close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения

код для вставкиСкачать
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Самой актуальной проблемой современной ядерной энергетики является
повышение безопасности. В настоящее время во многих странах возрастает
интерес к малой распределенной ядерной энергетике. В России этот интерес
прежде всего связан с необходимостью освоения отдаленных регионов. Для
широкого распространения станций малой мощности чрезвычайно важно
обеспечить надежную радиационную безопасность в случае возникновения
аварий.
Одним из решений, позволяющих принципиально увеличить
безопасность эксплуатации ядерных реакторов, является использование
тепловыделяющих сборок с микротвэлами (ТВС МТ). Микротвэлы
представляют собой сферические частицы, состоящие из топливного
сердечника и многослойной оболочкой. Микротвэлы обладают высокой
температурной стойкостью и герметичностью. Использование микротвэлов
приводит к снижению температуры топлива и, следовательно, уровня
аккумулированной энергии.
Концепция ТВС МТ для водоохлаждаемого реактора была предложена
достаточно давно. Такая сборка представляет собой коллекторную систему с
микротвэлами, которые размещаются в виде свободной засыпки между
перфорированными стенками коллекторов и непосредственно омываются
теплоносителем. В России проводились экспериментальные и расчетнотеоретические исследования теплогидравлических и нейтронно-физических
параметров таких сборок, но, к сожалению, эти исследования не были
завершены.
Для обоснования работы реакторных установок с микротвэлами
необходимо проводить экспериментальные и численные исследования
гидродинамики и теплообмена в шаровых засыпках при радиальном течении
теплоносителя в условиях объемного тепловыделения. В настоящий момент в
литературе не представлены экспериментальные данные о теплообмене и
гидродинамике в коллекторных системах с шаровыми засыпками при
радиальном течении теплоносителя в условиях внутреннего тепловыделения.
Решение теплогидравлической задачи при течении в микротвэльной засыпке с
переменным сечением и объемном выделении энергии, исследование влияния
раздаточного и сборного коллекторов на гидродинамику и теплообмен не
является тривиальной задачей. Поэтому на этапе поиска наилучших
конструктивный решений, численное моделирование, по-видимому, является
самым оптимальным методом. Вместе с тем, методы, используемые для
численного моделирования и получаемые результаты, требуют верификации
на экспериментальных данных. Для этого представляется разумным
использовать небольшие модельные стенды, позволяющие проводить
эксперименты в достаточно широком диапазоне режимных параметров.
3
Цели и задачи работы
Целью
работы
являлось
теплофизическое
обоснование
работоспособности ТВС ядерных реакторов с топливом в виде сферических
микротвэлов.
Для этого необходимо:
 Провести
экспериментальное
исследование
гидродинамики
и
теплообмена в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условиях
внутреннего объемного тепловыделения.
 Выполнить численное исследование гидродинамики и распределения
температуры в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами для
ядерной реакторной установки малой мощности.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие
задачи:
1. Проектирование и создание экспериментального стенда и рабочих
участков
для исследования
теплообмена
и
гидравлического
сопротивления в шаровых засыпках.
2. Получение массива экспериментальных данных о гидравлическом
сопротивлении перфорированной решетки с шаровой засыпкой.
3. Получение массива экспериментальных данных о потерях давления,
распределении температуры и коэффициенте теплоотдачи при
радиальном течении теплоносителя через шаровую засыпку с внутренним
тепловыделением.
4. Верификация математической модели для численного исследования
гидродинамики и распределения температуры в коллекторных системах с
шаровыми
засыпками
в
условиях
внутреннего
объемного
тепловыделения.
5. Выполнение численного исследования гидродинамики и распределения
температуры в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами для
ядерной реакторной установки малой мощности. Определение размеров
тепловыделяющей сборки с микротвэлами и степени перфорации чехлов
коллекторов, обеспечивающих требуемое течение и распределение
температуры.
Положения, выносимые на защиту
1. Методика экспериментального исследования теплогидравлических
процессов в шаровых засыпках.
2. Конструкция рабочего участка для исследования теплогидравлических
процессов в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условиях
внутреннего объемного тепловыделения.
3. Опытные данные о потерях давления, распределении температуры и
коэффициенте теплоотдачи при радиальном течении теплоносителя через
шаровую засыпку с внутренним объемным тепловыделением.
4. Результаты численного исследования модели тепловыделяющей сборки с
микротвэлами для ядерной реакторной установки малой мощности.
4
Научная новизна работы
1. Получены экспериментальные данные, ранее не представленные в
литературе, о теплообмене, потерях давления и распределении
температуры жидкости в коллекторной системе с шаровой засыпкой в
условиях внутреннего объемного тепловыделения.
2. Получены
коэффициенты
гидравлического
сопротивления
перфорированной решетки с шаровой засыпкой.
3. Предложена схема конструкции тепловыделяющей сборки с
микротвэлами для реакторной установки малой мощности и выполнено
теплогидравлическое обоснование ее работоспособности методами
численного моделирования.
Достоверность результатов работы
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается тщательно
проработанной методикой проведения исследований и обработки результатов
измерений, применением надежных измерительных приборов и датчиков,
предварительно прошедших тарировку. Результаты тестовых экспериментов
соответствуют данным, представленным в литературе.
Достоверность результатов численного моделирования обеспечивается
использованием надежных программных пакетов и верифицированных
математических моделей.
Практическая ценность
Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы
при разработке расчетных соотношений для коэффициентов гидравлического
сопротивления и теплоотдачи коллекторных систем с шаровыми засыпками.
Результаты численного исследования могут быть использованы при
проектировании тепловыделяющих сборок с микротвэлами для реакторных
установок.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в
24 печатных работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1
в научном журнале, 3 в трудах конференций и 16 в тезисах конференций,
представленных ниже. Список основных публикаций по теме исследований
представлен в конце автореферата.
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. X, XIII Курчатовская молодежная научная школа (2012, 2015 гг.).
2. XIX, XX, XXI, XXII, XXIII, XIV Международная научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика» (2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018 гг.).
3. XIX, XX, XXI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под
руководством академика РАН А.И. Леонтьева (2013, 2015, 2017 гг.).
4. Конференция молодых специалистов "Инновации в атомной энергетики"
(2013 г.).
5
5. XXI международная научная конференция "Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики" (2013 г.)
6. VI Российская национальная конференция по теплообмену (2014 г.).
7. Научно-техническая конференция "Теплофизика реакторов нового
поколения" (Теплофизика-2015) (2015г.).
8. Российская конференция молодых ученых, специалистов, аспирантов,
студентов «Атомные электростанции сверхмалой мощности для
прикладных и учебных целей» (2016 г.).
9. Всероссийская научная конференция “Теплофизика и физическая
гидродинамика” с элементами школы молодых ученых (2016 г.).
10. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых
учёных "XXXIII Сибирский теплофизический семинар" (2017г.).
11. Международная конференция «Современные проблемы теплофизики и
энергетики» (2017 г.)
Личный вклад автора
Результаты диссертационного исследования получены соискателем лично
или с соавторами. Личный вклад автора в полученные результаты носит
определяющий
характер.
Автором
спроектирован
и
смонтирован
экспериментальный стенд: выполнена тарировка и наладка измерительного
оборудования; разработаны и изготовлены рабочие участки; смонтирована и
отлажена автоматизированная система сбора и обработки информации для
экспериментального стенда. Получен массив экспериментальных данных о
гидродинамике и теплообмене в шаровых засыпках при осевом и радиальном
течении теплоносителя. Проведена верификация математической модели для
численного исследования гидродинамики и распределения температуры в
пористых средах с объемным тепловыделением. Выполнено численное
исследование гидродинамики и распределения температуры в коллекторных
системах с шаровыми засыпками при радиальном течении теплоносителя и
объемном тепловыделении в шаровой засыпке.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа
содержит 155 страниц, 17 таблиц, 86 рисунков. Список цитируемой литературы
включает 88 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечена актуальность диссертационной работы, ее научная
и практическая значимость, поставлены цели и задачи исследования.
В первой главе представлен обзор литературных данных по теме
исследования, в результате которого было отмечено, что исследования
гидродинамического сопротивления и теплоотдачи при течении теплоносителя
через пористые среды, в частности, через шаровые засыпки, проводятся как в
России, так и за рубежом. В литературе представлено достаточно большое
количество работ, которые дают представление об особенностях
6
гидродинамики и теплообмена в пористых средах. Однако сравнение расчетов
по полученным в этих работах уравнениям показывает значительное их
расхождение. Наличие разнообразных расчетных формул и методик, которые
основаны на различных представлениях о схеме движения жидкости и
механизмах теплообмена говорит об отсутствии единого подхода к пониманию
этой проблемы.
В литературе представлены единичные работы, посвященные
исследованию гидродинамики и теплообмена при течении теплоносителей
через шаровые засыпки с внутренним объемным тепловыделением, которое
характерно для засыпок из микротвэлов.
Отсутствуют экспериментальные исследования гидродинамики и
теплообмена при радиальном течении жидкости в коллекторных системах с
шаровыми засыпками в условиях объемного внутреннего тепловыделения.
Отмечается, что при расчетах систем подобной конструкции необходимо
учитывать особенности радиального течения теплоносителя. Результаты
расчетов коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи при
радиальном течении теплоносителя по известным формулам для осевого
течения теплоносителя показывают заметные расхождения.
Поэтому в данной работе выполнены собственные экспериментальные и
численные исследования гидродинамики и теплообмена, в том числе, для
коллекторных систем с шаровыми засыпками с внутренним объемным
тепловыделением, в которых реализуется радиальное течение теплоносителя.
Во второй главе представлено описание экспериментального стенда,
конструкций рабочих участков для исследования гидродинамики и
теплообмена в шаровых засыпках. Описана методика проведения
экспериментальных исследований и обработки результатов измерений.
Представлены результаты тестовых экспериментов. Выполнена оценка
неопределенностей результатов эксперимента. Приводится описание
математической модели для численного исследования гидродинамики и
распределения температуры в пористых средах.
Для экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена в
шаровых засыпках был спроектирован и смонтирован экспериментальный
стенд, который включает в себя гидравлический контур, обеспечивающий
циркуляцию теплоносителя через рабочий участок с заданными параметрами;
систему измерения, сбора и обработки информации; систему высокочастотного
индукционного нагрева для обеспечения тепловыделения в шаровой засыпке;
рабочие участки.
Гидравлический контур (рис. 1) представляет собой замкнутую
циркуляционную систему открытого типа. В качестве рабочей жидкости
использовалась дистиллированная вода, которая находится в баке (1).
Циркуляция теплоносителя осуществляется многоступенчатым центробежным
насосом «Grundfos CRNE» (2). Для осуществления предварительного нагрева
воды контур оснащен нагревателем (5). Регулирование расхода осуществлялось
двумя способами: ступенчато с помощью частотного регулятора,
7
установленного на насосе, а также плавно с помощью вентиля (В3),
установленного в байпасной линии (БП). Измерение расхода через рабочий
участок производилось с помощью электромагнитного расходомера «Взлет ЭМ
ПРОФИ-212» (3). Для контроля давления в контуре использовались стрелочные
образцовые манометры (6,8) на входе и выходе рабочего участка. Для
измерения перепада давления на рабочем участке использовался датчик
перепада давления «ЭЛЕМЕР-100 ДД» (7).
Экспериментальный стенд рассчитан на следующие режимные
параметры: температура в контуре от 20 до 120°С, давление в контуре до
1,0 МПа, расход теплоносителя от 0,01 до 0,60 кг/с.
Неопределенности измерений составили: потерь давления ±0,15%;
объемного расхода жидкости ±1,0%; температуры жидкости и стенки шарика
±1,0%; коэффициента гидравлического сопротивления ±4,2%, числа Рейнольдса
±3,0%; массовой скорости жидкости ±1,7% плотности теплового потока ±6,0%,
коэффициента теплоотдачи ±9,0%.
1 – бак с дистиллированной водой;
2 – центробежный насос;
3 – электромагнитный расходомер;
4,9 – сетчатые фильтры;
5 – предварительный нагреватель;
6, 8 – стрелочные манометры;
7 – датчик перепада давления
10 – теплообменник;
РУ – рабочий участок;
БП – байпасная линия.
Рис. 1. Гидравлический контур
Схемы рабочих участков представлены на рис. 2. Рабочий участок №1
(РУ №1) предназначен для исследования течения через перфорированные
решетки с шаровой засыпкой и без нее. РУ №1 (рис. 2а) состоит из двух
коаксиально расположенных трубок из поликарбоната (1, 3) диаметром 54 и
47 мм. Внутренняя трубка удерживает шаровую засыпку (4). Наружная трубка
обеспечивает прочность и герметичность конструкции. Шаровая засыпка с
торцов удерживается нижней (2) и верхней (5) перфорированными решетками,
выполненными из капролона. Перфорация решеток выполнялась сверлением,
диаметр отверстий перфорации 1,5 мм, коэффициент живого сечения решеток
f = 0,322. Шарики диаметром dш = 2,0 мм изготовлены из стали. Пористость
засыпки определялась весовым способом и составила ε = 0,383.
Измерение потерь давления проводилось с помощью капиллярных трубок
(p1, p2). Нижний капилляр (p1) располагается перед решеткой (2), верхний
капилляр (p2) расположен непосредственно в шаровой засыпке. Верхний
капилляр является подвижным и предназначен для измерения давления в
разных точках по высоте засыпки.
8
а) РУ №1
б) РУ №2
Рис. 2. Схемы рабочих участков
Рабочий участок №2 (РУ №2) предназначен для исследования
гидродинамики и теплообмена при радиальном течении теплоносителя в
коллекторной системе с шаровой засыпкой при объемном тепловыделении. В
РУ №2 (рис. 2б) шаровая засыпка (3) размещается между внутренним (2) и
внешним (4) перфорированными чехлами. Высота шаровой засыпки 100 мм.
Шарики диаметром 2,0 мм изготовлены из стали марки AISI 420
(аналог 40Х13). Пористость засыпки составляла ε = 0,385. Теплоноситель
подается в раздаточный коллектор (1), омывает шаровую засыпку и попадает в
сборный коллектор (5). Сборный коллектор образован внешним
перфорированным чехлом и трубкой (6), которая герметизирует рабочий
участок. Внутренний диаметр трубки (6) – 54 мм, толщина стенки – 3 мм.
Внутреннее тепловыделение в шаровой засыпке обеспечивается индукционным
нагревом с помощью индуктора (7), который подключается к установки
индукционного нагрева IHS 20-60.
Для измерения потерь давления в рабочем участке установлены
капиллярные трубки на входе раздаточного коллектора (p1) и на выходе
сборного коллектора (p2). Для определения температуры в шаровой засыпке
размещены 15 кабельных термопар (T1–T15), которые установлены в 4-х
сечениях по высоте засыпки.
Для обеспечения равномерного расхода по высоте шаровой засыпки
внутренний перфорированный чехол имеет коническую форму. Чехол
изготовлен из пластика с помощью 3d печати. Внутренний диаметр основания
конуса 15 мм, толщина стенки 2 мм. Внешний перфорированный чехол
представляет собой трубку из поликарбоната (внутренний диаметр 47 мм,
9
толщина стенки 1,5 мм). Перфорация чехлов выполнялась сверлением, диаметр
отверстий перфорации 1,5 мм. Коэффициенты живого сечения чехлов
внутреннего fв и наружного fн приведены в таблице 1.
Таблица 1. Коэффициенты живого сечения чехлов РУ №2
fв
fн
Нижняя часть
0,315 0,125
Центральная часть
0,370 0,155
Верхняя часть
0,390 0,170
Численное исследование гидродинамики и распределения температуры
выполнялось в программном комплексе ANSYS Fluent. Для численного
моделирования была выбрана модель пористой среды с внутренними
источниками тепла. Математическая модель Fluent состоит из стандартных
уравнений движения, неразрывности и энергии. Для моделирования
турбулентности использовалась стандартная k–ε модель турбулентности с
пристеночными функциями. Для учета сопротивления пористой среды в
уравнение движение добавляется источниковый член, состоящий из
вязкостного и инерционного слагаемых:

U i2 
Si    U i  *
 .

2


Соответствующие коэффициенты сопротивления α и β* определяются из
формулы Эргуна и равны:
(1  ε) 2 1
(1  ε) 1
α  150
;
β

3,5
.
*
ε 3 d ш2
ε3 dш
Константы 150 и 3,5 являются эмпирическими. Автором на основе
собственных экспериментальных данных были получены уточненные значения
этих констант (представлены в главе 3).
Для моделирования перфорированных чехлов использовалась модель
"porous jump". В этой модели для учета гидравлического сопротивления
перфорированных чехлов необходимо задать инерционный коэффициент
сопротивления перфорированного чехла, определяемый как отношение
коэффициента гидравлического сопротивления к толщине чехла (β = ξ/h).
Значения коэффициентов инерционного сопротивления получены автором на
основе собственных экспериментальных данных и представлены в главе 3.
В третьей главе представлены результаты экспериментального
исследования гидродинамики шаровой засыпки и перфорированной решетки
при осевом течении теплоносителя (РУ №1), а также результаты исследования
гидродинамики, теплообмена и распределения температуры при радиальном
течении теплоносителя и объемном тепловыделении в шаровой засыпке (РУ
№2). Выполнена верификация математической модели.
10
На РУ №1 были проведены эксперименты по определению потерь
давления на перфорированной решетке с засыпкой. Для получения зависимости
потерь давления от высоты засыпки верхняя капиллярная трубка перемещалась
по оси РУ от нижней решетки y = 1 мм до координаты y = 50 мм. Первичные
экспериментальные данные для массовых скоростей ρU = 60 ÷ 315 кг/(м2·с)
представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость потерь давления по высоте засыпки
Коэффициент гидравлического сопротивления решетки с шаровой
засыпкой рассчитывался по формуле:
p
ξ=
,
2
ρU 2
где значение Δp определено при расположении капилляра p2 в координате
y = 1 мм.
Экспериментальные данные получены для решетки с f = 0,322. Для
определения коэффициентов гидравлического сопротивления решетки с
другими значениями f было принято, что отношение коэффициентов
гидравлического сопротивления решетки с шаровой засыпкой ξ и без неё ξ0
остается постоянным для каждого коэффициента живого сечения, тогда
коэффициент гидравлического сопротивления ξf решетки с произвольным
значением f определяется выражением:

ξ f = ξ0 f ,
0
где 0 и 0 f определяются в соответствии с рекомендациями справочника
И.Е. Идельчика.
11
Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа
Рейнольдса (рассчитанного по скорости в отверстиях Uo и диаметру отверстия в
решетке do) представлена на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления
перфорированной решетки с шаровой засыпкой от числа Рейнольдса
На основе экспериментальных данных, представленных на рис. 3,
получены значения коэффициента гидравлического сопротивления шаровой
засыпки, которые хорошо согласуются с данными, представленными в
литературе. Уточнены значения констант в формулах для расчета вязкостного и
инерционного коэффициентов сопротивления шаровой засыпки:
(1  ε) 2 1
(1  ε) 1
α  245
;
β

2,04
.
(1)
*
ε 3 d ш2
ε3 dш
Расчет потерь давления по формуле Эргуна с скорректированными
константами дает хорошее согласие как с собственными экспериментальными
данными, так и с данными других авторов, поэтому при численном
исследовании вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления
шаровой засыпки определялись по формулам (1).
На РУ №2 был получен систематизированный массив экспериментальных
данных о потерях давления, коэффициенте теплоотдачи и распределении
температуры в шаровой засыпке при радиальном течении теплоносителя в
условиях объемного тепловыделения. Эксперименты на РУ №2 проводились в
диапазоне массового расхода жидкости от 0,05 до 0,6 кг/с, что соответствует
массовым скоростям (рассчитанным по входному сечению РУ №2)
ρU = 315 ÷3300 кг/(м2·с). Подводимая мощность индукционного нагрева
изменялась от 5 до 10 кВт, что соответствует среднему объемному
тепловыделению в засыпке qv = 43 ÷ 93 МВт/м3.
12
В ходе предварительных экспериментов по нагреву шаровой засыпки без
протока теплоносителя был определен профиль тепловыделения в шаровой
засыпке, который описывается гармонической функцией:
z  zc 

(2)
qv  1,317 qv cos  2,5
,
H


где qv – среднее объемное тепловыделение, zc = 50 мм – координата центра
засыпки по высоте.
Коэффициент теплоотдачи шаровой засыпки определялся по выражению:
q
α=
,
Tст  Tж 
где q – плотность теплового потока (определялась по количеству теплоты,
измеренному калориметрическим способом и общей площади поверхности
шариков); Tст – температура стенки шарика, Tж – температура жидкости вблизи
поверхности шарика.
Для измерения температур Tст и Tж был разработан и изготовлен элемент,
состоящий из двух термопар. Одна термопара заделывалась в стенку шарика,
другая термопара располагалась в жидкости в непосредственной близости от
поверхности шарика. Термопары жестко соединялись между собой. Такие
элементы были установлены в трех сечениях по высоте засыпки (рис. 2б).
Зависимость потерь давления на РУ №2 от массовой скорости жидкости
для рабочего участка с засыпкой и без засыпки приведена на рис. 5. Линиями на
рис. 5 представлены результаты численного моделирования в программе
ANSYS Fluent. Можно видеть, что результаты численного моделирования ниже
экспериментальных значений на 2–10%, что представляется вполне
удовлетворительным.
Рис.5. Зависимость потерь давления от массовой скорости теплоносителя
13
На рис. 6 представлены распределения температуры по высоте и радиусу
рабочего участка, полученные экспериментально и численно. Данные на рис. 6
получены для расхода жидкости 0,12 кг/с (ρU = 680 кг/(м2·с)) при объемном
тепловыделении в засыпке qv = 93 МВт/м3.
а)
б)
Рис. 6. Распределение температуры по высоте а) и радиусу б) засыпки: л1–л3 в
соответствии с рис. 2б; значения 5, 40, 70, 95 мм – координаты по высоте
засыпки
На рис. 6 можно видеть качественное соответствие распределений
температур. Отличие значений может быть связано с видом функции
распределения объемного тепловыделения по высоте (2). Выражение (2)
получено при вводимой мощности 1 кВт, а результаты численного
моделирования при мощности 10 кВт. В литературе показано, что профиль
тепловыделения меняется при изменении вводимой мощности. К сожалению,
особенности экспериментальной установки не позволили получить профиль
тепловыделения при больших мощностях. Возможное касание термопарами,
измеряющими температуру жидкости, поверхности шариков также будет
приводить к завышению экспериментальных значений.
На рис. 7 приведена зависимость осредненного по трем сечениям
коэффициента теплоотдачи шаровой засыпки от массовой скорости
теплоносителя.
14
Рис.7. Зависимость коэффициента теплоотдачи от массовой скорости
теплоносителя
В четвертой главе представлены результаты
численного
исследования
гидродинамики
и
распределения
температуры
в
модели
тепловыделяющей сборки для реакторной установки
КЛТ-40С при использовании топлива в виде
микротвэлов.
Определены
размеры
тепловыделяющей сборки с микротвэлами и степень
перфорации чехлов коллекторов, обеспечивающие
требуемое течение и распределение температуры.
Наиболее
проработанным
вариантом
реакторной установки для атомных станций малой
мощности на сегодняшний день является проект
реакторной установки КЛТ-40С, которая была
выбрана для
численного исследования. Схема
моделируемой
тепловыделяющей
сборки
с
микротвэлами (ТВС МТ) для реакторной установки
КЛТ-40С представлена на рис.8. Сборка является
осесимметричной,
засыпка
микротвэлов
(3)
размещается между внутренним (2) и внешним (4)
перфорированными чехлами. Теплоноситель в такой
конструкции подается в раздаточный коллектор (1),
омывает шаровую засыпку и попадает в сборный
коллектор (5). В конструкции ТВС МТ КЛТ-40С
раздаточный коллектор образован внутренним
перфорированным чехлом и цилиндрическим
поглощающим элементом (6). Основные параметры
модели ТВС приведены в таблице 2.
15
Рис. 8 Схема модели
ТВС МТ для РУ КЛТ40С: X1, X2, X3, X4,
Xвх – варьируемые
параметры
Для такой конструкции тепловыделяющей сборки с микротвэлами
характерно наличие области в засыпке, где температура теплоносителя
превышает температуру на выходе из ТВС. Температура в этой области может
достигать температуры насыщения жидкости. Закипание теплоносителя в
такой конструкции тепловыделяющей сборки может быть опасно из-за
снижения замедляющей способности паровой фазы теплоносителя и высокой
вероятности запаривания сборки при развитии процесса кипения.
В ходе выполнения численных расчетов исследовалось влияние степени
перфорации чехлов и размеров раздаточного и сборного коллекторов на
максимальную температуру теплоносителя и потери давления. Целью
исследований являлось определение таких параметров, при которых потери
давления и температура будут минимальны. Было выявлено, что при
уменьшение размеров раздаточного и сборного коллекторов максимальная
температура и потери давления возрастают. Степень перфорации в диапазоне
значений f = 0,1 ÷ 0,4 практически не оказывает влияния на потери давления и
максимальную температуру. В результате анализа полученных данных были
определены оптимальные параметры модели ТВС МТ: Xвх = 18 мм, X1 = 3 мм,
X2 = 10 мм, X3 = 19 мм, X4 = 29 мм, степень перфорации чехлов f = 0,2.
Таблица 2. Основные параметры модели ТВС МТ
Наименование
Величина
Давление в первом контуре, МПа
12.7
°
Температура воды на входе в ТВС, С
280
°
Температура воды на входе из ТВС, С
317
Тепловая мощность, МВт
150
Расход теплоносителя, кг/с
6
Диаметр микротвэлов, мм
2,0
Пористость засыпки микротвэлов
0,38
Коэффициент вязкостного
4,28·108
2
сопротивления засыпки, 1/м
Коэффициент инерционного
11500
сопротивления засыпки, 1/м
На рис 9. представлены результаты численного моделирования в виде
полей избыточного давления, температуры и скорости, а также линии тока
жидкости.
16
а)
б)
в)
г)
Рис. 9. Результаты численного моделирования: поля избыточного
давления а), температуры б), скорости в), линии тока теплоносителя г)
На рис. 9а можно видеть, что перфорированные чехлы практически не
оказывают сопротивления движению теплоносителя, а давление в радиальном
направлении меняется слабо. В основном потери давления происходят в осевом
направлении. На рис. 9б показано поле температуры, максимум температуры
расположен вблизи внешнего перфорированного чехла, что характерно для
такой конструкции тепловыделяющей сборки. Течение жидкости (рис 9в,г)
приближено к радиальному в области шаровой засыпки, что обеспечивает
наименьшие потери давления и наиболее равномерное температурное поле.
На рис. 10 а, б показаны графики распределения температуры по высоте и
радиусу ТВС МТ, а на рис. 11 а, б – графики распределения скорости и потерь
давления по высоте ТВС МТ.
На рис. 10а можно видеть, что распределение температуры имеет
максимум в центральной части ТВС вблизи внешнего чехла. Максимальное
значение температуры 327 °С, что на 2 градуса ниже температуры насыщения
воды при давлении теплоносителя 12,7 МПа. Такое значение недогрева
теплоносителя до температуры насыщения мало, а значит есть опасность
начала процесса кипения теплоносителя. Для увеличения запаса до
температуры насыщения необходимо повышать давление в первом контуре
реакторной установки или увеличивать расход теплоносителя.
На рис. 11а можно видеть, что скорость жидкости по высоте раздаточного
коллектора меняется слабо, что обеспечивает равномерную раздачу
17
теплоносителя. В сборном коллекторе скорость теплоносителя равномерно
возрастает по высоте.
а)
б)
Рис. 10. Распределение температуры по высоте а) и радиусу б) модели ТВС МТ:
Обозначения 1–5 (рис. 10а) соответствуют линиям л1–л5 на рис. 8; на рис. 10б
значения 5, 325, 650, 975, 1295 мм – координаты по высоте засыпки,
отсчитываемые от z = 0
а)
б)
Рис. 11. Распределение скорости по высоте а) и зависимость потерь давления от
координаты по высоте б) модели ТВС МТ: 1 – в середине засыпки (л3), 2 – в
раздаточном коллекторе (л1), 3 – в сборном коллекторе (л5)
18
Заключение
1.
Выполнен обзор наиболее известных работ по исследованию
гидродинамики и теплообмена в пористых средах и, в частности, в шаровых
засыпках. Анализ работ показал отсутствие экспериментальных данных о
гидродинамике и теплообмене в шаровых засыпках при радиальном течении
теплоносителя в условиях объемного внутреннего тепловыделения.
2.
Спроектирован, изготовлен и смонтирован экспериментальный стенд с
двумя рабочими участками для исследования гидравлического сопротивления,
распределения температуры и теплообмена в шаровых засыпках.
3.
Экспериментально определены закономерности тепловыделения в объеме
шаровой засыпки при использовании индукционного нагрева для
моделирования внутреннего тепловыделения в шаровой засыпке.
4.
Проведено
экспериментальное
исследование
гидравлического
сопротивления перфорированной решетки с шаровой засыпкой, получены
зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от числа
Рейнольдса.
5.
На основе экспериментальных данных уточнены значения вязкостного и
инерционного коэффициентов сопротивления шаровой засыпки.
6.
Впервые выполнено экспериментальное исследование потерь давления,
коэффициента теплоотдачи и распределения температуры в коллекторной
системе с шаровой засыпкой при радиальном течении теплоносителя и
объемном тепловыделении в шаровой засыпке.
7.
Проведена верификация математической модели для численного
исследования гидродинамики и распределения температуры в шаровых
засыпках при радиальном течении теплоносителя и внутреннем
тепловыделении.
8.
Проведено численное исследование гидродинамики и распределения
температуры в модели тепловыделяющей сборки для реакторной установки
КЛТ-40С при замене топливных элементов стержневого типа на микротвэлы.
Исследовано влияние размеров раздаточного, сборного коллекторов и степени
перфорации чехлов на потери давления и максимальную температуру
теплоносителя в засыпке. Определены оптимальные размеры и параметры
перфорации чехлов модели ТВС МТ.
9.
Показана работоспособность предлагаемой модели тепловыделяющей
сборки для реакторной установки КЛТ-40С при использовании топлива из
микротвэлов и неизменных внешних габаритах по сравнению с традиционной
сборкой со стержневыми тепловыделяющими элементами.
Основные результаты диссертации изложены в работах:
1. Бороздин А.В., Варава А.Н., Дедов А.В., Комов А.Т., Малаховский С.А.,
Сморчкова Ю.В. Экспериментальное исследование и численное
моделирование гидродинамики и теплообмена в шаровых засыпках //
Тепловые процессы в технике. 2015. № 7. С. 295-300.
19
2. Smorchkova Y.V., Varava A.N., Dedov A.V., Komov A.T. Experimental
study of fluid dynamics in the pebble bed in a radial coolant flow // Journal
of Physics: Conference Series, Volume 754, 2016, Paper number 112008.
3. Smorchkova Yu.V., Varava A.N., Dedov A.V., Zakharenkov A.V., Komov
A.T., Borozdin, A.V. Investigation of flow parameters in a cylindrical pebble
bed and in a model of a fuel assembly with microfuels // MATEC Web of
Conferences, 2017, Volume 115, Paper number 06005.
4. Smorchkova Yu.V., Varava A.N., Dedov A.V., Zakharenkov A.V., Komov
A.T. The experimental determination of the coefficient of hydraulic
resistance of a perforated plate with a layer of balls adjoining to it // Journal
of Physics: Conference Series, 2017, Volume 891, Paper number 012038.
5. Сморчкова Ю.В., Дедов А.В. Численное моделирование гидродинамики и
теплообмена в шаровых засыпках // Современная наука: исследования,
идеи, результаты, технологии, 2013, №1 (12), с. 62 – 67.
6. Бороздин А.В., Сморчкова Ю.В., Варава А.Н., Дедов А.В.
Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в шаровой
засыпке // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических
установках: Сборник докладов XX Школы-семинара молодых ученых и
специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева, 24-29 мая
2015г., Звенигород, стр 95-97.
7. Сморчкова Ю.В., Авдонина Е.А., Дедов А.В. Исследование гидродинамики
и теплообмена в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами // Труды
Юбилейной конференции Национального комитета РАН по тепло- и
массообмену
«Фундаментальные
и
прикладные
проблемы
тепломассообмена» и XXI Школы-семинара молодых ученых и
специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы
газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках (22—26 мая
2017 г., Санкт-Петербург): В 2 т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2017,
стр. 252-254.
8. Сморчкова Ю.В., Варава А.Н., Дедов А.В., Захаренков А.В., Комов А.Т.
Экспериментальное
определение
коэффициента
гидравлического
сопротивления перфорированной пластины с прилегающим к ней слоем
шаров // Материалы Международной конференции «Современные
проблемы теплофизики и энергетики», 9-11 октября 2017г., Москва, т.1, стр.
148-149.
Печ.л.______
Тираж______
Заказ______
Полиграфический центр МЭИ, Москва, Красноказарменная 13
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа