Litera /I/
Sborník ústavu^řo výzkum strpjů £ ř JKI, HCSAV, Praha, 1955 - 1958
/2/
Základní problémy Ve^stavbě spalovacích turbin^tícSAV, Praha, 1982
m
Sborník referátů z vědeckotechnická ložení SVOSS, Praha, 1976"%^
/Ar/
Moderní metody konstrukce strojů^ vysokou užitnou hodnotou, Dům teohniky CSVTS Praha, 1981 Návrh lopatkových strojů ^využitím po5í$ače, ČSVTS při SVtfsS, Praha 1985 Perspektivní konce Praha, Bšchov-
ice uspořádané k 30. výročí za-
tního výzkumného ústavu pro stavbu strojů,
Äo
PRÁCE ODBORU TERMO1IECHAHIKA PRO JADERHOU ENERGETIKU A PR0MYSLOVOU TEPELNOU TECHNIKU Ing. Vojtěch Hlavačka, CSc. Uplynulé desetiletí činnosti odboru Termomechanika lze charakterizovat úsilím přispět výrazněji k pokroku ve stavbě teplosměnných zařízení. "V souvislosti s rozvojem jaderné energetiky byla významná část prací věnována problémům termohydrauliky jaderných reaktorů a parních generátorů. V oblasti průmyslové tepelné techniky šlo o široké spektrum úkolu zaměřených na racionalizaci spotřeby energie e kovových materiálů a na inovační procesy v oboru výměníků tepla* Výrazného pokroku se dosáhlo v matematickém modelování tepelně transportních dějů, které se pro budoucnost jeví jako efektivní prostředek řešení složitých úloh při kombinovaném přenosu tepla v průmyslových zařízeních. 1. Úvod Ve druhé polovino, sedmdesátých let započala významná etapa rozvoje teplosměnnýcb seřízení vyvolaná potřebami zejména nastupující jaderné energetiky, racionalizace veškeré spotřeby energie a využívání druhotných i netradičních energetických zdrojů. Přinesla nové náročné požadavky, které ovlivnily v mnoha směrech výzkumné práce v oboru tennokinetiky. d á v n í aspekty tohoto trendu jsou charakterizovány nutností zajistit vyšší životnost, spolehlivost a bezpečnost provozu tepelných zařízení, vypracovat nové zpřesněné podklady a postupy pro výpočty a návrhy teplosměnných" zařízení a povinností pomec$. psůmyslovým závodům k zavádění nových progresivních výrobků i při inovaci dosavadního sortimentu tepelných agregátů. Činnost odboru Termomechanika se v tomto desetiletém období postupně soustředila na tři základní směry. Přibližně 40% produktivní vědecko-výzkumné kapacity bylo věnováno problematice tepelných zařízení pro jadernou energetiku; šlo o práce zaměřené na - stadium účinku havarijních výtoků parovodní směsi na modelu šachty jaderného reaktoru typu W E R , - výzkum kritických hustot tepelných toků na modelovém palivovém článku při stacionárních i nestacionárních režimech průchodu chladivá a sestavení příslušné databanky, - prognózy životnosti trubek parních generátorů Bodík-voda pro budoucí elektrárny s rychlými reaktory, - spolehlivost vybraných typů armatur pro jaderné elektrárny. V průměru pouze o něco větší rozsah měly práce zaměřené na řešení úkolů v široké oblasti průmyslové tepelné techniky; rozhodující část se týkala teploeměnných zařízení a zahrnovala - kondensátory a chladiče páry, - teplofikační výměníky a zásobníkové ohřívače vody, - solární kolektory a zařízení k přípravě TUV, - otopná tělesa a'sálavé panely k lokálnímu vytápění.
-
otopné soupravy pro vzduchotechniku a železniční trakci, rekuperátory a ohřívače vzduchu z tepelných trubic, výparné chladiče vody, různé typy chladičů vody, olejů a jiných kapalin, chladicí soupravy pro těžké stavební a zemní stroje, výměníky k využití odpadního tepla spalin, zařízení na principu tepelných trubic pro chlazení v elektrotechnice.
Zbývající část pracovní kapacity připadá na rozvoj efektivních metod matematického modelování přenosu tepla v průmyslových tepelných zařízeních. S ohledem na přicházející požadavky ze spolupracujících organizací byly práce v tomto směru věnovány - narážecím a krokovým pecím pro válcovny, - poklopovým a válečkovým pecím pro tepelné zpracování, - rsakčním procesním pecím parního reformingu, - pekárenským pecím. Lze konstatovat, že výsledky prací vedoucí k významným realizačním efektům patří převážně do posledních dvou oblastí aktivity odboru Termomechanika. 2. Termohydraulika Jaderně energetických zařízení T rámci státního úkolu AO1-123-1O1 "Jaderně energetická zařízení s lehkovodními reaktory" byly pro k.p. ŠKODA Plzeň, ZES a ve spolupráci s OKB Gidropress Podolsk (SSSR) řešeny úkoly zaměřené na výzkum bezpečnosti vnitřních částí reaktoru W E R při havárii se ztrátou chladivá /l/. náročné experimentální práce se prováděly na tlakové nádobě, do která se postupně vkládaly jednotlivé modely vnitřních vestaveb od nejjednodušších, tvořených válcovou trubkou, až po model vestaveb reaktoru W E R 440 v měřítku Is8. Cíl prací představoval určení velikosti a časového průběhu změny tlakového pole, napěťové odezvy a relativního posuvu vestaveb vůči tlakové nádobě na počátku simulované .havárie se ztrátou chladivá, t.j. během počáteční fáze šíření rázových vln. Získané výsledky prokázaly konzervativnost dosavadních představ, že vestavby se chovají jako dostatečně tuhé. Zároveň se podařilo získat potřebnou databázi pro vývoj výpočetních modelů, zahrnujících vzájemnou vazbu hydrodynamických a elastomechanlckých jevů. Výsledky provedených prací tvoří součást technická dokumentace výrobce tlakových nádob jaderného reaktoru a jsou též podkladem pro bezpečnostní zprávu jaderné elektrárny. Další řešený úkol pro ZES k.p. ŠKODA v témže státním úkole se týkal experimentálního stanovení zákonitostí krlse varu při průtoku chladivá palivovými Slánky reaktorů W E R 440 a 1000 /2/. K tomu účelu bylo vybudováno zkušební zařízení umožňující provádět experimenty na elektricky vytápěných modelech palivových článků v širokém rozsahu hmotnostních průtoků, tlaků i hmotnostních podílů páry, zahrnující nominální, přechodové i havarijní stavy. Experimenty se prováděly jak při stacionárních, tak 1 nestacionárních režimech, charakterizovaných výpadkem cirkulačních čerpadel. Výsledky měření vedly k odvození nová univerzální korelace, která výrazně zpřesňuje dosavadní podklady k určení kritické hodnoty tepelných toků (střední kvadratická odchylka ± 1156). Její spolehlivost byla dále ověřena na početném souboru publikovaných 'experimentálních dat, získaných v laboratořích v SSSR, USA, Švédsku, Itálii a ve Velké Britanii a to na modelech o různých geometrických konfiguracích. 75
Obr. 1 Modely šachty reaktoru typu TVER na zkušebně havarijních jevů Odvozená korelace pro kritické tepelné toky vychází z lokálních parametrů chladivá v místě největšího tepelného zatížení. X nalezení tohoto místa slouží původní výpočtový program VEVERKA /3/ postupně rozšířený pro celý palivový soubor reaktorů W E R 440 a 1000* Vypracovaný program byl standardizován řídící komisí ČSKAE pro naše pracoviště a předán k využívání do SSSR; na základě návrhu sovětských specialistů představuje nyní jednotný etalon pro země RVHP. Pomocí komplexního programového systému VEVERKA došlo k budování inženýrských kódů řady CALOPEA, orientovaných na řešení konkrétních úloh především pro potřeby provozní a bezpečnostní dokumentace čs. jaderných elektráren s minimalizovanými nároky na objem vstupních dat a složitost uživatelské obsluhy programu. Významným počinem bylo vybudování databanky /4/ experimentálních údajů 0 krizi varu v palivových článcích jaderných reaktorů v rámci úkolů AO1-159-1O3 a A01-159-1114 řešených ve spolupráci s ÚJV Sež. Banka shromažauje a jednotnou formou zpracovává více než 15 000 výsledků nákladných měření získaných u nás 1 v řadě světových laboratoří. Programové vybavení banky umožňuje přímé zpracování tohoto rozsáhlého materiálu výpočetní technikou. Vybudovaná vazba mezi programem VEVERKA a databankou dovoluje velmi efektivní analýzu dat krize varu. Práce věnované problematice parních generátorů sodík-voda pro jaderné elektrárny s rychlými množivými reaktory probíhaly v dlouhodobé spolupráci s tfjV 5ež a Vfez Brno. Jejich cílem bylo vytvořit podklady pro predikci charakteru fluktuací teploty stěny trubky při tzv. krizi varu II. druhu, tj. při zániku
76
prstencového proudění parovodní směsi uvnitř trubky při vysokých tepelných tocích a s jejich využitím určit dobu životnosti těchto vysoce exponovaných trubek. Experimentální práce se v první etapě prováděly na elektricky vytápěné trubce, v druhé, hlavní etapě, na trubce protiproudého modelového výměníku sodíkvoda, který pak byl součástí unikátního pokusného zařízení s automaticky řízeným vodním a sodíkovým okruhem. Experimentální práce a následná analýza vedly
Obr. 2. Záznam kritického výtoku parovodní směsi k závažným závěrům /5/, /6/. Statistická vyhodnocení záznamů teplotních fluktuací a jejich přepočet na vnitřní povrch trubky ukázaly, že směrodatné odchylky teploty jsou podstatně menší než při elektrickém ohřevu horizontální trubky a nebo na vertikálních trubkách* Lze proto očekávat, že z hlediska životnosti trubek teplotní fluktuace, jejichž hlavní složka vykazuje frekvenci na úrovni 1 Hz, nebudou u horizontálních trubek příliš významné. Experimentální výzkum byl dále podložen matematickým modelováním nestacionárního teplotního pole ve stSnŠ horizontálních trubek, založeným na představě periodického axiálního pohybu jazyků kapaliny a páry po vnitřní stěně trubky. Výpočtové modely obráceného parního generátoru (OPG) sodík-vods se šroubovicovými vestavbami podle konstrukce Vfez byly zaměřeny na orientační řešení limitních jednorozměrových případů s podélným protiproudým a příčným obtékáním svazku trubek vodou nebo párou. Potřeba jejich zpřesnění byla realizována re afektováním rozdílných termohydraulických podmínek v radiálním směru. Vypracovaný program výparné části OPG poskytuje výsledky nezbytné k odhadu životnosti trubek 0F6 v oblasti krize přestupu tepla. Ke kontrole termodynamické rovnováhy v místech předpokládané existence separovaného proudění v OPS byla vyvinuta odsávaná teplotní sonda a ověřena experimentálně ve směsi proudu vzduchu a vodních kapek i teoretickým rozborem. Na základě dosažených výsledků se očekává, že údaje této sondy budou minimálně ovlivňovány podmínkami skrápění v libovolné poloze vůči dvoufázovému proudu. Stávající pokusné zařízení pro výzkum krize varu v palivových článcích reaktorů W E B se průběžně využívalo k ověřování funkční spolehlivosti uzavíracích armatur pro jaderné elektrárny při teplotách a tlacích shodných s provozními parametry. Provedené zkoušky na armaturách Js 10 až Js 300 pro Jt 30 až Jt 180 podporují koncernovým podnikům SIGMA export těchto výrobků zejména do SSSR.
77
3. Hlavní výsledky dosažené v oblasti Základním posláním odboru Termomechanika je být vedoucím pracovištěm resortu v oboru přenos tepla a hmoty* Toto poslání se v největší míře realizuje právě při řešení problematiky tepelně-transportních dějů v průmyslových tepelných zařízeních. Zvládnutí mnohdy složitých úkolů se opírá jak o experimentální, tak i o teoretické postupy a metody k získání potřebných poznatků. Převážná část prací souvisela tradičně s tepelnými výpočty výměníků a s návrhy celých teplosměnných systémů pro nejrůznější případy průmyslového užití, často s koncepčně novými typy teplosměnných elementů nebo povrchů, nezanedbatelný podíl představuje ověřování funkčních charakteristik prototypů a nových výrobků tepelné techniky a z něho plynoucí návrhy na optimalizaci a na zdokonalování přístupů v metodice tepelných výpočtů. V této pětiletce byl ukončen soubor dlouhodobějších prací týkajících se přenosu tepla v kondenzátorech páry, zahrnující mj. i otázky stabilizace kondenzace uvnitř trubek topného svazku mezipřihříváku páry u turbíny 1000 JIW na vlhkou páru. Výsledky umožňující experimentálně ověřené určování kriterií pro bezpečný provoz těchto zařízení převzal k realizaci k.p. ŠKODA, ZES. Pro stejný závod se řeší úkoly spojené e vývojem disperzních chladičů páry v obtoku parních turbín. K významných efektům, spočívajícím především v úspoře kovů a provozních nákladů přispěly práce zaměřené na inovaci výměníků tepla pro stanice CZT (výměníky pára-voda, voda-voda) a zásobníkových ohřívačů vody /7/, /8/, /9/. Experimentální ověření vlastností jednotlivých prototypových řad vedlo k vypracování podrobných výpočtových podkladů pro potřeby projektantů. Úspěšná spolupráce na tomto úseku probíhala s n.p. Ocelové konstrukce Žilina, ZVÚ Hradec Králové i s jinými organizacemi. Hemalá pozornost se věnuje podpoře záměrů SCP 02, zejména na úseku žádoucího využívání netradičních a druhotných energetických zdrojů. Ha nově vybudované zkušebně solární techniky /10/ se podle vypracované jednotné metodiky prověřovaly téměř všechny prototypy solárních kolektorů naší produkce. Ve spolupráci e hlavními výrobci (np. Elektrosvit tfové Zámky, Závody SKP Žiar n.H., OPS Kroměříž) se na základě systematického rozboru dlouhodobých měření podařilo zvýšit účinnost současně vyráběných kolektorů až o 1056 a vyrovnat tak jejich výkonové charakteristiky na světovon úroveň. T oboru vytápění se výzkumné práce soustřeSovaly převážně na experimentální vyšetřování funkčních vlastností různých typů otopných tgles a v poslední době i sálavých panelů a na sestavování podkladů pro projekční činnost. Lze kon- . statovat, že převážná část 'vyráběných těles prošla testováním na naší kalorimetrické komoře* Bále Be odbor Termomechanika trvale podílel na inovaci vytápěcích soustav ZITA a otopných systémů pro motorové a přípojné vozy železniční trakce. Mezi spolupracující organizace se zde řadí VSŽ Košice, CKD WKLk, TO Likov Liberec, VÍKY, většina podniků koncernu CSVZ, STROS Sedlčany a řada dalších. V průběhu 7. PÍP, e využitím dříve započatých prací charakteru základního výzkumu /li/, /12/, se podařilo úspěšně zakončit etapu výrobní realizace rekuperátorů na principu gravitačních tepelných trubic. Z hlediska našeho tepelného
78
hospodářství jde zvláště o nové výrobky k.p. Vzduchotechnika Nové Mesto n.V.f Instalované již v desítkách provozů, kde přinášejí významná energetické úspory; v mnohých případech podstatně omezují např. spotřebu topných olejů.
Obr. 3. Pohled do hlavního zkušebního sálu; v popředí stend pro výzkum přestupu tegla na intenzifikovaných teplo— směnných plochách ITa úseku chladicích soustav pokračovala účinná spolupráce s vtfszS Brno při výzkumu a vývoji chlazení mobilních strojů (nakladače, vibrační válce, univerzální zemní stroje); její těžiště spočívalo ve zpracování koncepčních návrhů těchto soustav a v experimentálním ověřování příslušných výměníků - chladičů vody a olejů /13/. Inovované chladicí soustavy umožňují spolehlivou práci mobilních strojů i pří náročných klimatických podmínkách, jak v současné době požadují především zahraniční odběratelé. Ve spojitosti s těmito úkoly se řešila řada zakázek s podobným zaměřením. Výměníky s využitím odpadního tepla spalin stojí v popředí našeho zájmu trvale. Jde např. o radiační rekuperátory, konvekční nebo kombinované rekuperátory,' výměníky pro. spalovací turbiny, ohřívače vzduchu pro petrochemické pece, na jejichž řešení se pracovníci odboru v průběhu poslednxch deseti let produktivně podíleli. Nově vznikají požadavky na návrhy výměníků spaliny-voda, k jejichž některým koncepcím jsou již k dispozici první zkušenosti. V několika posledních letech se ukázalo účelné zahájit práce na výzkumu a vývoji nových výkonných elementů pro chlazení v silnoproude elektrotechnice
79
Obr. 4. Zařízení pro výzkum výkonových charakteristik tepelných trubic pro stavbu rekuperátorů a v elektronice. S využitím -výhodných vlastností gravitačních a kapilárních tepelných trubic se dospělo k pokrokovým konstrukcím chladičů tyristorů, zařízením k odvodu ztrátového tepla u rozvaděčů a k rozmanitým provedením chladičů elektronických součástek, které s nadějnými výsledky prošly experimentálním ověřováním. V současné době probíhá vývojově technické pomoc při náběhu výroby těchto prvků v k.p. Vzduchotechnika Vové HeBto n.Y. a v np. EOH-I-HOOR Praha. Ha praktických aplikacích se podílejí závody Trakce, Elektrotechnika a Polovodiče o.p. 6 K D Praha.
Obr. 5. Zkušební traí k ověřování chladičů tyristoru 80
4. Matematické modelování přenosu tepla V případech velkých průmyslových zařízení je podrobnější experimentální výzkum mechanizmu přenosu tepla přímo na díle prakticky nemožný a nebo nadměrně nákladný. Pokrok počítačové techniky umožnil simulaci práce takových zařízení a jejich provozních režimů pomocí matematického modelování. Na jeho rozvoji se odbor Termomechanika soustavně podílí od počátku sedmdesátých let. Lze konstatovat, že úsilí vynaložené v tomto směru přináší nyní významné výsledky, na kterých se již od počátku významně účastní k.p. ŠKODA., závod Klatovy. Za této spolupráce vznikly matematické modely tepelných dějů probíhajících v narážecích a krokových pecích pro ohřev oceli /14/, /15/ i modely tepelné práce poklopových /l6/ a válečkových pecí /17/, které společně s odvozenými zjednodušenými výpočtovými programy představují kvantitativní pokrok v úrovni prostředků pro tepelný výpočet zmíněných agregátů. 0 zpracované programové soubory jeví zájem řada podniků, např. k.p. Vítkovice, ŽBC Hrádek, TŽ VŽSR Třinec, INORGA, s cílem aplikovat je pro vlastní potřeby.
Obr. 6. Vysokoteplotní spalovací komora s modelovým prostorem pro studie v oblasti přenosu tepla zářením V součinnosti a VtfCHZ Brno se přistoupilo k řešení problematiky radiačních komor pecí parního reformingu. Složité termokinetické poměry na apalinové straně bylý zvládnuty 'využitím originálně zpracované zonální metody* Spojením s procesem chemických přeměn uvnitř reakčních trubek vznikl komplexní programový soubor k navrhování pecí tohoto typu. /18/.
81
Zmíněné práce přinesly mj. i některé nové poznatky teoretického charakteru, především v přenosu tepla zářením a v technice programování extrémně složitých úloh. Ty pak se využívaly k řeěení obdobných úkolů, např. při výpočtech tepelných charakteristik plynových a elektrických pekařských pecí nebo při analýze přenosových jevů v radiačních plsšíových rekuperátorech. Nelze opomenout přínos matematického modelování pro stavbu výparných chladičů vody /19/ od menších jednotek až po chladicí věže jaderných elektráren. Vypracované programy i zde usnadňují prověřovat komparačně navrhované koncepce a s využitím dílčích experimentů předpovědět výsledné vlastnosti projektovaných zařízení. Závěrem lze konstatovat, že dosažené výsledky za poslední desetiletí činnosti odboru Termomechenika, skutečné ekonomické přínosy přesahující částku 0,5 ml d Kčs, rozvinutá teoretická a experimentální základna pro výzkum v oboru přenosu tepla a hmoty spolu s bohatými zkušenostmi a tvůrčí erudicí vědeckých i odborných kádrů naznačují i do budoucna schopnost a pohotovost k zvládnutí náročných úkolů zejména 8. PLP. Pro toto období se rovněž jeví jako nezbytné podporovat i nadále velmi těsnou kooperaci se zadavateli úkolů a společně usilovat o naplňování žádoucích cílů vědecko-výzkumné práce. Literatura /I/ Experimentální výzkum vlivu .rázových vln na válcový model šachty reaktoru při LOCA havárii. Zpráva SVtfss 82-05002, 1982. /2/ Krize přestupu tepla při nestacionárním průtoku chladivá. Zpráva SVtfss 8405012, 1984. /3/ Program VEVERKA pro termohydraulický výpočet palivových kazet jaderných reaktorů včetně neutrono-fyzikálního bloku a vazby na řešení primárního okruhu. Zpráva SVUSS 80-05029, 1980. /4/ Základní analýzy databanky experimentálních hodnot krize varu. Zpráva SVÚSS 85-05020, 1985. /5/ Experimentální výzkum fluktuací teploty stěny horizontální trubky v krizové oblasti přestupu tepla. Zpráva SVOSS 80-05013, 1980. /6/ Experimentální výzkum teplotních pulzací ve stěně horizontální trubky modelového výměníku sodík-voda v krizové oblasti přestupu tepla. Zpráva SVÍS S 85-05010, 1985. Ill Tepelné a hydraulické charakteristiky inovované řady výměníků z výrobního programu np. Ocelové konstrukce Žilina. Zpráva SVOSS 79-05003, 1979. lei Tepelné a hydraulické charakteristiky stávající řady výměníků np. Hradec Králové. Zpráva SVOSS 81-05004, 1981. ISl Výkonové charakteristiky zásobníkových ohřívačů užitkové vody 8 topnými vložkami inovovaných typů. Zpráva SVOSS 85-05003. 1985* /10/ Zkušební zařízení a metodika měření plochých skunečních kolektorů. Zpráva SVÚSS 79-05017, 1979. /li/ Směrnice pro výpočet a návrh tepelných trubic a podklady pro jejich aplikaci u vybraných strojních částí a tepelných zařízení. Zpráva SVOSS 80-05007, 1980. /12/ Výpočtová,a experimentální studie tepelných trubic s mezními parametry. Zpráva SVIÍSS 79-05015, 1979. /13/ Soupravy pro přímé chlazení oleje u mobilních strojů. Zpráva SVOSS 85-05015, 1985. /14/ Matematický model průběžných narážecích pecí. Zpráva SVUSS 80-05017, 1980. /15/ Matematický model tepelných procesů v krokové ohřívací peci o výkonu l60t/h. Zpráva SVOSS 82-05013, 1982.
82
;- í • - J -
'
" r
i
- "•
/16/ Směrnice pro tepelný výpočet a optimalizaci řízení, poklopových pecí* Zpráva STOSS 80-05011, 1980. /17/ Výpočet žíhání vsázky ve válečkové peci. Zpráva SV1ÍSS 85-05003, 1985. /18/ Finální verze matematických, modelů pro vyšetřování přenosu:.tepla v radiační komoře pece primárního reformingu. Zpráva SVUSS 85-05009, 1985. /19/ Metodika výpočtu výparných chladičů vody s přirozeným tahem vzduchu*. Zpráva SVUSS 85-05013, 1985.
