Дипломы-2 / ВЗД-172 / Документы / Производство / ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВТСНТ – 2013

Уравнения, используемые интегральным кодом Сократ при моделировании аварий:

1) Уравнение неразрывности для кислорода и циркония:

кислорода в j-ом слое, 1/м2; r ‒ радиус слоя, м;vf ‒ скорость смещения несжимаемой

решетки циркония j-ого слоя, м/с;

2) Нестационарное уравнение теплопроводности:

t a 2t qv ,c

где a – коэффициент температуропроводности, м2/с; qv – тепловой поток, Вт/м3; с – удельная теплоёмкость, Дж/кг·К; ρ – плотность, кг/м3; τ – время, с; t – температура, К.

Системы обыкновенных дифференциальных уравнений сохранения импульса:

°С;rv ‒ теплота фазового перехода, Дж/кг.

Исходные данные для моделирования кодом СОКРАТ:

1) реактор: тепловая мощность – 1375 МВт, номинальное давление в 1 контуре 12,26 МПа, расчетное давление в 1 контуре – 13,72 МПа, расход воды через реактор – 41800 м3/ч, температура воды на входе в реактор 268 С, температура воды на выходе из реактора – 297 С, средний подогрев теплоносителя – 29 С, перепад давления на реакторе 0,34 МПа, высота корпуса – 11,8 м, максимальный диаметр корпуса 4,27 м, общее количество кассет в активной зоне – 349, количество твэл в рабочей кассете – 126, количество твэл в кассете аварийных регулирующих

229

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

кассет (АРК) – 126, тип кассеты – чехловая шестигранная, размер чехла 143 мм, длина рабочей части кассеты – 2420 мм, длина кассеты АРК – 2320 мм, масса топлива в рабочей кассете – 120,2 кг, масса топлива в кассете АРК – 120,2 кг;

2)парогенератор: тепловая мощность – 229 МВт, паропроизводительность – 452 т/ч, давление генерируемого пара – 4,61 МПа, температура генерируемого пара

–258,8 С, температура питательной воды при номинальной мощности – 223 С,

температура питательной воды при отключении ПВД – 158 С, поверхность теплообмена – 2500 м2;

3)компенсатор давления: внутренний объем – 38 м3, объем пара в номинальном режиме – 16 м3, внутренний диаметр – 2400 мм, высота корпуса – 9200 мм, толщина стенки корпуса в цилиндрической части – 140 мм.

Результаты расчета сценария аварии «разрыв главного циркуляционного

трубопровода у входного патрубка эквивалентным диаметром 500 мм с двухсторонним истечением теплоносителя» представлены на рис. 1 и в табл. 1–2.

m, кг

, с

Рис. 1. Интегральный выход водорода в течь эквивалентным диаметром 500 мм

Согласно расчетным данным начало интенсивной генерации водорода происходит при = 330 с и при = 1300 с достигает максимального значения.

Таблица 1.

Основные события аварийного процесса

230

ВТСНТ – 2013

Анализ результатов расчета показал, что в отсутствии мер по подавлению водорода и управлению авариями невозможно выполнение всех требований обеспечения водородной безопасности в герметичных помещениях.

К основным требованиям относятся:

1. исключение детонации и дефлаграции водородосодержащих смесей в помещениях, расположенных в объеме, ограниченном герметичным ограждением, при проектных авариях;

2. детонация водородосодержащих смесей исключается, а дефлаграция допускается при условии, если локализующие системы безопасности выполняют функции, определенные проектом атомной станции.

Таким образом, концепция обеспечения водородной безопасности для сценариев такого типа, как тяжелые аварии с повреждением активной зоны, сопровождающиеся окислительными реакциями с цирконием и сталью с выделением водорода, предусматривает выполнение сочетания следующих мер: применение системы пассивных каталитических рекомбинаторов водорода и мер по инертизации среды паром путем управления спринклером.

При выборе мест размещения рекомбинаторов рекомендуется равномерное по объему контейнмента распределение мощностей рекомбинаторов. Выбираем 37 рекомбинаторов типа РВК-2 производительностью 0,81 г/с при концентрации водорода 5 %. К моменту образования максимальных концентраций система пассивных каталитических рекомбинаторов снизит количество водорода на 150 кг, что обеспечит выполнение требований водородной безопасности в конкретных условиях тяжелых аварий на АЭС.

Список литературы

1.Правила обеспечения водородной взрывозащиты на атомной станции. – М.: Госатомнадзор России, 2002. – 20 с.

2.Учебный материал для обучаемого. Система удаления водорода из герметичных помещений системы локализации аварий 3 блока Кольской АЭС. –

М.: 2010. – 19 с.

3.Системный тяжелоаварийный код СОКРАТ/В1. Руководство пользователя. – М.: АНО ЦАБ ИБРАЭ РАН, 2010. – 8 с.

231

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ МОДЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ1

Д.В. Косолапов, к.т.н. СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН

660049, г. Красноярск, ул. Мира, 53, тел. (391) 277-296 e-mail: dmitrikos@gmail.com

Уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям: автоматизации производства, интенсификации рабочих процессов и транспорта, экономии материалов и энергии. Низкий уровень надежности оборудования вполне может приводить к серьезным затратам на ремонт, длительному простою оборудования, к авариям и т.п.

Системы очень разнообразны и состоят из большого количества взаимодействующих механизмов, аппаратов и приборов. Первые простейшие машины состояли из десятков или сотен деталей, а, к примеру, система радиоуправления ракетами состоит из десятков и сотен миллионов различных деталей. В таких сложных системах в случае отсутствия резервирования отказ всего одного ответственного элемента может привести к отказу или сбою в работе всей системы.

В настоящее время наблюдается быстрое и многократное усложнение машин, объединение их в крупные комплексы, уменьшение их металлоемкости и повышением их силовой и электрической напряженности. [1]

Множество моделей систем рассматриваемых в аспекте их надежности включают в себя модели с различными внутренними связями, последовательными, параллельными либо смешанными и смешанными на различных уровнях, где требуется взаимное резервирование и т.д.

Рис. 1. Модель системы с параллельными связями

В настоящей статье рассмотрена модель с параллельными связями и ее поведение при разрушении этих связей и материала этих связей. Задача включала в себя исследование надежности системы с десятью элементами, функционирующими параллельно (рис. 1) и решалась с использование метода конечных элементов. Предварительно элементы в системе были нагружены силой F (рис. 3,а) при этом нагрузка распределялась равномерно среди всех несущих элементов. Затем моделировались последовательные отказы элементов путем удаления из расчета соответствующих конечных элементов (рис. 3,б). Таким образом, происходили скачкообразные всплески внутренней энергии системы, ее перераспределения на

1 Работа выполнена при поддержке РФФИ проект 11-08-00945

232

ВТСНТ – 2013

оставшиеся в работе элементы. На каждом шаге проверялись критерии разрушения материала по максимальным пластическим деформациям и эквивалентным напряжениям. При превышении максимальных значений происходил автоматическое «разрушение» элемента (рис. 3,в).

Рис. 2. Модели материалов; 1 и 2 – упругопластические, 3 – идеально пластичный и 0 – упругий

Рис.3. Изменение распределения полей напряжений в системе при разрушении связей

Для оценки надежности системы было принято отношение внутренних энергий системы с идеально упругой моделью материала к энергиям систем с упругопластическими моделями материалов K = E (m1)/ E(m2) (рис. 4). Внутренняя энергия вычислялась на основе шести компонентов напряжений и деформаций (тензорные величины). Расчет делался постепенно для каждого элемента следующим образом: (IE) новый = (IE) + старая сумма по всем шести направлениям (напряжения * дополнительные деформации * объем). Внутренние энергий всех элементов суммировались для получения общей внутренней энергии. [2]

233

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

Рис. 4. Отношение внутренних энергий системы с моделью упругого материала; 1 – к материалу1 (рис. 2); 2 – к материалу2 (рис. 2); 3 – к материалу3 (рис. 2)

Таким образом, быстрое увеличение показателя надежности (K) говорит о быстрой потери устойчивости системы. Как видно из графиков, представленных на рисунке 4 видно, что система с параллельными связями и идеально пластичной моделью материала имеет худшие показатели надежности в отличие от той же системы с элементами из упрочняющихся материалов.

Список литературы

1.Кубарев А.И. Надежность в машиностроении. – М., Изд-во стандартов, 1977.

2.John O. Hallquist. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation. - 1998.

СВЧ УСТРОЙСТВА АДАПТИВОГО ТИПА ДЛЯ ИНТЕСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОЙ МАССЫ

М.С. Лапочкин, асп., О.Г. Морозов, д.т.н., проф.

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.

Туполева - КАИ, 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, тел. +7 (937)-5224-114

E-mail: 11marat@mail.ru

Введение.

В современной промышленности и хозяйстве существует широкий круг задач, связанных с переводом воды из твердого фазового состояния в жидкое. Многие актуальные вопросы, такие как: размораживание труднодоступных послеаварийных участков мерзлых магистралей трубопроводов и теплотрасс; размораживание ягод, фруктов и других пищевых продуктов, с высоким содержанием воды, после транспортировки в холодильных камерах с сохранением их качества и товарного вида; добыча пресной воды из арктического льда путем его плавления и т. д. рациональнее решать с использованием энергии ЭМП СВЧ диапазона в качестве источника интенсификации теплообмена.

Благодаря безусловным преимуществам уникальной природы воздействия энергии ЭМП СВЧ диапазона на жидкие фазы воды и твердофазные кристаллические решетки, образованные молекулами воды, в виде следующих эффектов: объемного характера воздействия, повышающего эффективность процесса плавления за счет образования в объеме обрабатываемой среды локально

234

ВТСНТ – 2013

распределенных тепловых источников воздействия; отсутствия продуктов сгорания

изагрязняющих факторов при СВЧ обработке; возможности достижения высоких скоростей нагрева в виду мгновенности преобразования СВЧ энергии в тепло; безынерционности работы генераторного оборудования, благодаря чему возможно мгновенное регулирование уровнем мощности и моментом ее подачи; возможности автоматизации технологических процессов; комбинирование СВЧ воздействия с другими способами теплообмена, например, паром, горячим воздухом, инфракрасным или ультразвуковым излучением и др. представляется возможность создания, разработки и реализации устройств для выполнения различных, доселе невыполнимых или сложно разрешимых актуальных задач.

Широкое применение воздействия энергии ЭМП СВЧ диапазона для интенсификации теплообменных процессов, сопровождающихся фазовыми переходами, обусловлено современными требованиями экологических стандартов, использованием энерго-, ресурсо-, эффективных технологий, получением высококачественных производственных продуктов, материалов и изделий.

Работы [1],[2] посвящены математическому моделированию фазовых переходов в плоскослоистой структуре при СВЧ нагреве, а также управлению движением границы раздела фаз при СВЧ нагреве снега. В работе [3] рассмотрены вопросы разработки функционально адаптивных реакторов для СВЧ-обработки термореактивных и термопластичных полимеров. Проблема повышения эффективности таяния снежно-ледяной массы посредством применения водоотвода

ипутем комбинированной энергетической обработки СВЧ электромагнитным полем и ультразвуковым излучением рассмотрена в работах [4]-[6].

Основная часть.

Следующим этапом в совершенствовании устройств для плавления снежноледяной массы, на базе СВЧ энергии применяемой в качестве основного источника воздействия, является разработка энергоэффективного адаптивного устройства с системой автоматического управления процессом обработки снежно-ледяной массы.

Экспериментальная установка.

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис.1. 1 – рабочая камера таяния; 2 – волновод; 3 – микроволновый генератор; 4 – блок управления микроволновым генератором; 5 – ультразвуковая колебательная система; 6 – ультразвуковой генератор; 7 – блок управления ультразвуковым генератором; 8 – система водоотвода; 9 – прибор учета активной электроэнергии; 10 – измеритель температуры; 11 – исследуемая среда из различных фаз воды, 12 – блок измерения и контроля диэлектрических характеристик и мощности.

235

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

движении межфазной границы таяния. Ставится задача определения температурного поля в трехслойной среде из снега, льда и воды с учетом фазовых преобразований и движения границы таяния. При этом, исследуются различные взаиморасположения слоев: а)снег/лед/вода; б)лед/снег/вода; в)вода/снег/лед; г)лед/вода/снег; д)вода/лед/снег; е)снег/вода/лед.

Математическая модель микроволнового нагрева среды состоящей из различных фазовых состояний воды, а именно твердой фазы (снега, льда) и жидкой фазы (воды) с учетом фазовых преобразований и движения межфазной границы таяния обобщенно представляется в виде модели показанной на рис.2.

Допущения:

1)Электромагнитная волна TE10 ,

распространяющаяся по камере прямоугольной формы, не зависит от оси Y. Поэтому, электромагнитное поле принимается, как двухмерное, зависящее лишь от осей X, Z;

2)Отсутствует поглощение микроволновой энергии воздухом внутри камеры;

3)Стенки камеры вдоль оси Z являются абсолютно проводящими;

4)Отсутствует влияние емкости образца на электромагнитное поле.

Поскольку, предполагается, что на исследуемый образец воздействует

Граничные условия:

- Абсолютно проводящие стенки. Граничные условия на поверхностях боковых стенок камеры выглядят: Et 0, Hn 0, где, n – нормальная и t – тангенциальная

компоненты.

- Граничные условия между воздухом и поверхностью исследуемого материала принимают вид: Et Et , Ht Ht , Dt Dt , Bt Bt , где обозначение одного из

материалов.

- Поглощающие граничные условия. На нижней стенке камеры выполняются следующие поглощающие условия: Ey t Ey z .

Электромагнитная волна, излученная от магнетрона, представляется в виде следующих компонент: Ey Eyin sin xLx sin 2 ft ,

Hx Eyin ZH sin xLx sin 2 ft , где

236

ВТСНТ – 2013

поля, Lx – длина камеры вдоль оси X, ZH – волновой импеданс, определяющийся,

как: ZH g ZI g .

Поток мощности связан с распространяющейся электромагнитной волной с помощью вектора Пойнтинга: S 12Re E H . Теорема Пойнтинга позволяет определить подводимую микроволновую энергию представляющуюся, как:

Pin SdA A4ZH Eyin2 , где ZI – полное входное сопротивление, зависящее от

A

свойств материала, и g – длины волн в вакууме и рабочей камере таяния.

Допущения:

1)Температурное поле также как, электромагнитное поле принимается, как двухмерное, зависящее лишь от осей X, Z;

2)Стенки исследуемого образца изолированы;

3)Влиянием емкости таяния на температурное поле пренебрегается;

4)В образце отсутствует явление естественной конвекции;

5)Исследуемые фазы находятся в локальном термодинамическом равновесии;

6)Исследуемая среда однородна и изотропна.

Основное энергетическое уравнение, описывающее изменение температуры в исследуемом образце зависит от формулы теплового рассеивания. Для двухмерного теплового потока с постоянными тепловыми параметрами для твердой фазы воды (снега, льда) и «жидкой» воды, выглядит как:

где Q – локальная электромагнитная энергия, которая является функцией электрического поля, определяется как: Q 2 f 0 r tan Ey2 .

Граничные условия:

-Условие адиабатичности. Стенки исследуемого образца изолированы: T n 0.

-Условие движения границы таяния. Движение границы между слоем находящимся в твердом состоянии и жидким слоем описывается с помощью формулы Стефана:

скорость движения границы таяния, Ls – скрытая теплота плавления.

Для проведения численного моделирования выполняется преобразование физической области в расчетную, поэтому вводится криволинейная система

x,z .

Врезультате проведения вычислительного эксперимента получены распределения полей температур в исследуемых трехмерных структурах.

Например, на рис.3 показаны результаты математического моделирования распределения температурного поля в исследуемом образце (в) вдоль оси z при изменении длительности микроволнового нагрева в моментах времени: 120, 240, 360 с.

Таким образом, путем численных расчетов установлено, что жидкий слой воды нагревается наиболее эффективнее благодаря более высокому показателю тепловых потерь, чем слои снега и льда (твердое фазовое состояние).

237

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

Рис.3. Распределение температуры вдоль оси z втрехслойной структуре образца (в) при изменении длительности микроволнового нагрева.

Выводы по работе:

1.Построены и исследованы математические модели процесса таяния снежноледяной массы под воздействием СВЧ с адаптивным управлением;

2.Проведена экспериментальная верификация математической модели на разработанном лабораторном макете;

3.Выработаны предложения и рекомендации к разработке и проектированию СВЧ устройств для обработки снежно-ледяной массы.

Список литературы:

1.Анфиногентов, В.И. Управление движением границы раздела фаз при СВЧ нагреве снега / В.И. Анфиногентов, А.А. Тахаув // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2011. – Т.14 – №1. – С. 66–70.

2.Анфиногентов, В.И. Численное моделирование фазовых переходов в плоскослоистой структуре при СВЧ нагреве / В.И. Анфиногентов, А.А. Тахаув // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. – 2010. –№3. – С. 159–163.

3.Морозов, Г.А. Резонансные методы мониторинга технологических процессов отверждения полимеров в функционально адаптивных СВЧ-реакторах / Г.А. Морозов, О.Г. Морозов, А.Р. Насыбуллин, Р.Р. Самигуллин, А.С. Шакиров // Известия Самарского Научного Центра РАН. – 2012.– Т.14 – №1(2). – С. 568–572.

4.Лапочкин, М.С. Исследование процесса микроволнового нагрева различных фаз воды в виде трехслойных структур: теория и эксперимент / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов // Вестник МарГТУ. Серия радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2011. – Т.12 – №2. – С.24–29.

5.Лапочкин, М.С. Повышение энергоэффективности процесса микроволнового нагрева снежно-ледяной массы посредством применения водоотвода / М.С. Лапочкин, О.Г. Морозов, Г.А. Морозов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2012. – Т.15 – №1. – С.84–88.

6.Лапочкин, М.С. Повышение эффективности процесса таяния снежно-ледяной массы при комбинированном энергетическом воздействии микроволнового и ультразвукового полей / М.С. Лапочкин // Известия Самарского Научного Центра РАН. – 2012. – Т.14 – №1(3). – С.894–899.

238