит на 4 секунде, а максимальная интенсивность течения возникает на 8 секунде после поворота при заданных условиях. В зоне смачивания жидкой фазой «горячей» поверхности газового объема наддува критическое состояние возникает на 12 секунде после поворота, т.е. максимальное распространение прогретой области к центру бака, а также самая высокая интенсивность конвективного движения (рис. 3, 4).

На (рис. 3, 4) видно, что с ростом угла наклона бака относительно горизонтально расположенного зеркала жидкости увеличивается прогрев зон поворота. Это приводит к более интенсивному испарению, повышению давления и температуры, как в жидкой, так и в газообразной областях. Эти факторы нельзя не учитывать, рассматривая вопросы безопасного хранения и транспортировки криогенных жидкостей.

(оригинальный)

Рис. 3. Зависимость относительной температуры от времени при различных углах поворота емкости в зоне смачивания жидкой фазы горячей поверхности газового объема

(оригинальный)

Рис. 4. Зависимость относительной температуры от времени при различных углах поворота емкости в зоне соприкосновения жидкой фазы с прогретой стенкой газовой области

128

5. Заключение

При нагревании закрытой емкости с криогенной жидкостью возникает значительный градиент температур в приграничной области. В газообразной области и в области, приграничной разделу «жидкость – газ». наблюдается более быстрое движение и установление режима прогрева. При повороте бака относительно оси симметрии на заданный угол появляются области повышенного прогрева и более интенсивного конвективного течения, расположенные в зоне смачивания жидкой фазой горячей поверхности газового объема наддува, и в районе соприкосновения жидкой фазы с более прогретой стенкой газовой области. После возвращения бака в исходное положение, происходит локальный прогрев и более интенсивное движение в областях, попадающих в зону обратного поворота емкости относительно горизонтально расположенной жидкости.

Список обозначений:

V0. – скорость вытекания жидкости вдоль линии АВ; U, W – проекции скорости на оси r, ;

p – отклонение давления от статического, Н/м2; Т0 – начальная температура, К;

f1, f2 – проекции внешней силы на оси r, .

– безразмерная температура, определяющаяся соотношением T T0 ; qR

q – плотность внешнего теплового потока ,Вт/м2;

k – массовая сила; – угол поворота емкости относительно горизонтально расположенной поверхности раздела фаз.

Литература

1.Трошин А.Ю. Моделирование процессов тепломассопереноса в замкнутой шарообразной криогенной емкости с изменяющейся цилиндрической вставкой / А.Ю. Трошин, К.Г. Хрипунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012. – Т.8. – № 3. – С. 63 – 66.

2.Миловская Л.С. Численное моделирование теплообмена в емкости с криожидкостью в условиях свободной конвекции и наклона поверхности «Жидкость – газ» / Л.С. Миловская, Богданова М.В., Трошин А.Ю. // Теплоэнергетика: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 1997. – С. 150 – 157.

3.Фалеев В.В., Трошин А.Ю. Особенности теплообмена в баке с криогенной жидкостью / В.В. Фалеев, А.Ю. Трошин // Труды второй Российской национальной конференции по теплообмену. – М., 1998. – Т.8. – С. 94 – 96.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

A.Y. Troshin

MATHEMATICAL SIMULATION OF THERMAL AND HYDRODYNAMIC PROCESSES IN STATIONARY HORIZONTAL CYLINDRICAL TANK AS WELL AS HIS ROTATION BY SET LEVEL ABOUT AN AXIS OF SYMMETRY

Mathematical model and design procedure of flow fields and temperature in cross-section cylindrical part of tank with cryogenic fuel are given in this study

Key words: cryogenic cylindrical tank, convective heat and mass transfer, heat flux, flow and temperature fields distribu-

tion

Fеderal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh

State Technical University»

129

УДК 504.064

Е.В. Усова, О.А. Алѐхина, В.Ю. Дубанин

ВЛИЯНИЕ ГРАДИРЕН НВАЭС НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

Вданной статье рассматриваются технические характеристики башенных испарительных градирен НВАЭС и их влияние на окружающую среду прилегающей территории

Ключевые слова: атомная электростанция, башенная испарительная градирня, климат, ПДК, окружающая среда,

НВАЭС

Всовременном мире проблема изменения глобального климата стоит очень остро. С

середины 70-х годов прошлого века ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.

Климат – это усредненное состояние погоды и он, напротив, стабилен и предсказуем. Климат включает в себя такие показатели как средняя температура, количество осадков, количество солнечных дней и другие переменные, которые могут быть измерены в каком-либо определенном месте. Однако на Земле происходят и такие процессы, которые могут оказывать влияние на климат. Причиной изменения климата являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие как колебания интенсивности солнечного излучения и космические процессы.

С развитием науки и техники всѐ большую роль на изменение климата оказывает антропогенный фактор. Человеческая деятельность направлена на преобразование окружающего нас мира с целью улучшения качества жизни. Энергетика является основой для развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережают темпы развития других отраслей. Одной из главных отраслей нашей промышленности является атомная энергетика. АЭС считаются наиболее экологически безопасными и эффективными станциями. Но даже они влияют на климат и окружающую среду. Поэтому, в данной работе, мною предпринята попытка изменить отношение к проблеме вредного воздействия выброса из испарительных градирен влаги и тепла в атмосферу.

Атомная электростанция вырабатывает огромное количество тепловой энергии, но только примерно одна треть ѐѐ превращается в электрическую (коэффициент полезного действия современных АЭС 34-36 %). Около 2/3 тепловой энергии необходимо утилизировать. Для удаления избыточного тепла используются естественные водоѐмы, находящиеся вблизи АЭС, а также пруды-охладители и градирни.

Для энергоблоков ВВЭР-1200, строящихся по российскому проекту АЭС-2006, на площадке НВАЭС-2 предусматривается оборотная система охлаждения с башенными испарительными градирнями [1-3].

Техническое водоснабжение третьего и четвертого энергоблоков Нововоронежской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием для охлаждения воды семи башенных градирен, 5 блок использует пруд-охладитель наливного типа. Водоем оснащен струенаправляющей дамбой для равномерного распределения нагретой воды по акватории и струераспределительной (водораспределительной) дамбой для повышения охлаждающей способности воды (таблица).

130