Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 83_Сборник статей по проекту ВВЭР СКД
.pdf
На рисунке 4 представлены максимальные значения Kq (коэффициент
неравномерности по ТВС активной зоны) для ТВС с циркониевыми элементами.
1.30
1.35
1.40
1.45
1.50
1.55
1.60
1.65
1.70
1.75
0 50 100 150 200 250 300 350
T, эфф
Kq
Сапфир95&RC
Рис. 4
На рисунке 5 представлены максимальные значения Kv для полностью стальной
ТВС.
1.50
1.70
1.90
2.10
2.30
2.50
2.70
2.90
3.10
3.30
3.50
0 50 100 150 200 250 300
T, эфф
Kv
Сапфир95&RC
Рис. 5
На рисунке 6 представлены максимальные значения Kq для полностью стальной
ТВС.
67
1.30
1.40
1.50
1.60
1.70
1.80
1.90
0 50 100 150 200 250 300
T, эфф
Kq
Сапфир95&RC
Рис. 6
На рисунке 7 представлена зависимость аксиального офсета по кампании для
полностью стальной ТВС.
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
0 50 100 150 200 250 300
T, эфф
ОФСЕТ, %
Сапфир95&RC
Рис. 7
На рисунке 8 представлена зависимость аксиального офсета по кампании для ТВС
с циркониевыми элементами.
68
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350
T, эфф
ОФСЕТ, %
Сапфир95&RC
Рис. 8
Запас реактивности в начале кампании для стального варианта ТВС составил 6,5%,
для варианта ТВС с циркониевой вставкой 10%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В докладе представлена тестовая модель активной зоны реактора ВВЭР-СКД, в
рамках развития концепции реактора четвертого поколения. Результаты, полученные в
ходе расчетов, предназначены для понимания, как возможностей существующих
расчетных кодов, так и поиска решений при разработке концепции ВВЭР-СКД.
В ходе обработки результатов можно сделать следующие выводы.
Тепловая мощность активной зоны, при оговоренных в докладе конструктивных
решениях, не может превышать 2000 МВт, оценочно при КПД установки 42%.
В случае, когда конструкционный материал всех элементов активной зоны сталь,
длительность топливной загрузки, при обогащении топлива 5%, не превысит 300 эфф.
суток. По предварительной оценке, чтобы реализовать кампанию длительностью более
трехсот суток, для стального варианта ТВС потребуется обогащение 6.5-7.0%,..
Если конструкция кассеты будет частично циркониевой по высоте (на “холодном”
участке активной зоны), длительность топливной загрузки составит около 320 эфф.
суток.
Следует вывод, что в случае учета всех упрощений, принятых в расчетной модели,
в обоих вариантах компоновки активной зоны потребуется увеличение обогащения в
большей или меньшей степени.
При анализе неравномерностей энерговыделения, как по радиусу, так и по высоте
активной зоны, предпочтительней выглядит полностью стальной вариант ТВС.
Объясняется это менее ярко выраженным градиентом мощности по высоте активной
зоны.
69
Возможным решением станет создание циркониевой ТВС, присутствующей в
топливной загрузке независимо от стальной, количество которых будет определяться
характеристиками топливной загрузки.
Применение системы борного регулирования, для компенсации запаса
реактивности в ВВЭР-СКД неэффективно, по причине высоких рабочих температур,
малых плотностей теплоносителя и спектра нейтронов смещенного в промежуточную
область энергий. Стандартные ОР СУЗ не подходят на роль компенсаторов
реактивности. Решением могут стать стальные вытеснители-регуляторы, способные
проработать в активной зоне, как минимум, кампанию топлива и задачей которых
будет изменение водо-уранового отношения. По мере выгорания топлива, вытеснители
будут извлекаться из активной зоны, выполняя тем самым функцию спектрального
регулирования.
Исходя из оговоренного выше, реализация однозаходного (прямоточного) варианта
имеет явные плюсы с точки теплогидравлических характеристик, однако с точки
зрения нейтронно-физических свойств, потребуется ряд нестандартных, возможно
технически революционных решений.
Список литературы
1. D.Squarer (FZK, Karlsruhe, Germany), D. Bittermann (Framatome ANP, Erlangen,
Germany), Y. Oka (U. of Tokyo, Tokyo, Japan), P. Dumaz (CEA, Cadarache, France), G.
Rimpault (CEA, Cadarache, France), R. Kyrki-Rajamaki (VTT, Espoo, Finland), K. Ehrlich
(FZK-MCS, Karslruhe, Germany), N. Aksan (PSI, Würelingen, Switzerland), C. Maraczy
(KFKI, Budapest, Hungary), A. Souyri (EdF, Chatou, France) High performance light water
reactor (HPLWR). Contract N° FIKI-CT-2000-00033. Summary report of the HPLWR
project, (HPLWR Deliverable D 13).
2. В.Г.Артемов, А.В.Ельшин, А.С.Иванов и др. «Разработка нейтронно-физических
моделей различных типов реакторов на основе унифицированных алгоритмов ППП
САПФИР» Материалы Х Международного семинара по проблемам физики реакторов.
Москва. 2-6 сентября 1997. C.34.
70
ТЕПЛООТДАЧА К СВЕРХКРИТИЧЕСКОМУ ГЕЛИЮ
В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ И ЩЕЛЕВЫХ КАНАЛАХ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ
НАГРЕВЕ И СТУПЕНЧАТОМ НАБРОСЕ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ
В.И. Деев, К.В. Куценко, В.С. Харитонов
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
В 60 – 70-х годах прошлого века возник повышенный интерес к изучению
проблемы теплообмена в подвижных средах сверхкритического давления (СКД). С
практической точки зрения он был обусловлен:
в обычной теплоэнергетике – необходимостью создания надежных методов расчета
оборудования энергоблоков на органическом топливе, вырабатывающих водяной пар
СКД;
в криогенной технике – потребностью разработки протяженных гелиевых систем
охлаждения и криостатирования электротехнических устройств, использующих
низкотемпературные сверхпроводники.
В последние годы в разных странах активно обсуждается вопрос о возможности
применения воды сверхкритического давления как теплоносителя и рабочего тела в
ядерных энергетических установках. Такие ЯЭУ по своим параметрам и
экономичности могут значительно превзойти действующие в настоящее время ядерные
реакторы с не кипящей водой под давлением и реакторы с кипящей водой [1 – 3].
За прошедший с указанного момента времени почти 50-ти летний период было
выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных работ по
теплообмену с водой и гелием в условиях свободной и вынужденной конвекции при
сверхкритических параметрах состояния. Параллельно изучался также теплообмен при
СКД и в других средах (криогенные жидкости, диоксид углерода, фреоны).
Полученные в этих работах результаты позволили выяснить основные закономерности
теплообмена в однофазной околокритической области и с учетом этого предложить ряд
обобщенных зависимостей для практического расчета теплообменного оборудования.
Можно констатировать, что итоги проведенных исследований представляют собой
весьма ценный материал в связи с разработкой нового направления в ядерной
энергетике с использованием в реакторах воды сверхкритического давления.
Как теперь уже хорошо известно, передача тепла от греющей стенки к
теплоносителю со сверхкритическими параметрами имеет ряд специфических
особенностей, причиной которых является своеобразное и сильное изменение
теплофизических свойств веществ в области температур и давлений в окрестности
критической точки. В опытах с различными теплообменными средами обнаружены
режимы, которые характеризуются неодинаковой интенсивностью теплообмена и
разным характером изменения коэффициента теплоотдачи в зависимости от
определяющих параметров. При некоторых сочетаниях этих параметров могут
наблюдаться режимы с нормальной, улучшенной или ухудшенной теплоотдачей. В
ряде теоретических и экспериментальных работ показано, что в процессе переноса
тепла в жидкости при сверхкритических давлениях важную роль играют термическое
ускорение и термогравитационные силы, возникающие в потоке вследствие сильного
изменения плотности среды при ее нагреве и переходе от “псевдожидкости” к
“псевдопару”. В результате в поперечном сечении неизотермического потока
устанавливается особый M-образный профиль скорости, уменьшается турбулентный
перенос, снижается гидравлическое сопротивление. Вследствие существенного вклада
термогравитационных сил в потоках сверхкритического давления возможно
возникновение режимов смешанной (свободной и вынужденной) конвекции, что
приводит к неодинаковым закономерностям теплообмена при подъемном и опускном
течении в вертикальных трубах, а также в каналах, по-разному ориентированных в
71
пространстве. В ряде работ отмечено, что в некоторых режимах при сверхкритических
давлениях в определенном диапазоне параметров наблюдается теплогидравлическая
неустойчивость течения. Возникающие при этом достаточно сильные колебания
давления, температуры жидкости и теплоотдающей стенки могут оказать
неблагоприятное влияние на работу теплообменного оборудования.
Подавляющее большинство известных экспериментальных и теоретических
исследований, посвященных изучению проблемы теплообмена в жидкостях с сильно
изменяющимися свойствами при сверхкритических давлениях, было выполнено для
условий вынужденного движения в равномерно обогреваемых круглых трубах. Очень
мало данных о режимах теплообмена в каналах другой геометрической формы,
например в кольцевых зазорах или узких щелях. Для каналов в пучках стержней с
неравномерным по их длине тепловыделением, что характерно для активных зон
ядерных реакторов, экспериментальные данные вообще отсутствуют. Таким образом,
изучение закономерностей течения и теплообмена при сверхкритических давлениях в
условиях работы ТВС ядерных реакторов становится особенно актуальным. Только в
последнее время начали заниматься изучением этих вопросов. Очень важным является
установление границ области, в которой могут возникать режимы ухудшенной
теплоотдачи, поскольку в них температура теплоотдающей стенки при заданном
значении теплового потока может выйти за допустимые пределы. Несмотря на то, что в
данном направлении уже был выполнен ряд работ, предлагаемые расчетные
рекомендации плохо согласуются друг с другом и, по-видимому, носят частный
характер. В связи с этим особое значение приобретают исследования, направленные на
исключение зон ухудшенной теплоотдачи с помощью различного рода
перемешивающих устройств и интенсификаторов теплообмена. Наконец следует
отметить, что до сих пор практически не изучался теплообмен в околокритической
области параметров состояния в условиях переходных (нестационарных) режимов
работы оборудования (например, при скачке тепловой нагрузки на поверхности
теплообмена, внезапном снижении давления, расхода теплоносителя и т.п.).
Анализ и сопоставление результатов работ, опубликованных по проблеме
теплообмена в околокритической области, показывают, что для разных жидкостей в
соответственных состояниях наблюдаются качественно общие закономерности
изменения коэффициента теплоотдачи в зависимости от основных определяющих
параметров. Таким образом, данные, полученные для разных сред, взаимно дополняют
друг друга, и, кроме того, это открывает широкие возможности моделирования
процессов теплообмена при СКД путем использования разных веществ в удобных для
экспериментирования условиях. Так, например, трудности проведения экспериментов с
водой в связи с высоким значением ее критического давления могут быть преодолены,
если использовать гелий, у которого критическое давление приблизительно в сто раз
меньше. Однако при этом следует иметь в виду, что эксперименты с жидким гелием
также требуют серьезных затрат. Исследования должны проводиться на специальных
низкотемпературных стендах с использованием дорогостоящего криогенного
оборудования, кроме того, стоимость самого гелия тоже достаточно высока. Здесь, по-
видимому, уместно отметить, что условия подобия, соблюдая которые можно было бы
уверенно переносить результаты, полученные для одних веществ, на другие
теплоносители в околокритической области параметров состояния, пока еще
недостаточно ясны и требуется серьезная проработка этого вопроса.
В критической точке значения давления p
кр
и температуры T
кр
для гелия
соответственно равны 0,227 МПа и 5,20 К [4]. Изменение свойств гелия с температурой
вдоль сверхкритической изобары 0,304 МПа (p/p
кр
= 1,34) согласно данным [4]
показано на рис. 1. Видно, что подобно другим жидкостям в рассматриваемых условиях
существует достаточно узкий диапазон температур, в котором свойства гелия резко
изменяются. Коэффициент объемного термического расширения β = – (1/ρ)(∂ρ/∂T)
p
,
72
удельная теплоемкость c
p
и число Прандтля Pr имеют ярко выраженные максимумы. В
окрестности псевдокритической температуры T
m
, при которой достигается
максимальное значение теплоемкости, кривая изменения коэффициента
теплопроводности λ гелия также проходит через максимум, наблюдается сильное
уменьшение плотности ρ и вязкости μ. С ростом давления значение псевдокритической
температуры увеличивается, а изменение свойств гелия по мере удаления от
критической точки становится менее существенным.
Рис. 1. Изменение теплофизических свойств гелия с температурой при давлении 0,304 МПа
(p/p
кр
= 1,34) [4]
В МИФИ исследования теплообмена в гелии при сверхкритических давлениях
проводились в течение 1973 – 1992 гг. в рамках комплексной программы изучения
процессов теплопередачи в сверхпроводящих магнитных системах термоядерных
реакторов и ускорителей заряженных частиц (установки Т-15 и УНК-3000).
В работе [5]
1
, результаты которой были представлены на 6-ой Международной
конференции по теплообмену, состоявшейся в 1978 г. в Торонто (Канада),
эксперименты проводились со сверхкритическим гелием в металлическом криостате
внутренним диаметром 100 мм и высотой 1100 мм, рассчитанном на повышенные
давления. Экспериментальная сборка с рабочим участком (рис. 2) помещалась в
нижней части криостата. Рабочий участок в виде квадратной пластины 30х30 мм был
изготовлен из достаточно чистой меди (не менее 99,993 Cu) с высокой
теплопроводностью в области гелиевых температур. В опытах изучалась теплоотдача
при естественной конвекции гелия около вертикально расположенного рабочего
участка при давлениях 0,233 – 0,456 МПа (p/p
кр
= 1,03 – 2,01). При фиксированных
1
Эксперименты проводились в лаборатории РНЦ «Курчатовский институт» с участием сотрудников этого института
В.Е. Кейлина и И.А. Ковалева.
73
значениях давления p и тепловой нагрузки q на поверхности теплообмена в диапазоне
100 – 5000 Вт/м
2
температура гелия в объеме криостата T
∞
изменялась от 4,2 – 4,6 К до
6 – 10 К.
Рис. 2. Схема экспериментальной сборки с
вертикальной медной пластиной:
1 – медная пластина; 2 – вакуумная камера;
3 – угольный термометр сопротивления;
4 – спаи термопары; 5 – крышка из нержавеющей
стали; 6 – электрический нагреватель;
7 – клеевое уплотнение
Полученные в опытах типичные
зависимости коэффициентов
теплоотдачи α от теплового потока,
давления и относительной
температуры гелия T
∞
/T
m
приведены
на рис 3. При небольших тепловых
потоках (соответственно и
температурных напорах), как видно
из рис. 3,а, кривые α(T
∞
) по форме
аналогичны зависимостям c
p
(T
∞
),
причем максимум α наблюдается при
T
∞
≈ T
m
. По мере увеличения
тепловой нагрузки максимумы α
сглаживаются и сдвигаются в
сторону температур, меньших
псевдокритической. Сильное влияние
плотности теплового потока на α
имеет место в области температур
T
∞
≤ T
m
. При постоянном значении q (рис. 3,б) высота пика α зависит от давления. Чем
ближе давление к p
кр
, тем больше максимальное значение коэффициента теплоотдачи
при T
∞
≈ T
m
.
Рис. 3. Типичные зависимости коэффициентов теплоотдачи при естественной конвекции гелия
сверхкритических параметров: а) p = 0,243 МПа; q⋅10
–3
, Вт/м
2
: 1 – 0,10; 2 – 0,33; 3 – 0,50;
4 – 0,80; 5 – 1,0; 6 – 2,0; 7 – 3,0; 8 – 5,0; 9 – 0,12; 10 – 0,32; 11 – 0,50; 12 – 1,1 (9 – 12 – опытные
данные [6]); б) q = 330 Вт/м
2
; p, МПа: 1 – 0,233; 2 – 0,243; 3 – 0,284; 4 – 0,355; 5 – 0,456
В экспериментах [6 – 11] свободная конвекция гелия сверхкритических параметров
изучалась на поверхностях другой конфигурации (горизонтальные и вертикальные
цилиндры, сферы). В этих работах выявлены качественно такие же, как и для
74
вертикальной пластины, закономерности изменения интенсивности теплообмена в
зависимости от тепловой нагрузки, давления и температуры гелия в объеме.
Отмеченные в опытах особенности теплоотдачи к гелию в области
сверхкритических давлений были подтверждены результатами расчетно-
теоретического анализа процесса [12, 13]. Причиной этих особенностей является
сильное изменение теплофизических свойств гелия в пограничном слое, которое
приводит к своеобразной форме профилей температуры вблизи нагреваемой стенки.
Следствием переменности свойств теплообменной среды в околокритической
области является значительное отклонение результатов расчета теплоотдачи по
уравнениям для постоянных свойств от опытных данных. В зависимости от давления,
температуры гелия, а также плотности теплового потока на теплоотдающей
поверхности это отклонение может изменяться в широких пределах. В качестве
примера на рис. 4 показано сравнение определенных по опытным данным для гелия
чисел Нуссельта с теми значениями, которые получаются при расчете этих же величин
по хорошо известной формуле для турбулентной естественной конвекции
. (1)
3/1
Ra135,0Nu =
Формула (1) рекомендуется для расчета коэффициентов теплоотдачи к различным
газам и жидкостям со слабо изменяющимися свойствами при числах Релея Ra > 2⋅10
7
. В
наших расчетах теплофизические свойства гелия выбирались при температуре гелия в
объеме криостата T
∞
, при этом числа Релея находились в диапазоне 10
10
– 10
14
. Из
рисунка видно, что для режимов с малыми тепловыми нагрузками и, следовательно,
небольшими перепадами температур в пристенном слое жидкости отношение
значительно отличается от единицы в довольно узкой области
приведенных температур T
расч
оп
NuNu /
∞
/T
m
≈ 1. По мере увеличения плотности теплового потока
эта область температур расширяется. При прочих равных условиях при увеличении
давления экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи приближаются к
рассчитанным по уравнению (1). Отмеченные тенденции имеют общий характер и
подтверждаются данными других известных работ [6 – 11].
Рис. 4. Сравнение опытных значений коэффициентов теплоотдачи с рассчитанными по
уравнению (1):
p = 0,233 МПа; T
m
= 5,23 K; q, Вт/м
2
: 60, 100, 330, 500, 2000;
p = 0,243 МПа; T
m
= 5,28 K; q, Вт/м
2
: 100, 330, 500, 2000, 3000, 5000;
p = 0,284 МПа; T
m
= 5,48 K; q, Вт/м
2
: 330, 1000; p = 0,355 МПа; T
m
= 5,80 K; q, Вт/м
2
: 330;
p = 0,456 МПа; T
m
= 6,22 K; q, Вт/м
2
: 330
75
Все имеющиеся в настоящее время уравнения для расчета теплоотдачи при
естественной конвекции жидкости в сверхкритической области параметров состояния
получены путем обобщения либо экспериментальных данных, либо результатов
численного моделирования процесса. По своей форме эти уравнения довольно
разнообразны и, как правило, не позволяют описать закономерности теплообмена,
установленные в опытах с разными жидкостями. Так, выполненные нами расчеты
показали, что соотношения, предложенные для сжиженных газов (азот, аргон, воздух)
[14] или диоксида углерода [15, 16], плохо согласуются с опытными данными для
гелия.
Впервые расчетная зависимость, описывающая свободноконвективный теплообмен
в гелии сверхкритических параметров, была получена одним из авторов доклада
совместно с А.К. Кондратенко [5]. Наши опытные данные для вертикальной медной
пластины были обработаны в форме уравнения, представленного в работе [16]:
k
с
n
,p
p
ρ
ρ
c
c
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∞∞
∞
=
3/1
Ra135,0Nu . (2)
В этом уравнении за основу принято соотношение (1) для турбулентной естественной
конвекции среды с постоянными свойствами, значения которых выбираются при
температуре T
∞
вдали от нагреваемой стенки, а в качестве характерного размера в
критериях Нуссельта и Релея используется высота пластины H. Параметрические
симплексы
∞,
/
pp
cc
, играют роль поправочных множителей к уравнению (1),
которые учитывают влияние переменности физпараметров среды на коэффициент
теплоотдачи в сверхкритической области давлений. Здесь
∞
ρρ
с
/
()(
∞∞
−−= TTiic
ссp
/
)
–
среднеинтегральная теплоемкость при постоянном давлении; i
с
, ρ
с
– энтальпия и
плотность жидкости при температуре стенки T
с
.
Для диоксида углерода в работе [16] найдено n = 0,75; k = 0,4. При этом, как
отмечается в этой же работе, опытные данные о средних коэффициентах теплоотдачи
при турбулентном режиме естественной конвекции воды [17] и диоксида углерода [18]
также удовлетворительно описываются уравнением (2) (разброс данных, в основном, не
превышает ± 20 %, за исключением отдельных экспериментальных точек, которые
отклоняются от расчетной зависимости на ± 50 %). Согласно нашим
экспериментальным результатам для гелия показатели степени n и k в формуле (2)
имеют другие значения. По-видимому, это объясняется несколько другим по
сравнению с водой и диоксидом углерода характером изменения теплофизических
свойств гелия в зависимости от температуры и давления вблизи критической точки.
Полученная нами в работе [5] расчетная формула имеет вид:
15,0
3/1
Ra135,0Nu
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∞∞
∞
=
ρ
ρ
c
c
с
n
,p
p
, (3)
где n = 0,5 при T
∞
≤ T
m
и n = 1 при T
∞
> T
m
.
Соответствие расчетов по уравнению (3) с экспериментальными данными для гелия
демонстрируется на рис. 5. Видно, что результаты наших экспериментов с
вертикальной медной пластиной обобщаются зависимостью (3) во всем изученном
диапазоне изменения режимных параметров. Расхождение расчета и эксперимента в
основном не превышает ± 20 %. Только в некоторых случаях, а именно когда T
∞
≈ T
m
,
отклонение опытных точек от расчетной линии достигает 30 – 35 %. Это, по-видимому,
76
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)