СПОСОБ ПРИБЛИЖЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В НАТУРНОЙ УСТАНОВКЕ
METHOD OF APPROXIMATING TEMPERATURE FIELD OF WORKING MEDIUM IN FULL-SIZED INSTALLATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении поля температуры рабочей среды в натурных установках, например в проточных частях теплообменников и реакторов ЯЭУ.
Известен способ исследования перемешивания теплоносителя в проточных частях коллекторных систем [Габрианович Б.Н., Дельнов В.Н. Исследование перемешивания теплоносителя в раздающих коллекторных системах быстрых реакторов и ВВЭР / Атомная энергия. Т.77. Вып.5. Ноябрь 1994 г. С.340-344].
Способ включает впуск трассера в поток воздуха в проточную часть рабочего участка через один из входных патрубков и регистрацию концентрации трассера на выходе из проточной части экспериментального участка с помощью проградуированного течеискателя.
Недостатки известного способа состоят в следующем:
- отсутствует соотношение, позволяющее осуществить пересчет относительных концентраций трассера в значения температуры;
- не предусмотрена возможность для определения иных (произвольных) полей температуры рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки без проведения дополнительных исследований на рабочем участке;
- не учитываются локальные физические свойства рабочей среды в проточной части натурной установки и рабочем участке.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ определения полей температуры в проточной части рабочего участка, рассмотренный в работе [Левченко Ю.Д. Гидродинамика каналов теплообменного оборудования ядерных энергетических установок // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. ГНЦ РФ-ФЭИ, Обнинск, 1991 г., 526 с. Раздел 2.4. Гидродинамическое моделирование коллектора ядерного реактора ВГ-400. С.88-99].
Известный способ включает непрерывный и одновременный ввод газообразного трассера на всех выделенных элементарных площадках входного сечения в изотермический поток воздуха, отбор пробы из потока воздуха на выходе из проточной части экспериментального участка, подачу отобранной пробы в систему анализа пробы, анализ отобранной пробы, определение концентрации трассера в воздушном потоке, определение локальной температуры в проточной части натурной установки по приближенным соотношениям, связывающим между собой локальную температуру теплоносителя на выходе из проточной части натурной установки с относительной концентрацией трассера в воздушном потоке проточной части рабочего участка, максимальной и минимальной температурами потока на входе в проточную часть натурной установки.
Недостатками известного способа являются:
- относительно высокая трудоемкость определения температуры рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки, связанная с необходимостью одновременного ввода трассера в характерные точки на входе в проточную часть рабочего участка с заданной концентрацией (расходом) трассера в них;
- ограниченная область получения данных для анализа различных типов полей температуры на входе в проточную часть натурной установки;
- отсутствие возможности определения иных (произвольных) полей температуры рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки без проведения дополнительных исследований на рабочем участке;
- отсутствие учета локальных физических свойств рабочей среды в проточных частях натурной установки и рабочего участка;
- относительно низкая точность определения поля температуры на выходе из проточной части натурной установки из-за значительного усложнения конструкций устройств, применяемых по известному способу определения температуры для одновременного ввода трассера во все характерные участки входного сечения рабочего участка и в связи с этим возможным возмущающим влиянием устройств ввода на поле скоростей и возможным взаимным влиянием линий подвода трассера при экспериментальном подборе необходимого поля его концентраций.
Предложенный способ позволяет исключить указанные недостатки, а именно:
- учесть влияние физических свойств рабочей среды в проточных частях натурной установки и рабочего участка на определяемое поле температуры на выходе из проточной части натурной установки;
- получить поле температуры на выходе из проточной части натурной установки при различных полях температуры на входе в ее проточную часть без проведения дополнительных испытаний рабочего участка;
- более точно воспроизводить на входе в проточную часть рабочего участка поле локальных расходов трассера, соответствующее полю локальных тепловых потоков в натурной рабочей среде на входе в проточную часть натурной установки.
Для исключения указанных недостатков в способе приближенного определения поля температуры рабочей среды в натурной установке, включающем непрерывный впуск газообразного трассера в поток воздуха на входе в проточную часть рабочего участка, отбор пробы из потока воздуха на выходе из проточной части рабочего участка, подачу отобранной пробы в систему анализа пробы, анализ отобранной пробы, измерение концентрации трассера в воздушном потоке на выходе из проточной части рабочего участка, определение локальной температуры рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки по приближенному соотношению предлагается:
- задавать произвольное значение размерного коэффициента пропорциональности, представляющего собой отношение полного теплового потока на входе в проточную часть натурной установки к технологически возможному полному массовому расходу трассера на входе в проточную часть рабочего участка;
- определять необходимые локальные массовые расходы трассера в рабочей среде через каждую элементарную площадку на входе проточной части рабочего участка;
- трассер с произвольно заданным локальным массовым расходом поочередно впускать в каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка;
- измерять локальные концентрации трассера на выходе из проточной части рабочего участка, соответствующие впуску трассера в различные элементарные площадки на входе в проточную часть рабочего участка;
- измеренные локальные концентрации трассера на выходе из проточной части рабочего участка, соответствующие различным местам впуска трассера на входе в проточную часть рабочего участка, нормировать путем умножения на коэффициент, равный отношению необходимого и произвольно заданного расходов трассера через элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка;
- нормированные локальные концентрации трассера, относящиеся к каждой характерной точке на выходе из проточной части рабочего участка, просуммировать и получить результирующие локальные концентрации трассера в элементарной площадке на выходе из проточной части рабочего участка;
- искомую локальную температуру рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки определять по приближенному соотношению, учитывающему линейный масштаб проточной части рабочего участка по отношению к проточной части натурной установки, полный тепловой поток на входе в натурную установку, технологически возможный полный массовый расход трассера на входе в проточную часть рабочего участка, результирующую локальную нормированную концентрацию трассера в элементарной площадке на выходе из рабочего участка, удельную теплоемкость, плотность и среднюю скорость рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки, плотность и среднюю скорость рабочей среды на выходе из проточной части рабочего участка.
В частных случаях реализации способа предлагается следующее:
- полный тепловой поток на входе в проточную часть натурной установки определять по соотношению, учитывающему удельную теплоемкость рабочей среды при ее средней температуре, полный массовый расход и среднюю температуру рабочей среды;
- необходимый локальный массовый расход трассера в рабочей среде через каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка определять по соотношению, учитывающему технологически возможный полный массовый расход трассера на входе в проточную часть рабочего участка, полный тепловой поток на входе в проточную часть натурной установки, удельную теплоемкость, плотность, скорость и температуру рабочей среды в элементарной площадке на входе в проточную часть натурной установки, а также площадь данной элементарной площадки;
- в качестве трассера использовать газообразный галоидный трассер или газообразный углеводород;
- локальную скорость рабочей среды на входе в проточную часть рабочего участка и (или) на выходе из него определять экспериментально, в результате расчетов и (или) задавать в виде постоянного значения;
- поле температур на входе в проточную часть натурной установки определять в результате расчетов или задавать в виде исходных данных;
- подобие полей скорости рабочей среды на входе в проточную часть и на выходе из проточной части рабочего участка и натурной установки обеспечивать за счет геометрического подобия их проточных частей или путем воздействия на поток устройствами, например направляющими устройствами, решетками;
- при подводе трассера в поток рабочей среды рабочего участка массовый расход трассера поддерживать постоянным на произвольном уровне, достаточным для получения поля измеряемых концентраций на выходе из проточной части с определимой погрешностью.
Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей способа, повышении точности, снижении себестоимости и трудоемкости определения поля температуры на выходе из проточной части натурной установки.
Способ приближенного определения поля температуры рабочей среды в натурной установке заключается в следующем.
Задают произвольное значение размерного коэффициента пропорциональности, представляющего собой отношение полного теплового потока на входе в проточную часть натурной установки к технологически возможному полному массовому расходу трассера на входе в проточную часть рабочего участка.
Определяют необходимые локальные массовые расходы трассера в рабочей среде через каждую элементарную площадку на входе проточной части рабочего участка.
В поток воздуха в каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка непрерывно и поочередно впускают трассер с произвольно заданным локальным массовым расходом.
На выходе из проточной части рабочего участка из потока воздуха отбирают пробу, подают ее в систему анализа пробы, анализируют отобранную пробу и измеряют локальные концентрации трассера, соответствующие впуску трассера в различные элементарные площадки на входе в проточную часть рабочего участка.
Измеренные локальные концентрации трассера на выходе из проточной части рабочего участка, соответствующие различным местам впуска трассера на входе в проточную часть рабочего участка, нормируют путем умножения на нормировочный коэффициент, равный отношению необходимого и произвольно заданного расходов трассера через элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка.
Нормированные локальные концентрации трассера, относящиеся к каждой характерной точке на выходе из проточной части рабочего участка, суммируют и получают результирующую локальную концентрацию трассера в элементарной площадке на выходе из проточной части рабочего участка.
Искомую локальную температуру рабочей среды в каждой характерной точке на выходе из проточной части натурной установки определяют по приближенному соотношению
р
3
где Т - искомая локальная температура рабочей среды, К; А - линейный масштаб проточной части рабочего участка по отношению к проточной части натурной установки; Q - полный тепловой поток, Дж; G - технологически возможный полный массовый расход трассера, кг/с;  - результирующая локальная нормированная концентрация трассера; с - удельная теплоемкость рабочей среды, Дж/(кг·К); ρ - плотность рабочей среды, кг/м; W - средняя скорость рабочей среды, м/с; верхние индексы «н» и «р» соответствуют натурной установке и рабочему участку; нижние индексы «1» и «2» соответствуют характеристикам рабочей среды на входе и выходе проточных частей натурной установки и рабочего участка; нижние индексы «i» и «j» соответствуют номерам элементарных площадок на входе в проточную часть рабочего участка и номерам элементарных площадок на выходе из проточных частей рабочего участка и натурной установки.
Частные случаи реализации способа заключаются в следующем.
Полный тепловой поток на входе в проточную часть натурной установки задают в виде исходного параметра или определяют по соотношению
р
где Q - полный тепловой поток, Дж/с; с - удельная теплоемкость рабочей среды при ее средней температуре, Дж/(кг·К), М - полный массовый расход, кг/с; Т - средняя температура рабочей среды, К; верхний индекс «н» соответствует натурной установке; нижний индекс «1» соответствует рабочей среде натурной установки.
Необходимый локальный массовый расход трассера в рабочей среде через каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка определяют по соотношению
р
3
2
где  - необходимый локальный массовый расход трассера через элементарную площадку на входе проточную часть рабочего участка, кг/с; Q - полный тепловой поток, Дж/с; G - полный массовый расход трассера, кг/с; с - удельная теплоемкость рабочей среды, Дж/(кг·К); ρ - плотность рабочей среды, кг/м; W - локальная скорость рабочей среды, м/с; Т - локальная температура рабочей среды, К; Δs - площадь элементарной площадки, м; верхние индексы «н» и «р» соответствуют натурной установке и рабочему участку; нижний индекс «1» соответствует характеристикам рабочей среды на входе проточных частей натурной установки и рабочего участка.
В качестве трассера используют газообразный галоидный трассер или газообразный углеводород.
Локальную скорость рабочей среды на входе в проточную часть рабочего участка и (или) на выходе из него определяют экспериментально, в результате расчетов и (или) задают в виде постоянного значения.
Поле температур на входе в проточную часть натурной установки определяют в результате расчетов или задают в виде исходных данных.
Подобие полей скорости рабочей среды на входе в проточную часть и на выходе из проточной части рабочего участка и натурной установки обеспечивают за счет геометрического подобия их проточных частей или путем воздействия на поток устройствами, например направляющими устройствами, решетками.
При подводе трассера в поток рабочей среды рабочего участка массовый расход трассера поддерживают постоянным на произвольном уровне, достаточным для получения поля измеряемых концентраций на выходе из проточной части с определимой погрешностью.
Пример конкретного осуществления способа.
Характеристики натурной установки
Натурная установка - высокотемпературный газовый реактор (ВТГР). Сборный коллектор ВТГР включает решетку нижнего отражателя, элементы затенения проточной части сборного коллектора и четыре отводных патрубка.
Характеристики проточной части натурной установки: ; ;
2
2
,  - проходные сечения на входе в проточную часть и на выходе проточной части натурной установки соответственно, м. Выход проточной части - 4 выходных патрубка с проходными сечениями 1×1,4 м каждый.
Исходные данные по рабочей среде натурной установки:
н
М=340 кг/с (полный массовый расход гелия); ; ; .
Полный тепловой поток через проточную часть сборного коллектора определяли по соотношению (2). В результате расчета получили:
Среднюю скорость потока гелия на входе в сборный коллектор определяли по формуле . В результате расчета получили: .
Среднюю скорость потока гелия на выходе из сборного коллектора определяли по формуле . В результате расчета получили: .
Истечение гелия из сборного коллектора СВБР осуществляется через 4 выходных патрубка.
На фиг.1 представлен радиальный профиль температуры во входном сечении проточной части сборного коллектора ВТГР, на фиг.2 - радиальный профиль относительной скорости во входном сечении проточной части сборного коллектора ВТГР, где r - радиальная координата, R - максимальный радиус входного сечения сборного коллектора. На фиг.3 дан профиль относительной скорости по высоте (снизу вверх) сечения выходного патрубка проточной части сборного коллектора ВТГР. На фиг.1-3 обозначение <W> соответствует средней скорости потока рабочей среды.
Характеристики рабочего участка
Проточная часть рабочего участка выполнена геометрически подобной проточной части сборного коллектора ВТГР в масштабе 1:5. Соответственно этому в формуле (1) коэффициент A=0,2. .
p
Характеристика рабочей среды в проточной части рабочего участка: ; М=5,75 кг/с (массовый расход воздуха).
Среднюю скорость потока воздуха на выходе из проточной части рабочего участка определяли по формуле . В результате расчета получили: .
Рабочая среда - воздух. Газообразный трассер - пропан.
Температура воздуха в рабочем участке поддерживалась постоянной в технологически приемлемом диапазоне, чтобы не учитывать влияние температуры на плотность воздуха.
Профиль относительной скорости во входном сечении проточной части рабочего участка, одинаковый с представленным на фиг.2, создавался с помощью профилирующей решетки.
Развитое турбулентное течение и геометрическое подобие проточных частей натурного коллектора и рабочего участка обеспечивали одинаковые профили относительных скоростей гелия и воздуха в выходных патрубках. Влияние естественной конвекции на профиль скорости в проточной части натурного коллектора пренебрежимо мало.
Реализация способа приближенного определения поля температуры
Количество элементарных площадок, на которые разделялись входные сечения сборного коллектора натурной установки и рабочего участка, равнялось 5×6=30. Из них 5 площадок в радиальном направлении, 6 - по азимуту. При этом радиус делился на 5 равных частей, углы в азимутальном направлении являлись одинаковыми и равными π/3.
План сборного коллектора ВТГР и схема расположения элементарных площадок на входе в проточную часть натурного установки даны на фиг.4.
-4
Технологически возможный полный массовый расход трассера - пропана через все элементарные площадки рабочего участка задавали равным . Этот расход пропана был достаточным при использовании баллона со сжиженным газом без перезарядки в течение всего испытания рабочего участка и соответствовал получаемой средней массовой концентрации пропана в потоке воздуха в рабочем участке на уровне 10. Этот уровень концентраций пропана находится в диапазоне концентраций, измеряемых газовым хроматографом Модели 3700.
Значение отношения полного теплового потока на входе в проточную часть сборного коллектора ВТГР к полному массовому расходу пропана на входе в проточную часть рабочего участка, которое является размерным коэффициентом пропорциональности при определении необходимых локальных массовых расходов трассера в рабочей среде через каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка, равнялось .
Необходимый локальный массовый расход трассера в рабочей среде через каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка, представленный в таблице 1, определяли по соотношению (3) с использованием исходных данных, представленных на фиг.1-3:
В таблице 1 соотношение необходимого и произвольно заданного расхода трассера  является нормирующим коэффициентом при . Массовый расход трассера через каждую из элементарных площадок поддерживался постоянным во времени.
При расчете элементарных площадок  учитывалось затеснение проходного входного сечения коллектора опорными колоннами и выгрузочными трубами.
Массовый расход воздуха на входе в проточную часть рабочего участка и на выходе из него обеспечивали постоянным во времени.
Измерение концентрации пропана в потоке воздуха выполняли газовым хроматографом.
В поток воздуха в каждую элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка непрерывно и поочередно впускали пропан с произвольно заданным локальным массовым расходом. В данном примере реализации способа уровень массового расхода пропана через каждую из элементарных площадок задавался одинаковым и равным . Увеличенный расход пропана выбирали для повышения точности измерения концентраций пропана в потоке воздуха в рабочем участке.
В характерных точках поперечного сечения на выходе из проточной части рабочего участка из потока воздуха отбирали пробу, подавали ее в систему анализа пробы, анализировали отобранную пробу и измеряли локальные концентрации пропана с помощью газового хроматографа, соответствовавшие впуску трассера в различные элементарные площадки на входе в проточную часть рабочего участка.
Характерными точками на выходе из проточной части сборного коллектора ВТГР являлись точки в нижней и верхней частях патрубков с координатами у/Н=0,05 и у/Н=0,95. Здесь координата "у" отсчитывалась от нижней поверхности патрубка вверх по высоте "H". По температурам в этих точках можно судить о степени перемешивания теплоносителя в сборном коллекторе ВТГР. В данном примере из-за симметрии в плане проточной части сборного коллектора и одинаковости выходных патрубков описываются результаты измерений концентраций пропана в характерных точках 3-го патрубка (см. фиг.4).
Измеренные локальные концентрации пропана на выходе из проточной части рабочего участка, соответствующие различным местам впуска пропана на входе в проточную часть рабочего участка, нормировали путем умножения на нормировочный коэффициент, равный отношению необходимого и произвольно заданного расходов пропана через элементарную площадку на входе в проточную часть рабочего участка.
Нормированные измеренные локальные концентрации пропана в характерных точках 3-го выходного патрубка даны в таблице 2. Из-за симметрии геометрии рабочего участка значения измеренных локальных концентраций пропана, полученные от ввода трассера в симметричные элементарные площадки, усреднялись.
Нормированные локальные концентрации пропана, относящиеся к каждой характерной точке на выходе из проточной части рабочего участка, суммировались и определялись результирующие локальные нормированные концентрации пропана в элементарной площадке на выходе из проточной части рабочего участка.
Таблица 2Значения локальных нормированных концентраций пропана в характерных точках патрубка №3 рабочего участка
№ п/п
i
<img file="00000029.tif" he="8" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000030.tif" he="8" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
51, 56
0
0
2
41, 46
0
0
3
31, 36
0
0
4
21, 26
6,69
4,96
5
11, 16
4,53
3,36
6
12, 15
9,03
6,69
7
22, 25
15,5
11,5
8
32, 35
2,82
2,09
9
42, 45
1,89
1,40
10
52, 55
0
0
11
13, 14
11,3
8,37
12
23, 24
44,6
33,0
13
33, 34
70,5
52,2
14
43, 44
131
87,2
15
53, 54
281
208
В выходных патрубках натурной установки и рабочего участка поля относительных скоростей рабочей среды одинаковы. Искомую локальную температуру рабочей среды на выходе из проточной части натурной установки определяли по приближенному соотношению (1). В результате расчета получили:
В таблице 2 приведены результирующие локальные нормированные значения измеренных концентраций пропана в характерных точках 3-го выходного патрубка.
Подставив их в формулу (4), получили результирующие температуры в характерных точках в выходном патрубке натурной установки:
;
Эти результаты подтверждаются расчетами на основе численного моделирования теплогидродинамики потока гелия в проточной части сборного коллектора ВТГР.
Показана техническая возможность осуществления способа приближенного определения поля температуры рабочей среды в натурной установке.