Aref
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
МІЛЕЙКОВСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ
УДК 697.922:621.311.25:621.039
СИСТЕМИ ПОВІТРОРОЗПОДІЛЕННЯ ПРИ ЗОНАЛЬНІЙ ВЕНТИЛЯЦІЇ ТУРБІННИХ ВІДДІЛЕНЬ АЕС
Спеціальність 05.23.03. – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ-2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: ДОВГАЛЮК ВОЛОДИМИР БОРИСОВИЧ
кандидат технічних наук, доцент кафедри теплогазопостачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури
Офіційні опоненти: МАЛКІН ЕДУАРД СЕМЕНОВИЧ
доктор технічних наук, професор кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури
ВОЗНЯК ОРЕСТ ТАРАСОВИЧ
кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри теплогазопостачання і вентиляції Інституту будівництва і інженерії довкілля
Національного університету “Львівська політехніка”
Захист відбудеться 14.11.2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680 м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 319.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.
Відгуки на автореферат просимо надсилати в двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.
Автореферат розісланий 11.10.2007 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Сучасний розвиток суспільства пов’язаний з потребою в надійному й екологічно безпечному виробництві електроенергії. У теперішній час в Україні понад 50% електроенергії виробляється атомними електростанціями. Умови праці, ефективність і надійність роботи енергетичного обладнання, безпека АЕС у значній мірі залежить від умов повітряного середовища виробничих приміщень, які повинні забезпечуватися системами вентиляції.
Як показали натурні дослідження, стан повітряного середовища в існуючих турбінних відділеннях АЕС є незадовільним: температура і рухливість повітря є підвищеними, поверхні обладнання обдуваються вентиляційними струминами, що призводить до підвищення теплонадходжень від обладнання. Це означає зниження ефективності і надійності обладнання АЕС та погіршення умов праці персоналу. Тепловидільне обладнання турбінних відділень АЕС розміщується компактно в характерних об’ємах у плані й за висотою, що створює стиснуті умови розвитку струминних течій та ускладнює компонування мереж повітроводів. Теплонапруженість в окремих зонах досягає 130 Вт/м3.
Найбільш розповсюдженим сучасним методом підтримання нормативних температур повітря при стиснутих умовах розташування тепловидільного обладнання за висотою є зональна вентиляція, яка зменшує температурне розшарування за вертикаллю. Існує припущення, що розподіл температур у теплонапружених приміщеннях визначається лише конвективними потоками, а припливні струмини відіграють другорядну роль. Однак відсутність наукового обґрунтування вибору типу і параметрів припливних струмин, неврахування дії їх на тепломасообмінні процеси в приміщенні призводить до рециркуляції конвективних потоків, обдуву гарячих поверхонь обладнання та, як наслідок, до перегріву повітря в таких приміщеннях. Вплив припливних струмин на розподілення температур у цих приміщеннях досліджений не достатньо. Відсутні конструкції компактних повітророзподільних пристроїв, що дозволяють подавати великі об’єми повітря струминами з достатньо високою інтенсивністю затухання й малими витратами енергії на переміщення повітря.
Таким чином, вирішення проблеми наукового обґрунтування і розроблення систем повітророзподілення в турбінних відділеннях АЕС, які б забезпечували нормативні параметри повітряного середовища в цих приміщеннях, є своєчасною та актуальною науковою задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконувалась в рамках державної програми “Створення систем і обладнання екологічно безпечних енерготехнологічних комплексів України” і тісно пов’язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0102U000932).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування й розробка ефективних систем повітророзподілення для зональної вентиляції турбінних відділень АЕС, які забезпечують нормативні параметри повітряного середовища та енергозбереження у вентиляційних системах.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
– провести аналіз існуючих систем повітророзподілення турбінних відділень АЕС;
– запропонувати математичну модель тепломасообмінних процесів у турбінних відділеннях АЕС при різних способах подачі повітря;
– розробити математичну модель струмини, яка настилається на опуклу циліндричну поверхню, визначити залежність її параметрів від геометричних характеристик повітророзподільного пристрою;
– експериментально дослідити струминні течії при багатьох тангенціальних випусках повітря на опуклу циліндричну поверхню, і на цій основі розробити повітророзподільні пристрої;
– запропонувати спосіб рівномірного повітророзподілення при подачі повітря струминами, що настилаються на опуклу поверхню;
– розробити й науково обґрунтувати компактні та енергоефективні системи повітророзподілення в турбінних відділеннях АЕС з використанням взаємодії струмин, що настилаються на опуклу поверхню, із застосуванням кінцевих та транзитних повітророзподільників;
– на основі наукового аналізу, теоретичних та експериментальних досліджень розробити інженерну методику розрахунку вентиляційних систем з використанням запропонованих повітророзподільників.
Об’єкт дослідження – системи припливної вентиляції в стиснутих теплонапружених умовах турбінних відділень АЕС.
Предмет дослідження – компактні повітророзподільники, які формують струмини, що інтенсивно затухають, для забезпечення ефективної організації повітрообміну в стиснутих умовах турбінних відділень АЕС при малих витратах енергії на переміщення повітря.
Методи дослідження – математичне моделювання руху повітря, обміну теплоти та втрат тиску на підставі інтегральних рівнянь аеродинаміки; експериментальні дослідження з використанням методів аеромеханічних вимірювань на базі статистичних методів планування й обробки результатів дослідів та чисельні досліди руху повітря за допомогою k-е моделі турбулентного руху.
Наукова новизна одержаних результатів:
– розроблені та науково обґрунтовані системи припливної зональної вентиляції турбінних відділень АЕС з використанням нових повітророзподільних пристроїв з взаємодією струмин, які настилаються на опуклу циліндричну поверхню;
– на базі запропонованих математичних моделей розвитку струмини, що настилається на циліндричну поверхню, і тепломасообмінних процесів у приміщенні обґрунтовано спосіб подачі повітря й організації припливної вентиляції в турбінних відділеннях АЕС;
– отримані емпіричні залежності для визначення темпу затухання струмин при симетричних тангенціальних випусках повітря на опуклу поверхню в залежності від співвідношення геометричних розмірів повітророзподільника.
Практичне значення одержаних результатів.
Розроблено та захищено трьома патентами України компактні та енергоефективні конструкції кінцевих і транзитних повітророзподільників для подачі повітря струминами, що настилаються на опуклу циліндричну поверхню, взаємодіють між собою й швидко затухають.
Створено інженерну методику підбору повітророзподільних пристроїв, розрахунку припливних струмин та аеродинамічного розрахунку систем вентиляції з використанням кінцевих і транзитних повітророзподільників, які дозволяють забезпечити нормативні температури і рухливість повітря в турбінних відділеннях АЕС, поліпшити умови праці персоналу, підвищити ефективність і надійність роботи обладнання.
Результати дисертаційної роботи впроваджені на ВП Рівненська атомна електростанція НАЕК “Енергоатом”, ВАТ “Київський науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут “Енергопроект” та в Інституті проблем безпеки атомних електростанцій НАН України, що дозволило забезпечити потрібний повітрообмін та інтенсивне затухання припливних струмин при малих габаритах і малому аеродинамічному опорі систем припливної вентиляції, полегшити компонування повітроводів, зменшити довжину повітроводів удвічі.
Особистий внесок здобувача.
Наукові результати, що викладені в даній дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем на підставі виконаного аналізу відомих методів і математичних моделей розподілення повітря у вентиляційних системах. Розроблені математичні моделі повітрообміну в турбінних відділеннях АЕС та припливної струмини, що настилається на опуклу циліндричну поверхню; запропоновано повітророзподілення струминами, що взаємодіють при настиланні на опуклу поверхню; досліджено розділення потоків у транзитних повітророзподільниках та рівномірне розподілення повітря при криволінійному настиланні струмини. Виконані експериментальні дослідження окремої струмини, взаємодії струмин та втрат тиску в повітророзподільниках, розроблені конструкції транзитних і кінцевих повітророзподільників та інженерна методика розрахунку систем вентиляції.
Апробація результатів дисертації.
Основні результати досліджень та окремі розділи дисертації доповідались на 61-68 науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2000-2007 рр.), на міжнародних конференціях: “Актуальні проблеми будівництва і інженерії” (Польща, м. Жешув, 2004); “Геометричне і комп’ютерне моделювання: енергозбереження, екологія, дизайн” (Україна, м. Новий світ, 2004 р., м. Алушта, 2007 р.); “Рівень техніки, тенденції розвитку та проблеми громадського будівництва” Жешув–Львів–Кошице, (Словакія, м. Кошице, 2005 р.).
Публікації.
За матеріалами дисертації опубліковані 14 друкованих робіт, в т.ч., 6 у фахових виданнях, регламентованих ВАК України, одержано 3 патенти України на винахід.
Структура й обсяг дисертації.
Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 150 найменувань і додатка. Робота викладена на 175 сторінках, містить 49 рисунків, 14 таблиць.
Автор висловлює вдячність видатному вченому, професору
Андрію Яковичу Ткачуку за наукове керівництво на початку роботи над працею.
Основний зміст РОБОТИ
У вступі наводиться обґрунтування актуальності даної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладена їхня наукова новизна та практична цінність.
У першому розділі наведено аналіз сучасного рівня вирішення задачі вентиляції турбінних відділень АЕС при стиснутих умовах розташування тепловидільного обладнання в плані та за висотою. Відмічено недостатнє вивчення впливу припливних струмин на розподіл температур у цих приміщеннях. Недостатнє врахування дії припливних струмин призводить до обдуву обладнання, рециркуляції конвективних потоків і перегріву повітря на майданчиках обслуговування обладнання, що підтверджено натурними дослідженнями. Покращення стану повітряного середовища вимагає подачі великої кількості повітря струминами, які швидко затухають. Організація повітрообміну в гарячих цехах розглянута в працях В.В. Батуріна, В.М. Ельтермана, І.А. Шепелева, М.Й. Гримітліна, Г.М. Позина, А.Я. Ткачука, В.П. Корбута, В.Б. Довгалюка та ін. Показано необхідність дослідження впливу припливних струмин на розподіл температур повітря.
Проведено аналіз теорій розвитку припливних струмин. При розробці теорій застосовуються дослідні дані. Цим обґрунтовано необхідність експериментального дослідження струмин. Розглянуто відомі конструкції повітророзподільників. Показано відсутність конструкцій компактних повітророзподільників зі швидким затуханням струмин і низьким аеродинамічним опором. Обґрунтовано використання настилання струмин на опуклу поверхню, рівномірного розподілення повітря, а також, транзитних повітророзподільників для забезпечення цих вимог.
На підставі критичного аналізу вищерозглянутих питань з точки зору їхньої дослідженості на даний час робляться висновки та формулюються мета і задачі досліджень за темою дисертації.
У другому розділі виконані аналітичні дослідження питань, пов’язаних з розробкою ефективних систем зональної вентиляції турбінних відділень АЕС.
Оцінено ефективність організації повітрообміну (рис. 1) цих приміщень за допомогою коефіцієнта повітрообміну KL,заг за середньозваженою температурою за зонами. Розвиток струмин врахований коефіцієнтом живлення струминами конвективних потоків kGi = GСi-Кi / GСi (i – номер зони) як відношення витрати GСi-Кi повітря струмин, що живить конвективні потоки, до загальної витрати повітря струмин GСi. Коефіцієнт дорівнює нулю, якщо струмини не взаємодіють з конвективними потоками. На підставі рівнянь балансу маси і теплоти (табл. ) для характерних зон приміщення – зон обслуговування обладнання 1 і 2, припливних струмин С1 і С2 та конвективних потоків К1 і К2 – одержано вираз:
KL,заг =
, | (1)
рис. 1. Розрахункова схема приміщення
де Gi-j – витрата перетікання повітря із зони i до зони j;
Gin,1 – витрата припливного повітря до зони 1;
GУ – загальний повітрообмін;
GК1–wz=GK1–1+GK1–2 – витрата надходження повітря конвективного потоку К1 до зон 1 і 2;
GК2–wz GK2-2 – витрати надходження повітря конвективних потоків до зон 1 і 2;
GК1 – витрата повітря конвективного потоку К1;
GК2 – витрата повітря конвективного потоку К2;
QК1 – явні теплонадходження до конвективного потоку К1;
QК2 – явні теплонадходження до конвективного потоку К2.
УQh – сумарні явні теплонадлишки приміщення.
Коефіцієнт повітрообміну за формулою (1) при зростанні коефіцієнтів живлення kG1 і kG2 лінійно спадає. Найбільше значення коефіцієнта повітрообміну (рис.2) за формулою (1) спостерігається при нульових значеннях коефіцієнтів живлення. Припливні струмини повинні затухати до досягнення ними конвективних потоків. При цьому коефіцієнт повітрообміну знаходиться в діапазоні KL=1,3...2,5.
Для забезпечення швидкого затухання струмин виконано аналіз розвитку струмини, що настилається на опуклу поверхню, на підставі рівнянь балансу маси і теплоти контуру ABKL (рис. 3) та рівняння кількості руху контуру KPQB:
, | (2)
. | (3)
Таблиця | 1
Балансові рівняння за схемою на рис. 1
Зо-на | Опис | Баланс маси | Баланс теплоти–
Усе при-мі-щен-ня | Gin,1 + Gin,2 – G?,1 – G?,2 –
– G?,К1 – G?,К2 = 0 | (Gin,1 + Gin,2)tin – G?,1t1 – G?,2t2 –
– G?,К1tК1 – G?,К2tК2 + УQh/cp = 0
1 | По-ві-тря над ниж-нім май-дан-чи-ком | GК1-1 + (1 – kG1)GС1 ––
G1-С1 – G1-К2 – G1-К1 –
– G1-2 – G?,1 = 0 | GК1-1tК1 + (1–kG1)GС1tC1 –
– (G1-С1 + G1-К2 + G1-К1 +
+ G1-2 + G?,1)twz + Q1/cp = 0
C1 | Стру-ми-на над ниж-нім май-дан-чи-ком | G1-С1 + Gin,1 – GC1 = 0 | G1-С1 twz + Gin,1 tin – –
GC1tС1 = 0
К1 | Кон-век-тив-на стру-ми-на над ниж-нім май-дан-чи-ком | G1-К1 + kG1GС1 ––
GК1-1 – GК1-К2 – GК1-2 –
– G?,К1 = 0 | G1-К1 twz + kG1GС1tС1 ––
(GК1-1 + GК1-К2 +
+ GК1-2 + G?,К1)tК1 + QК1/cp = 0
2 | По-ві-тря над верх-нім май-дан-чи-ком | GК2-2 + GК1-2 + (1 ––
kG2)GС2tC2 + G1-2 ––
G2-С2 – G2-К2 – G?,2 = 0 | GК2-2 tК2 + GК1-2 tК1 +
+ (1 – kG2)GС2tC2 – (G2-С2 + G2-К2 +
+ G?,2 – G1-2) twz + Q2/cp = 0
C2 | Стру-ми-на над верх-нім май-дан-чи-ком | G2-С2 + Gin,2 – GС2 = 0 | G2-С2 twz + Gin,2 tin – –
GC2tC2 = 0
К2 | Кон-век-тив-на стру-ми-на над верх-нім май-дан-чи-ком | G2-К2 + kG2GС2 +
+ G1-К2 – GК2-2 +
+ GК1-К2 – G?,К2 = 0 | (G2-К2 + G1-К2)twz + kG2GС2tС2 +
+ GК1-К2 tК1 – (GК2-2 + G?,К2)tК2 +
+ QК2/cp = 0–
Ви-тра-та кон-век-тив-но-го по-то-ку над ниж-нім май-дан-чи-ком | GС1-К1 + G1-К1 =
= GК1-2 + GК1-К2 +
+ GК1-1 + G?,К1 = GК1––
Ви-тра-та кон-век-тив-но-го по-то-ку над верх-нім май-дан-чи-ком | GС2-К2 + G1-К2 +
+ GК1-К2 + G2-К2 =
= GК2–
рис. 2. Значення коефіцієнта повітрообміну KL за формулою (1)
рис. 3. Схема струмини під час настилання:
1 – стінка повітророзподільника; 2 – щілина; 3 – вихідний канал; 4 – струмина;
5 – поверхня настилання; 6 – вільна межа струмини; 7 – повітря, що присмоктується; 8 – зона зворотного руху; 9 – вторинна струмина; 10 – струминний примежовий шар; 11 – пристінний примежовий шар; 12 – лінія максимальних швидкостей
=
, | (4)
де с – густина повітря в довільній точці струмини;
u – швидкість повітря в довільній точці струмини;
y – відстань від точки струмини до поверхні настилання;
yмеж – ширина струмини;
yмеж,o – початкова ширина струмини;
с? – густина навколишнього повітря;
v – швидкість підтікання повітря до струмини;
R – радіус поверхні настилання;
ц – кут між щілиною і перерізом;
cp – ізобарна теплоємність повітря;
сo – густина припливного повітря;
uo – початкова швидкість повітря;
д – ширина щілини;
To – абсолютна температура припливного повітря;
T? – абсолютна температура навколишнього повітря;
T – абсолютна температура повітря в точці струмини.
Дpc,c,o – середній статичний тиск у початковому перерізі струмини;
Дpc,c – середній статичний тиск у довільному перерізі струмини;
Дpc,п – статичний тиск на поверхні настилання;
g – прискорення вільного падіння;
г – кут нахилу повітророзподільника;
kс,J – коефіцієнт усереднення густини повітря у перерізі криволінійної струмини з урахуванням якобіана переходу до криволінійної системи координат;
сm – густина повітря на лінії максимальних швидкостей.
Також приймається припущення про пропорційність між швидкістю підтікання повітря v та максимальною швидкістю повітря um з коефіцієнтом пропорційності E:
v=Eum. | (5)
Розв’язання рівнянь (2), (3), (4) та (5) (рис. 4) показує високий темп затухання струмини: швидкість затухає вдвічі, перепад температур – до 0,6 початкового.
Аналіз розвитку струмини після відриву на підставі залежностей для вільних струмин показує низький темп затухання струмини. Дворазове затухання швидкості досягається на відстані 10-разової ширини струмини біля відриву.
Для інтенсифікації затухання струмини необхідне подовження настилання створенням симетричних тангенціальних випусків повітря, щоб кожна наступна струмина створювала тангенціальний вдув попередньої (рис. 5, а). Спрощена схема струмини (рис. 5,б) має три ділянки – геометричну початкову 1 зі щілинами, ділянку взаємодії 2, де струминки безпосередньо взаємодіють, і ділянку розвитку 3, де немає безпосередньої взаємодії. Параметри струмин визначаються експериментально.
Для забезпечення мінімальних швидкостей повітря в струмині використано роздачу повітря лінійними джерелами в характерних об’ємах приміщення. Для рівномірного розподілення повітря при настиланні струмини на поверхню повітророзподільника запропоновано використання методу змінного коефіцієнта витрати щілин діафрагмуванням вихідного каналу (рис. 5,в). За методикою, аналогічною до розрахунку повітророзподільників постійного перерізу із щілиною змінної ширини, одержано залежність для просвіту діафрагми дп:
, | (6)
рис. 4. Результати аналітичного та експериментального дослідження струмин:
а – відносна швидкість, б – відносний перепад температур, в – відносна ширина
рис. 5. Інтенсифікація затухання струмини:
а – схема розрізу повітророзподільника з взаємодією струминок;
б – схема формування струмини, утвореної взаємодією струминок:
1 – геометрична початкова ділянка; 2 – ділянка взаємодії; 3 – ділянка розвитку;
4 – розрідження;
в – схема повітророзподільника рівномірного розподілу
де д – ширина щілини;
= x/? – безрозмірна абсциса, віднесена до довжини щілин ?;
x – абсциса: відстань від заглушеного кінця до перерізу; –
безрозмірна площа щілин, віднесена до площі проходу A; –
параметр;
о? = л?/De – еквівалентний опір проходу повітророзподільника;
л – коефіцієнт Дарсі проходу повітророзподільника;
De – еквівалентний діаметр проходу повітророзподільника; –
ширина щілини, віднесена до площі патрубка Aпатр.
Якщо у повітророзподільника декілька щілин, то підставляється їхня сумарна ширина д = Удi. Сумарна ширина просвіту дп ділиться пропорційно ширині щілин.
Залежність (6) дозволяє розробляти повітророзподільники рівномірного розподілу струминами, що настилаються на поверхню цих повітророзподільників.
Для забезпечення компонування мереж повітроводів у стиснутих умовах розроблені конструкції транзитних повітророзподільників, що частину повітря роздають, а частину спрямовують у подальшу мережу повітроводів (рис. 6 а).
рис. 6. Транзитні повітророзподільники:
а – схема мережі повітроводів, б – схема транзитного повітророзподільника:
1 – транзитний патрубок, 2 – повітророзподільний насадок, 3 – вхідний патрубок
Прийнята схема транзитного повітророзподільника із зануренням транзитного повітроводу до вхідного патрубка (рис. 6 б). За аналогією до теоретичного опису трійників уведено умовну поверхню розділу потоку на транзит і розподілення (показані пунктиром або штрих-пунктиром залежно від швидкостей повітря). Рівняння Бернуллі та кількості руху для потоку на розподілення мають вигляд:
, | (7)
, | (8)
де Дpвн,р – втрати тиску на переформування потоку на розподілення;
Дpс,вх – надлишковий статичний тиск у вхідному патрубку;
Дpс,р – надлишковий статичний тиск у міжтрубному просторі (переріз Р–Р);
бвх – коефіцієнт Кориоліса у вхідному патрубку;
vвх – середня швидкість у вхідному патрубку;
бр – коефіцієнт Кориоліса у міжтрубному просторі;
vр – середня швидкість у міжтрубному просторі;
pс,вх – абсолютний статичний тиск у вхідному патрубку;
Aвх,р – площа частини вхідного перерізу в кільці B1B3;
pс,р – абсолютний статичний тиск у міжтрубному просторі в перерізі P-P;
Aр – площа перерізу міжтрубного простору;
pс,п.р.п – абсолютний статичний тиск у точці поверхні розділу потоку;
C – аеродинамічний коефіцієнт на поверхні розділу потоку;
vп.р.п. – швидкість біля поверхні розділення потоку;
И – кут нахилу лінії розділу потоку;
Aп.р.п. – площа поверхні розділу потоку;
вр – коефіцієнт Бусинеска у міжтрубному просторі;
ввх,р – коефіцієнт Бусинеска у кільці B1B3;
vвх,р – середня швидкість у кільці B1B3.
Після заміни в рівнянні (8) невідомого змінного аеродинамічного коефіцієнта C усередненим дослідним коефіцієнтом f, шляхом розв’язання рівнянь (7) і (8) одержано залежності для місцевого опору на розподілення:
, | (9)
де Дpр – втрати тиску на розподілення з урахуванням стабілізації потоку;
остаб – дослідний коефіцієнт додаткового опору на стабілізацію потоку.
Аналогічно одержано залежність для місцевого опору на транзит:
, | (10)
де vтр – середня швидкість у транзитному патрубку;
втр – коефіцієнт Бусинеска у транзитному патрубку;
бтр – коефіцієнт Кориоліса у транзитному патрубку;
ввх,тр – коефіцієнт Бусинеска у вхідному патрубку в кільці B3;
vвх,тр – середня швидкість у вхідному патрубку в кільці B3.
У третьому розділі обґрунтовано методику та наведено результати експериментальних досліджень. Досліди виконані на стенді (рис. ), обладнаному комп’ютером та захищеному від зміни напруги і сторонніх теплових потоків.
Дослідження ізотермічних струмин, що настилаються на опуклу поверхню (рис. ), показало розбіжність швидкості повітря з аналітичними даними до 6,6%. Для неізотермічних струмин темп затухання перепаду температури відрізняється від розрахункових даних до 6,7%. Розбіжність між дослідною й розрахунковою швидкістю повітря при ц=15...75° пояснюється інтенсифікацією підмішування повітря при ц=0...60° без додаткового розширення струмини. При ц=60...90° перепад температур стає низьким, його вплив зменшується і струмина затухає більш інтенсивно за ізотермічну. На відриві швидкість становить 0,52...0,58 початкової, що відповідає розрахунковим даним.
Для подальшої інтенсифікації затухання струмини запропоновано використання взаємодії струмин, що настилаються на опуклу поверхню.
рис. 7. Дослідний стенд:
1 – вентилятор; 2 – камера тиску; 3 – колектор, 4 – термометр (TGL 11998 із ціною поділки 0,1°С і діапазоном 0...50°С та 50...100°С); 5 – повітронагрівач; 6 – модель;
7 – датчик швидкості й температури (“Нагріта куля” діаметром 3 мм);
8 – координатник (похибка ноніуса – 0,1 мм); 9 – термоанемометр (testo 445);
10 – барометр (БАММ-1); 11 – термогігрометр (testo 408 H1); 12 – мікроманометр (МКВ-2500); 13 – ноутбук (для обробки даних під час досліджень)
Визначення кількості щілин, при якій струминки взаємодіють та швидко затухають, виконана шляхом математичного (k-е модель турбулентного руху) та фізичного моделювання. Кількість щілин змінювалася в межах N = ...7. Виявлено, що при N = ...4 взаємодії немає і темп затухання струмини практично такий же, як і для однієї щілини. При кількості щілин N ...7 відбувається інтенсивна взаємодія струмин, причому затухання практично не залежить від N. З умови технологічності виготовлення повітророзподільників рекомендована кількість щілин N = 5.
Для дослідження впливу геометричних розмірів повітророзподільника (довжини ?, ширини щілини д та діаметра патрубка D) на розвиток струмини виконано квадратичне планування двофакторного (табл. ) експерименту на підставі ортогонального центрального композиційного плану. При цьому на ділянці розвитку темп затухання апроксимується квадратичними поліномами
, | (11)
а на ділянці взаємодії – лінійними. Коефіцієнти A,B,C визначені за формулами ортогонального центрального композиційного плану.
Таблиця | 2
Основні безрозмірні фактори та межі їхнього варіювання
Фак-тор | Нижня межа | Верхня межа
Ве-ли-чи-на | Об-ґрун-ту-ван-ня | Ве-ли-чи-на | Об-ґрун-ту-ван-ня
0,103 | Тех-но-ло-гіч-ні ви-мо-ги | 0,775 | Дов-жи-на по-верх-ні на-с-ти-лан-ня не мен-ша за дов-жи-ну ви-хід-но-го ка-на-лу
0,203 | Швид-кість ви-хо-ду по-ві-тря не по-вин-на бу-ти біль-шою ніж на вхо-ді | 6,283 | Для за-без-пе-чен-ня швид-ко-сті ви-хо-ду по-ві-тря 2 м/с при швид-кос-ті по-ві-тря у па-труб-ку 8 м/с
Досліди виявили ділянку переформування, яка починається від вхідного патрубка і має довжину ?д.п. ,9 ? д / D. На цій ділянці повітря не виходить із щілин, що пояснюється відривними явищами на кромках патрубка.
Після заміни змінної змінною маємо: |
(12)
Для уникнення похибки вторинної регресії (12) первинних регресивних коефіцієнтів (11) останні уточнені методом найменших квадратів. Похибка регресії (рис. 8) становить 0,47…5,49% за швидкістю і 0,01…6,85% за перепадом температур крім окремих точок. При відносній площі виходу струмина підтискується за рахунок розрідження. Затухання струмини погіршується. Ця принципова відмінність фізичних явищ у моделі 4 () від інших моделей призводить до втрати адекватності математичного опису струмини цієї моделі. Для досягнення високого темпу затухання струмини необхідно приймати.
рис. 8. Темп затухання припливної струмини:
а – затухання швидкості, б – затухання температури
Втрати тиску при рівномірному розподіленні повітря залежать від відношення швидкостей виходу повітря на початку щілини vo та у вхідному патрубку щп. При постійній швидкості виходу й ширині щілини втрати тиску залежать від відношення площ виходу повітря та вхідного патрубка. Похибка досліджень (рис. ) становить до 3,74%, а регресії – до 3,5%. Втрати тиску в транзитних повітророзподільниках визначені з використанням k-е моделі турбулентного руху. Результати моделювання втрат тиску в місцевих опорах добре збігаються з відомими дослідними даними. Виявлено, що у формулах (9) і (10) f = ,384; ост ,048. Тоді
; | (13)
рис. 9. Втрати тиску в повітророзподільнику
оп.р.р. = ор + оп.р. + Доп.р. =
, | (14)
де Доп.тр. та Доп.р. – поправки на взаємодію місцевих опорів (табл. ).
Таблиця | 3
Поправки на взаємодію місцевих опорів у формулах (13) і (14)
Відношення діаметра транзитного патрубка Dтр до вхідного Dвх | Поправка на місцевий опір
на транзит Доп.тр | на розподілення Доп.р
0,5 | +0,072 | +0,4
0,8 | +0,035 | +0,16
У четвертому розділі наведено розроблений на підставі виконаних досліджень типоряд повітророзподільників ежекційних тангенціальних (ПЕТ), наведено інженерну методику їхнього підбору і розрахунку та особливості ув’язування систем вентиляції з транзитними повітророзподільниками.
У п’ятому розділі розглянуті системи повітророзподілення турбінного відділення енергоблоку №4 Рівненської АЕС з використанням розроблених повітророзподільників ПЕТ. Порівняння варіантів систем вентиляції з використанням повітророзподільників ПЕТ і ВПЕП показало заощадження капітальних вкладень у розмірі 12,8 %. Заощадження енергії на переміщення повітря за рахунок зниження втрат тиску в повітророзподільниках становить 18,9 %. Це підтверджує доцільність застосування систем повітророзподілення з повітророзподільниками ПЕТ. Повітророзподільники захищені деклараційним патентом України на винахід №44971 А та патентами України на винахід №73805 і 73818. Вони впроваджені на енергоблоку №4 Рівненської АЕС. Технічні умови затверджуються, а методика розрахунку прийнята до проектної практики Відкритим акціонерним товариством “Київський науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут “Енергопроект”.
Системи вентиляції з повітророзподільниками ПЕТ можуть бути використані в інших промислових цехах, сільськогосподарських спорудах та великих приміщеннях громадських будівель, де необхідно подавати великі об’єми повітря струминами, що швидко затухають. Для повітряного опалення сільськогосподарських теплиць доцільно використовувати такі повітророзподільники з неметалевих матеріалів. Повітророзподільники можливо використовувати як елемент інтер’єру. Кількість випусків повітря N змінюється в залежності від архітектурно-планувальних рішень, архітектурно-декоративних вимог та вимог до темпу затухання струмини.
Загальні висновки
1. На підставі аналізу літературних даних щодо організації повітрообміну в теплонапружених приміщеннях встановлено, що вплив припливних струмин на розподіл температур у приміщеннях при стиснутих умовах розташування тепловидільного обладнання недостатньо досліджений, тому існуючі системи вентиляції турбінних відділень АЕС не забезпечують нормативні параметри повітряного середовища в зонах обслуговування обладнання.
2. Розроблено математичну модель повітрообміну при зональній вентиляції турбінних відділень АЕС і встановлено, що найбільша ефективність організації повітрообміну досягається при подачі повітря струминами, які інтенсивно затухають і не взаємодіють з конвективними потоками від тепловидільного обладнання.
3. На базі розробленої математичної моделі струмини, що випущена тангенціально на опуклу циліндричну поверхню, та результатів експериментальних досліджень, обґрунтовано доцільність використання в турбінних відділеннях настилання припливних струмин на опуклу поверхню.
4. Встановлено, що стабільне інтенсивне затухання струмини, яка настилається на опуклу поверхню, забезпечується при плоскому вихідному каналі з відношенням довжини до ширини не менше 2.
5. Розроблено та захищено трьома патентами України конструкції кінцевих і транзитних повітророзподільників ежекційних тангенціальних (ПЕТ), що використовують взаємодію струмин, які випущені симетрично на опуклу циліндричну поверхню. Повітророзподільники забезпечують рівномірну подачу повітря струминами, які швидко затухають, у зонах приміщення, яке обслуговується. На підставі аналітичних та експериментальних досліджень одержано залежності для темпу затухання струмини та для коефіцієнта місцевого опору повітророзподільників ПЕТ.
6. Показано, що наявність взаємодії струмин під час настилання досягається при кількості випусків повітря не менше 5, і що при цьому забезпечується високий темп затухання швидкості та перепаду температур.
7. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблена методика розрахунку та підбору транзитних і кінцевих повітророзподільників ПЕТ, яка дозволяє проектувати ефективні системи повітророзподілення, що забезпечують нормативні температури і рухливості повітря в турбінних відділеннях АЕС. Ця методика впроваджена в проектну практику ВАТ “Київський науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут “Енергопроект”. Матеріали наукових досліджень передані Інституту проблем безпеки атомних електростанцій НАН України для впровадження при розробці вентиляції АЕС.
8. У результаті впровадження повітророзподільників ПЕТ у турбінному відділенні енергоблоку №4 ВП Рівненська атомна електростанція НАЕК “Енергоатом” досягнуто потрібний повітрообмін при інтенсивному затуханні припливних струмин, при скороченні мереж повітроводів удвічі та зниженому аеродинамічному опорі запропонованих систем припливної вентиляції в порівнянні з існуючими системами.
9. Техніко-економічні розрахунки дозволяють констатувати можливість заощадження енергії на переміщення повітря при використанні повітророзподільників ПЕТ у розмірі 18,9% та заощадження капітальних вкладень в обсязі 12,8% у порівнянні з діючими системами вентиляції.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Мілейковський В.О. Закономірності підтікання повітря до струмини // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання: Науково-технічний збірник. – Вип. 5. – К.: КНУБА, 2002. – 128с. – С. 22–25.
2. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О., Тімінський Г.М. Формування температурно-вологісного режиму в турбінному відділенні АЕС з реакторами ВВЭР–440 // Містобудування та територіальне планування:Наук.-техн. збірник. – Вип. 21. – К., КНУБА, 2005. – С.76–81.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в проведенні натурних досліджень стану повітряного середовища турбінного відділення.
3. Мілейковський В.О. Дослідження втрат тиску в повітророзподільниках з тангенціальними випусками повітря//Вентиляція,освітлення та теплогазопостачання: Наук.-техн. збірник. – Вип. 8. – К.: КНУБА, 2005. – 120с. – С. 33-39.
4. Довгалюк В.Б, Мілейковський В.О. Взаємодія струмин, що настилаються на опуклу поверхню // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка: Науково-технічний збірник. – Вип. 23.– К.: тов-во "Знання" України, 2006. – C. 90-98.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці схеми струмини й експериментального стенду; плануванні, проведенні й обробці результатів дослідів.
5. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О. Ефективність організації повітрообміну в теплонапружених приміщеннях у стиснутих умовах // Будівництво України: Науково-виробничий журнал. – № 3, 2007. – 48 c. – C. 36-39.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці й аналізі математичної моделі тепломасообмінних процесів у турбінних відділеннях АЕС.
6. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О. Системи вентиляції з транзитним повітророзподіленням // Будівництво України: Науково-виробничий журнал. – № 5, 2007. – 48 c. – C. 34-37.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці конструкцій та аналітичному визначенні аеродинамічного опору транзитних повітророзподільників.
7. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О. Повітророзподілення у теплонапружених приміщеннях у стиснутих умовах // Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 211. – Z. 37. – Czкњж 2. Rzeszow, 2004. – С. 75–82.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці й аналізі математичної моделі повітрообміну приміщення та настильної струмини.
8. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О. Математичне моделювання струмин, що настилаються на опуклу поверхню // Геометрическое и компьютерное моделирование: энергосбережение, экология, дизайн: Доклады первой научно-практической конференции: Сборник научных трудов: Межведомственный научно-технический сборник: Спецвыпуск. – К.: Випол, 2004. – 311 с. – С. 54–59.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці й аналізі математичної моделі настильної струмини.
9. Dovgaliuk V., Mileikovskiy V. Mathematical Modelling of Air Jets, that are Spread on Curve–Line Surface // State of Art, Trends of Development and Challenges in Civil Engineering: Book of Abstracts: 10th Scientific Conference Rzeszуw-Lviv-Koљice. Koљice, 2005. – P.53
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці математичної моделі струмини та проведенні чисельних і фізичних експериментів.
10. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О. Повітророзподілення з використанням криволінійного настилання // Нова тема: Журнал Асоціації інженерів енергоефективних технологій України: Науково-технічний журнал.– № 3. –К., 2006. – 42с. – С. 25–27.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці способу рівномірного розподілення повітря та одержанні розрахункових залежностей.
11. Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О. Формування струмин при тангенціальних випусках повітря з повітророзподільника // Нова тема: Журнал Асоціації інженерів енергоефективних технологій України: Науково-технічний журнал.– № 2. – К., 2007. – 44с. – С. 22–24.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в проведенні чисельних та фізичних дослідів і розробці рекомендацій до застосування повітророзподільників.
12. Патент № A 44971 UA 7 F 24 F 13/06. Повітророзподільник. / Ткачук А.Я., Мілейковський В.О. // Промислова власність. – 2002. – №3. Кн.1. – С. 4.82
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці конструкції повітророзподільників з багатьма тангенціальними випусками повітря.
13. Патент № C2 73805 UA 7 F 24 F 13/06. Повітророзподільник (варіанти) / Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О., Кібєко О.М., Шенгелевич В.І. // Промислова власність. – 2005. – №9. Кн.1. – С.3.138
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці конструкцій повітророзподільників з багатьма тангенціальними випусками повітря.
14. Патент № C2 73818 UA 7 F 24 F 13/06. Повітророзподільник. / Довгалюк В.Б., Мілейковський В.О., Кібєко О.М., Шенгелевич В.І. // Промислова власність.–2005.–№9. Кн.1. – С.3.139.
Особистий внесок Мілейковського В.О. полягає в розробці конструкцій повітророзподільників з багатьма тангенціальними випусками повітря.
АнотаціЯ
Мілейковський В.О. Системи повітророзподілення при зональній вентиляції турбінних відділень АЕС. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 – Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. – Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2007.
Робота присвячена вирішенню актуальної задачі створення компактних та енергоефективних систем повітророзподілення для забезпечення нормативних параметрів повітря в турбінних відділеннях АЕС. Розроблено математичну модель повітрообміну в цих приміщеннях. Показано, що для досягнення максимальної ефективності повітрообміну слід подавати повітря струминами, що інтенсивно затухають і не взаємодіють з конвективними потоками від тепловидільного обладнання. Створено математичну модель струмини, що настилається на опуклу циліндричну поверхню. Розроблені конструкції кінцевих та транзитних повітророзподільників ежекційних тангенціальних (ПЕТ) з використанням взаємодії струмин, що настилаються на опуклу поверхню і забезпечують рівномірне розподілення повітря в межах характерних зон приміщення. Вони компактні й мають низький аеродинамічний опір. Створено методику розрахунку систем припливної вентиляції з використанням повітророзподільників ПЕТ.
Ключові слова: вентиляція, повітророзподілення, АЕС, турбінне відділення, енергозбереження, настилання струмини, взаємодія струмин, ефект Коанда.
АннотациЯ
Милейковский В.А. Системы воздухораспределения при зональной вентиляции турбинных отделений АЭС. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 – Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2007.
Работа посвящена решению актуальной задачи создания компактных и энергоэффективных систем воздухораспределения для обеспечения нормативных параметров воздуха в турбинных отделениях АЭС при стеснённых условиях размещения оборудования в плане и по высоте.
Натурные исследования показали перегрев воздуха в этих помещениях в тёплый период года, который поясняется недостаточным учётом влияния приточных струй на распределение температур воздуха в помещении. При этом наблюдается рециркуляция горячего воздуха конвективных потоков в зоны обслуживания оборудования и обдув теплоотдающих поверхностей оборудования.
Выполена оценка эффективности организации воздухообмена в вышеуказанных помещениях в зависимости от вида приточных струй. Разработана математическая модель воздухообмена на базе балансовых уравнений для характерных зон помещения. Эффективность организации воздухообмена оценена с помощью коэффициента воздухообмена по средневзвешенной температуре вытяжного воздуха по зонам. Показано, что для достижения максимальной эффективности организации воздухообмена в этих помещениях целесообразно подавать воздух интенсивно затухающими струями, которые не взаимодействуют с конвективными потоками.
Показано, что для достижения компактности и низкого аэродинамического сопротивления воздухораспределителей целесообразно применять настилание струй на выпуклую поверхность. Создана математическая модель струи, настилающейся на выпуклую циллиндрическую поверхность, на базе уравнений баланса массы воздуха, теплоты и уравнения количества движения с использованием экспериментальных данных. Аналитические и экспериментальные исследования настилания струи на выпуклую поверхность показали достаточный темп затухания струи при настилании и слабое затухание струи после отрыва. Интенсификация затухания струи должна выполняться путём удлинения пути настилания струи и ускорения затухания струи после отрыва.
Разработаны воздухораспределители эжекцоионные тангенциальные (ПЕТ) с использованием взаимодействия струй, настилающихся на выпуклую поверхность. Взаимодействие струй продлевает путь настилания и ускоряет затухание струй после отрыва за счет разрежения между ними. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования показали, что взаимодействие струй наблюдается при пяти и больше симметричных выпусках воздуха. При меньшем числе выпусков взаимодействие струй отсутствует.
Предложен и исследован способ равномерного распределения воздуха струями, настилающимися на выпуклую поверхность, по методу переменного коэффициента расхода щелей. Способ базируется на диафрагмировании выходного канала перед выпуском воздуха заслонкой переменной ширины.
Для обеспечения компактности сетей воздуховодов приточных систем вентиляции разработано и исследовано транзитное исполнение воздухораспределителей ПЕТ. Оно предусматривает частичную раздачу воздуха и частичную передачу его в дальнейшую сеть воздуховодов. Аналитически исследовано местное сопротивление на разделение потока в транзитном воздухораспределителе. При этом использованы уравнения Бернулли и количества движения отдельно для потока на транзит и на раздачу.
Выполнены экспериментальные исследования воздухораспределителей ПЕТ на базе квадратичного планирования эксперимента. Получены зависимости для темпа затухания скорости и перепада температуры в струях, а также, для коэффициента местного сопротивления концевых воздухораспределителей. Исследования показали высокий темп затухания струй и низкое аэродинамическое сопротивление. Это показывает возможность обеспечения высокой эффективности организации воздухообмена в тепплонапряжённых помещениях в стеснённых условиях. При этом обеспечивается энергосбережение в системах вентиляции.
Определены коэффициенты местного сопротивления на транзит и раздачу для транзитных воздухораспределителей с учётом взаимодействия местных сопротивлений при разделении потоков (на транзитный и на раздачу) и в воздухораспределительном насадке. Показано низкое сопротивление на транзит и повышенное сопротивление на раздачу. Это облегчает увязку потерь давления в сети воздуховодов.
Создана методика инженерного расчёта и подбора воздухораспределителей ПЕТ. Разработаны компактные и энергоэффективные системы воздухораспределения в турбинном отделении энергоблока №4 Ровенской АЭС. Экономия энергии на перемещение воздуха составляет 18,9%. Экономия капиталовложений составляет 12,8%. Это подтверждает целесообразность применения воздухораспределителей ПЕТ.
Воздухораспределители ПЕТ защищены тремя патентами Украины. Системы воздухораспределения с воздухораспределителями ПЕТ внедрены в турбинном отделении энергоблока №4 Ровенской АЭС. Методика расчёта принята в проектную практику ОАО “Киевский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт “Энергопроект”.
Воздухораспределители ПЕТ могут быть использованы в других промышленных цехах, сельскохозяйственных сооружениях и больших помещениях гражданских зданий, где необходимо подавать большие объёмы воздуха быстро затухающими струями. Воздухораспределители могут быть выполнены как элемент интерьера.
Ключевые слова: вентиляция, воздухораспределение, АЭС, турбинное отделение, энергосбережение, настилание струи, взаимодействие струй, эффект Коанда.
RESUME
Mileikovskyi V.A. Systems of an air distribution at zonal ventilation of turbine branches of the atomic power station. - The Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.23.03 - Ventilation, Illumination and Heat and Gas Supply. - The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2007.
Thesis is devoted to the solution of an actual problem of creation space- and energy-saving systems of an air distribution for maintenance of normative parameters of air in turbine branches of the nuclear power plant. The mathematical model of an air interchange in these rooms is developed. It is shown, that for maximization of efficiency of an air interchange it is necessary to fan jets which intensively
