Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

Значения граничного паросодержания, то есть паросодержания, при котором наблюдается спад зависимостей (qкрxкр), следует брать из таблиц теплотехнических справочников, где они представлены в виде хгр = f(P, ρW). Интерполяционная формула имеет вид:

где ρW – массовая скорость, кг/м2с; d – диаметр трубы, м; ρ' – плотность жидкости, кг/м3; σ – коэффициент поверхностного натяжения, н/м.

Для пароводяного потока формула описывает экспериментальные данные в диапазоне 3–16 МПа.

Механизмы возникновения кризиса кипения в горизонтальных и вертикальных каналах качественно одинаковы. Но при малых скоростях при горизонтальном движении потока вследствие гравитационного эффекта происходит расслоение фаз, в результате чего значения критической плотности теплового потока оказываются меньше, чем в вертикальных. В условиях больших скоростей значения совпадают. Особенностью кризиса второго рода в горизонтальных каналах является уменьшение толщины пленки жидкости на верхней образующей канала.

8.13.Змеевиковые трубы и кольцевые каналы

Вконструкциях парогенераторов могут использоваться змеевиковые трубы. Положение кризиса в таких трубах зависит от геометрии, массовой скорости, паросодержания и давления.

Возникновение кризиса зависит от действия центробежных и гравитационных сил, наличия вторичных течений. На рис. 8.10 показано, как изменяются условия наступления кризиса теплообмена

вразных режимах. При малых значениях массовых скоростей преобладают гравитационные эффекты и большая часть жидкости течет вдоль нижней образующей трубы, а кризис возникает вблизи верхней образующей (позиция 1 на рис. 8.10). При высоких массо-

251

лах. Наличие эксцентриситета снижает qкр, однако если щель не становится менее 1 мм, влияние эксцентриситета невелико.

8.14. Кризис в пучках стержней

ТВС реакторов ВВЭР и РБМК выполняются в виде пучков цилиндрических твэлов, омываемых водой или пароводяной смесью. Твэлы в сборке фиксируются с помощью дистанциони-рующих решеток.

Кризис в пучках стержней оказывается более сложным явлением, чем в каналах простой геометрии. Форма канала приводит к теплогидравлическим неравномерностям по сечению из-за условий работы твэлов, определяемых конструкционными особенностями кассеты, наличия необогреваемых поверхностей, присутствия дистанционирующих устройств и т.д. Поэтому использование рекомендуемых соотношений должно производиться с осторожностью и с учетом максимально возможного количества этих факторов, включая и диапазон применения этих формул. Современные представления позволяют заключить, что кризис в пучке носит локальный характер, т.е. возникает на поверхности, около которой паросодержание оказывается наивысшим, а расход жидкости в пленке наименьшим. При обработке данных с использованием локальных параметров в наиболее напряженной в тепловом отношении ячейке наблюдается лучшая сходимость результатов, полученных на разных пучках, чем при обработке по средним по сечению параметрам. Это указывает на целесообразность расчета кризиса теплообмена на основе локальных характеристик потока в пучке.

Влияние длины канала особенно проявляется в пучках, имеющих большую неравномерность энтальпии по сечению пучка и слабое перемешивание. При конструировании ТВС пучок твэ-лов обычно помещают в обечайку, в которой тепловыделение отсутствует. Отсутствие испарения на необогреваемой стенке приводит к тому, что в дисперсно-кольцевом режиме по ней течет больше жидкости, чем в пленке на обогреваемых стержнях («эффект холодной стенки»). Часть потока как бы не участвует в процессе тепломассообмена, что приводит к снижению доли жидкости на обогреваемых стержнях и, тем самым к снижению критической плотности тепловых потоков. Наличие в ТВС дистанционирующих уст-

253

ройств, которые способствуют интенсивному перемешиванию, может привести к увеличению критической плотности теплового потока, если выравнивается теплосодержание по поперечному сечению ТВС.

Расчетные формулы для практически важных случаев для ТВС реакторов ВВЭР. Для равномерно обогреваемых пучков стержней расчетная формула имеет вид

для P = 3–10 МПа:

ρW = 380 – 4000 кг/(м2с); x = –0,2–0,25;

диаметр стержней d = 5–14 мм;

зазор между стержнями (s – d) = 1,7–4,6 мм (s – шаг между центрами стержней);

длина стержней l > 0,4 м.

Для расчета кризиса в тепловыделяющей сборке реактора ВВЭР-1000 рекомендуется формула, которая получена в условиях максимально приближенных к условиям работы этого реактора:

Формула описывает экспериментальные данные в следующем диапазоне параметров:

P = 7,5–16,7 МПа;

ρW = 700–3500 кг/(м2с); x = –0,07–0,4;

l = 1,7–3,5 м; d = 9 мм;

s/d = 1,34–1,385.

8.15. Влияние различных факторов на кризис

Интенсификация теплообмена. Стремление увеличить единичную мощность ядерного реактора в заданных размерах требует увеличения теплосъема, которого стараются достичь путем интенсификации теплообмена. В ядерных реакторах, охлаждаемых кипящей водой, ограничивающим фактором во многих случаях является кризис теплообмена.

254

Так как кризис, согласно общепринятому представлению, связан с прекращением (или ухудшением контакта жидкости с тепловыделяющей стенкой), то большинство методов интенсификации теплообмена основаны на использовании методов или устройств, с помощью которых обеспечивается дополнительный приток жидкости к стенке. К ним относятся турбулизация потока, организация закрученных потоков с помощью рёбер или различного рода вставок в канале, устройство «холодных пятен» для восстановления расхода жидкости в пленке и т.д. Другая группа методов интенсификации теплообмена связана с повышением коэффициента теплоотдачи в дисперсном потоке за счет применения рёбер из теплопроводного материала, капиллярно-пористых структур, поверхностей со специальной шероховатостью и т.д. Особо следует отметить метод дополнительного впрыскивания жидкости в поток двухфазной смеси, когда условия потока приближаются к критическим.

Во всех перечисленных случаях увеличение притока жидкости к стенке затягивает наступление кризиса теплообмена и позволяет отводить большую мощность при допустимых температурах поверхности. Следует иметь в виду, что поскольку интенсификация теплообмена в двухфазных потоках сопровождается увеличением массообмена, то это может привести к усилению появления отложений на поверхности теплообмена.

Интенсификация теплообмена турбулизацией потока (рис. 8.11, позиции 1, 2, 3). Турбулизация двухфазного потока создается при помощи поперечных или спиральных гофр, рёбер, различного рода вставок (в виде скрученных лент, шнеков и др.) или с помощью накатки труб. Турбулизация потока, увеличение интенсивности пульсаций приводят к увеличению поперечного переноса жидкости. Турбулизирующие выступы на холодной стенке кольцевого канала сбрасывают жидкость с холодной стенки в ядро потока, чем обеспечивается больший приток жидкости к тепловыделяющей стенке. В пузырьковом режиме течения при низких паросодержаниях турбулизаторы не дают какого-либо преимущества. В дисперсно-кольцевом потоке, особенно при больших массовых скоростях, критическая плотность теплового потока благодаря действию турбулизаторов увеличивается.

Интенсификация теплообмена закруткой (рис. 8.11, поз. 4, 5,

6). Под действием центробежных сил капли жидкости отбрасыва-

255

ются к наружной стенке, что увеличивает концентрацию жидкости около неё и повышает величину критического теплового потока. Последняя при вихревом движении зависит в основном от величины центробежного ускорения, а не от недогрева.

С увеличением скорости смеси и паросодержания эффективность закрутки возрастает. Чем интенсивнее закручен поток (т.е. меньше шаг закручивающего элемента), тем при более низких паросодержаниях наступает дисперсно-кольцевой режим течения, и тем стабильнее становится поверхность жидкой пленки.

Рис. 8.11. Виды интенсификаторов теплообмена (элементы турбулизирующие и завихряющие)

Организация вихревого потока конструктивно осуществляется с помощью установки в канал завихряющих элементов (ленты, пропеллерные вставки, проволочные спирали, винтовые рёбра, витые эллиптические трубы и т.д.). В первом приближении все завих-

256

ряющие элементы дают при одинаковой закрутке примерно одинаковое увеличение критической плотности теплового потока. Однако установка вставок в канал приводит к увеличению гидравлического сопротивления. Винтовое оребрение позволяет не только увеличить критическую мощность канала (иногда в 2 раза) и повысить критическое паросодержание до 0,8–0,9, а при определенных условиях вообще избежать явления кризиса.

В стержневых сборках большое влияние на величину qкр (или Nкр) оказывают дистанционирующие решётки, которые завихряют поток и способствуют сбросу жидкости с необогреваемых поверхностей, дроблению капель, лучшему перемешиванию двухфазного потока и выравниванию теплосодержания между ячейками (рис. 8.11, поз. 7, 8). В зависимости от типа решёток и шага их расположения критический тепловой поток (КТП) может как снижаться, так и повышаться.

При правильном выполнении интенсификаторов, закручивающих поток в межстержневом пространстве, существенно расширяется область безкризисной работы по паросодержа-нию и тепловому потоку. Значительное увеличение КТП наблюдается сразу за дистанцио-нирующими элементами и постепенно уменьшается с увеличением расстояния от них.

Влияние шероховатости поверхности и отложений на ней. В области недогретой жидкости выступы шероховатости увеличивают турбулизацию пристенного слоя и, следовательно, способствуют росту КТП. С другой стороны шероховатость увеличивает число центров парообразования, способствует образованию сплошной пленки пара на поверхности и тем самым снижает величину КТП.

Таким образом, влияние шероховатости стенки на двухфазный поток оказывается неоднозначным. Обтекание шероховатости типа «выступ» потоком связано с образованием застойных зон. В этих зонах может происходить более интенсивное отложение солей, что приведет к зарастанию выступов отложениями и снижению эффекта интенсификации. По-видимому, этого можно избежать, если применить волнистую шероховатость, при которой устраняются застойные зоны.

Отложения продуктов коррозии на теплоотдающей поверхности сказываются на её температурном режиме и на величине qкр. Отло-

257

жения обычно состоят из различных форм окислов железа (70– 80 %) и других конструкционных материалов в виде капиллярнопористых структур. Различные условия работы поверхностей обусловливают широкий диапазон свойств отложений. Диаметр капиллярных каналов в отложениях имеет порядок 5–10 мкм, а количество их достигает 3000–5000 на 1 мм2. Плотность отложений изменяется от 2,5 до 4,7 г/см2, а коэффициент теплопроводности от 0,5 до 3 Вт/м град. При кипении на s поверхности эффективная теплопроводность может возрасти в 10 и более раз.

Кризис теплообмена на пористых структурах возникает при меньших плотностях теплового потока, чем на непроницаемой поверхности. Возможными причинами этого являются:

-увеличенное количество центров парообразования, что способствует более раннему возникновению сплошной паровой пленки;

-нарушение циркуляции в порах из-за закупорки капилляров и в связи с затруднением притока жидкости через отложения;

-худшие теплофизические свойства отложений по сравнению с металлической поверхностью, что способствует локальному перегреву.

Поскольку толщина и структура отложений неизвестна, учесть точно их влияние на КТП трудно. Опыты показали, что увеличение толщины отложений до 30 мкм приводит к снижению КТП на 20– 25 %. Дальнейшее увеличение толщины изменяет КТП слабее (увеличение от 30 до 60–100 мкм снижает КТП на ~10 %).

8.16. Первичные измерительные датчики

Основное назначение СВРК – обеспечение безопасной и экономичной эксплуатации реактора на энергетическом уровне мощности путём сбора, обработки и представления информации оператору о состоянии активной зоны и первого контура. В СВРК поступает информация от входящих в состав системы ВРК внутриреакторных датчиков, в аппаратуру вводятся сигналы датчиков общих замеров: температуры, давления и расхода теплоносителя в 1-ом и 2- ом контуре, перепада давления на ГЦН и уровне в парогенераторе, которые входят либо в другие системы контроля реакторной установки или машзала, либо в состав КИП энергоблока. В систему ВРК вводятся также сигналы датчиков СУЗ: положение органов

258

регулирования, уровень и период нейтронной мощности, получаемой по сигналам внекорпусных ионизационных камер.

Датчик измерения давления. На энергоблоках с серийным ВВЭР-1000 все эти датчики максимально унифицированы (датчики типа «Сапфир»). Внешний вид, масса и габариты таких датчиков одинаковы. Датчики осуществляют преобразование величин давления, перепадов давления, уровней и расходов теплоносителя в нормированные электрические сигналы (0–5 мА). Датчик состоит из измерительного блока и электронного устройства. Измерительный блок осуществляет преобразование первичного параметра в электрический сигнал, пропорциональный измеряемой величине.

Чувствительным элементом измерительного блока является упругая мембрана, на которой укреплён тензорезистор.

Тензорезистор – элемент, который изготовливают, нанося тонкий слой кремния на тонкую сапфировую подложку, которая в свою очередь прочно сцеплена с поверхностью мембраны. При деформации мембраны происходит изменение её линейных размеров и размеров прикрепленного к ней резистора, в результате происходит изменение сопротивления тензо-ризистора, которое фиксируется электронным устройством. Тензорезистор включен по мостовой схеме; электронное устройство обеспечивает питание моста, усиливает сигнал, пропорциональный измерению сопротивления резистора. На выходе электронного устройства получается нормированный сигнал 0–5 мА.

Кроме того, электронное устройство обеспечивает компенсацию влияния температуры на сопротивление тензорезистора.

Диапазон рабочих температур от 0 до +80 °С. Датчики располагают в специальных помещениях, в которых обеспечен необходимый температурный режим, а теплоноситель подводят к этому помещению от места измерения по импульсным линиям.

На рис. 8.12 показана конструкция наиболее распространенного датчика типа «Сапфир-22ДИ». Он используется для измерения избыточного давления.

Измеряемое давление теплоносителя через импульсную трубку 7 подается в камеру 6 фланца 5; через гофрированную мембрану 4 и кремнийорганическую жидкость во внутренней полости 3 предается на мембрану 2, которая подвергается упругой деформации,

259

пропорциональной разности между измеряемым давлением и атмосферным.

Сигнал от тензорезистора 1, нанесенного на стороне А мембраны, пропорциональный разности давлений, по соединительным проводникам 8, через гермоввод 9, подается на вход электронного устройства 10.На АЭС такие датчики используются для измерения давления в 1-ом и 2-ом контуре, перепада давления на ГЦН, на реакторе, на

ПГ.

Термопары и термосопротивле-

ния. В СВРК используются термодатчики двух типов: термопары (ТП) и термосопротивления (ТС). По сравнению с ТС, которые тоже применяются для внутриреакторного контроля, ТП обладают следующими преимуществами: более высокая надёжность работы и метрологические характеристики более стабильны при облучении.

ТП не требуют внешнего источника питания, просты по конструкции и технологичны при изготовлении. В то же время ТП обладают и рядом

существенных недостатков: меньшая по сравнению с ТС точность измерений и меньший выходной сигнал; необходимость компенсации температуры холодного спая ТП, что увеличивает погрешность измерения.

Всвязи с этим в СВРК термопары используют для работы в тяжёлых условиях внутри корпуса реактора для массовых измерений температуры теплоносителя на выходе из топливных кассет, а также температуры теплоносителя в общем объёме. ТС применяют для проведения точных измерений в менее тяжёлых условиях. Например, по ТС, установленным на холодных и горячих нитках циркуляционных петель, осуществляют калибровку всех ТП первого контура.

ВВВЭР-1000 используются хромель-алюмелевые термопары, их градуировка слабо зависит от радиационного облучения.

Работа ТП основана на термоэлектрическим эффекте, то есть возникновении термо-ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных

260