Комплексное исследование теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в жидкости

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-79-10363

НазваниеКомплексное исследование теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в жидкости

Руководитель Забиров Арслан Русланович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова Плёночное кипение, переходное кипение, повторный залив, закалка, внутренний источник тепла, остаточное тепловыделение, спинодаль, насыщенная жидкость, недогрев, бинарная смесь, термограмма, обратная задача теплопроводности, индукционный нагрев, микротермопара, видеосъемка, повышенное давление

Код ГРНТИ44.31.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Хотя современные технологии используют пленочное кипение недогретой (до температуры насыщения) жидкости, сегодняшний уровень понимания механизмов теплообмена в этом процессе оставляет много неясных вопросов. 30 лет назад было показано, что пленочное кипение воды при значительных недогревах - это особый вид кипения ("микропузырьковое"), качественно отличный от хорошо изученного процесса в насыщенной жидкости. Для прикладных исследований, например, применительно к закалке, главным является высокий уровень тепловых потоков – до 10 МВт/м2, недостижимый при передаче тепла через паровую пленку. В последнее время, особенно в 2016-20 годы, число публикаций по этой проблеме растет, но комплексные экспериментальные и теоретические исследования теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях проводятся только в научном коллективе авторов настоящей заявки. В работах 2014-18 годов было доказано, что высокоинтенсивный процесс теплообмена на твердой поверхности, перегретой на сотни градусов выше критической температуры жидкости, возникает только в нестационарных условиях при определенном сочетании теплофизических свойств охлаждающей жидкости, ее недогрева до температуры насыщения и тепловой активности охлаждаемого металла. Поскольку процессы переноса в двухфазных системах не имеют строгого математического описания и принципиально не могут быть изучены методами прямого численного моделирования, только сочетание опытных исследований и приближенных физических моделей процессов позволяет строить надежные полуэмпирические уравнения, описывающие взаимосвязи влияющих на процесс параметров. Наш предшествующий опыт, обширный объем полученной экспериментальной информации и ясное понимание качественных закономерностей изучаемого процесса позволяют целенаправленно планировать содержание экспериментов, призванных давать ответы на конкретные вопросы, и на этой основе проводить уточнение ранее предложенной модели. Скорректированная количественная модель процесса будет важным этапом решения научной проблемы создания приближенной теории нестационарного теплообмена при пленочном кипении недогретой жидкости. Этим и определяется несомненная научная новизна проекта. Из технических приложений этой проблемы наиболее актуально прогнозирование развития аварийных процессов в атомной энергетике и управление средствами противоаварийной защиты. Настоящий проект имеет прямое отношение к следующим проблемам безопасного развития атомной энергетики: - В случае аварии с потерей теплоносителя эффективность охлаждения активной зоны реактора зависит от режима пленочного кипения, переход от устойчивого пленочного кипения к интенсивному режиму микропузырькового кипения – реальная гарантия предотвращения расплавления твэлов. - После аварии на АЭС в Японии (2011) выяснилось, что гипотетическая пароциркониевая реакция при нагреве твэлов до высоких температур может стать грозной реальностью; возможность использования в твэлах толерантных к авариям материалов требует исследовать влияние теплофизических свойств этих материалов на теплообмен при нестационарном охлаждении в условиях повторного залива. - В маловероятном сценарии тяжелой аварии с расплавлением активной зоны возникает опасность парового взрыва при попадании кориума в воду; взаимодействие высокотемпературного расплава с водой (fuel-coolant interaction) включает нестационарное пленочное кипение недогретой жидкости, во многом определяющее условия возникновения парового взрыва. - Сегодня в России и других странах разрабатываются проекты реакторов с тяжелым металлом в качестве теплоносителя (БРЕСТ-ОД-300, СВБР-100, ALFRED, PROLFR, LSPR и др.), в некоторых из них парогенератор размещается в корпусе реактора (интегральная компоновка); при разрыве трубы парогенератора раскаленный металл с температурой более 500°С попадает в воду, что с неизбежностью сопровождается нестационарным пленочным кипением. Металлургия и металлообработка – другие технологии, в которых используется взаимодействие высокотемпературных тел с недогретой жидкостью. Понимание механизмов взаимодействия и количественное описание теплообмена позволяет управлять процессом для обеспечения заданной внутренней структуры металла и, следовательно, его механических свойств. Интенсификация процесса охлаждения тел до криогенных температур является еще одной прикладной задачей, в которой нестационарное пленочное кипение занимает основное время охлаждения. В University of Leeds ведутся исследования возможности создания двигателя с азотом в качестве рабочего тела и нулевым уровнем вредных выбросов; прямой впрыск жидкого азота в теплую воду делает важным понимание механизмов их взаимодействия. В рамках настоящего проекта планируется: - Обширная серия экспериментов по охлаждению цилиндрических образцов с внутренним источником тепла; будет проанализировано влияние тепловыделения различной мощности на теплообмен при нестационарном охлаждении образцов выполненных из разных металлов в различных жидкостях. - Экспериментальное исследование влияния свойств поверхности и покрытий на теплообмен при нестационарном пленочном кипении; будут использованы образцы из разных металлов с известной шероховатостью поверхности, варьируемой в диапазоне от 0,1 мкм до 100 мкм, образцы из разных металлов с известной толщиной покрытия, образцы из стали и циркониевых сплавов с различной оксидацией поверхности. - Эксперименты по охлаждению шаров из нержавеющей стали и циркониевого сплава, имитирующие условия послеаварийного залива с предварительным нагревом образцов в атмосфере водяного пара до температур более 1000°С и последующим охлаждением в недогретой воде. - Эксперименты по воздействию затопленной струи охлаждающей жидкости на горячую поверхность; исследование теплообмена при струйном охлаждении высокотемпературных образцов в атмосфере аргона и воздуха. - Численные моделирование нестационарных полей температуры при воздействии локальных стоков тепла в зоне контакта жидкость-твердое тело.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ягов В.В., Минко К.Б., Забиров А.Р. Two distinctly different modes of cooling high-temperature bodies in subcooled liquids Elsevier, International Journal of Heat and Mass Transfer 167 (2021): 120838 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120838

2. Забиров А.Р., Ягов В.В., Лексин М.А., Молотова И.А. Effect of surfactant concentration on the beginning of intensive cooling regime in subcooled water IEEE (год публикации - 2021)
10.1109/REEPE51337.2021.9388011

3. Забиров А, Молотова И, Рязанцев В, Губанова Т и Ягов В Features of cooling bodies with a high coefficient of thermal effusivity in subcooled mixtures IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series, 2057, 012054, IOP Publishing (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2057/1/012054

4. Канин П, Губанова Т, Забиров А, Шербаков А, Ягов В An experimental investigation of film boiling with submerged impinging jet IEEE Xplore, 2021 3rd International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2021, pp. 1-5. (год публикации - 2021)
10.1109/REEPE51337.2021.9388028

5. Виноградов М., Забиров А., Молотова И., Молотов И. Using a neural network in a thermophysical problem IEEE Xplore, M. M. Vinogradov, A. R. Zabirov, I. A. Molotova and I. M. Molotov, "Using a neural network in a thermophysical problem," 2021 3rd International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2021, pp. 1-5 (год публикации - 2021)
10.1109/REEPE51337.2021.9387970

6. Виноградов М.М., Забиров А.Р. The use of a neural network for determining the temperature of a vapor film destruction in uncooled and saturated water-ethanol mixture in a cylindrical geometry IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series (Vol. 2057, No. 1, p. 012052). IOP Publishing. (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2057/1/012052

7. Забиров А.Р., Ягов В.В., Рязанцев В.А., Молотова И.А., Виноградов М.М. Decrease of Leidenfrost temperature at quenching in subcooled liquids IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series (Vol. 2116, No. 1, p. 012010). IOP Publishing. (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2116/1/012010

8. Канин П.К., Губанова Т.А., Забиров А.Р., Ягов В.В. Investigating the effect of submerged impingement jet on heat transfer in water-alcohol mixtures Journal of Physics: Conference Series, ournal of Physics: Conference Series (Vol. 2057, No. 1, p. 012037). IOP Publishing (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2057/1/012037

9. Губанова Т., Забиров А., Молотова И., Ягов В. Influence of surface properties on heat transfer during cooling under conditions of forced fluid flow IEEE, 2022 4th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE) 10.1109/REEPE53907.2022.9731477 (год публикации - 2022)
10.1109/REEPE53907.2022.9731477

10. Рязанцев В.А., Забиров А.Р., Ягов В.В., Молотова И.А., Виноградов М.М. Влияние пористого покрытия из хрома на процесс закалки Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием, стр. 320-321 (год публикации - 2023)

11. И.А. Молотова, А.Р. Забиров, В.В. Ягов, М.М. Виноградов, И.М. Молотов ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ТОЛЕРАНТНОЕ ТОПЛИВО АЭС Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 17—22 октября 2022 г.): в 2 т. Т.1 — М.: Издательство МЭИ, 2022, И.А. Молотова, А.Р. Забиров, В.В. Ягов, М.М. Виноградов, И.М. Молотов, ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ТОЛЕРАНТНОЕ ТОПЛИВО АЭС, (год публикации - 2022)

12. Рязанцев В.А., Виноградов М.М., Забиров А.Р., Ягов В.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ШАРА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В МИНЕРАЛЬНОМ МАСЛЕ Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 17—22 октября 2022 г.): в 2 т. Т.1 — М.: Издательство МЭИ, 2022. — 440 с., ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ШАРА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В МИНЕРАЛЬНОМ МАСЛЕ,Рязанцев В.А., Виноградов М.М., Забиров А.Р., Ягов В.В., (год публикации - 2022)

13. Губанова Т.А., Забиров А.Р., Ягов В.В. ВЛИЯНИЕ РАССТОЯНИЯ ОТ СОПЛА ДО ПОВЕРХНОСТИ НА ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ В УСЛОВИЯХ ВЫНУЖДЕННОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ Тезисы докладов VII Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2022),Институт теплофизики СО РАН, 2022, Тезисы докладов VII Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2022),Институт теплофизики СО РАН, 2022, г. Сочи Научно-технологический университет «Сириус» 5–14 сентября 2022 г. (год публикации - 2022)

14. Молотова И.А., Забиров А.Р., Ягов В.В., Виноградов М.М., Молотов И.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ТОЛЕРАНТНОЕ ТОПЛИВО АЭС тезисы докладов VII Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2022), Институт теплофизики СО РАН, 2022, ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ТОЛЕРАНТНОЕ ТОПЛИВО АЭС, тезисы докладов VII Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2022), стр.116 (год публикации - 2022)

15. Лексин М.А., Забиров А.Р., Молотова И.А., Кабаньков О.Н., Ягов В.В. The influence of anionic surfactant in water on the quenching process IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series (Vol. 2039, No. 1, p. 012014). IOP Publishing. (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2039/1/012014

16. Молотова И., Забиров А., Ягов В., Виноградов М., Канин П., Молотов И., Антонов Н. Influence of coolant and material properties on cooling high-temperature steel spheres in subcooled ethanol-water mixtures International Journal of Thermal Sciences, International Journal of Thermal Sciences Volume 179, September 2022, 107659 https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107659 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijthermalsci.2022.107659

Публикации