Исследование характеристик теплообмена в теплообменных системах с давлением, близким к атмосферному применительно к ЯЭУ, охлаждаемым ТЖМТ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.11, кандидат наук Черныш, Алексей Сергеевич

• Черныш, Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Черныш, Алексей Сергеевич

Содержание

Стр.

Введение

Глава 1 Проблемы отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в стояночных режимах, при расхолаживании и пуске РУ и при работе неизотермических стендов

1.1 Проблемы отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в РУ и неизотермических стендах

1.2 Обзор систем нормального и аварийного расхолаживаний РУ с ТЖМТ

1.3 Обзор систем и режимов остаточных тепловыделений от реактора в стояночных режимах

1.4 Исследование характеристик теплообмена от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей

1.4.1 Анализ расчетно-теоретических данных

1.4.2 Экспериментальные данные, полученные при отсутствии контроля и регулирования О2 в ТЖМТ

1.4.3 Экспериментальные данные, полученные при контроле и регулировании О2 в ТЖМТ

1.5 Тепломассообмен и гидродинамика при течении газокапельного потока

1.6 Постановка задач исследований

Глава 2 Экспериментальные исследования характеристик теплоотвода от ТЖМТ в системах с "низким" давлением теплоотводящей среды

2.1 Постановка задачи

2.2 Описание экспериментального стенда ФТ-7

2.3 Описание экспериментального участка

2.4 Программа и методы проведения эксперимента

2.4.1 Программа исследования характеристик теплопередачи от свинца к ВВС (Воздушно-водяная смесь) и ПВС (паро-воздушная смесь)

2.4.2 Режимы испытаний

2.4.3 Условия проведения эксперимента

2.4.4 Методика обработки экспериментальных данных

2.4.3.1 Обработка данных теплоотвода от потока теплоносителя к стенке ЭУ

2.4.3.2 Обработка данных теплоотвода от стенки ЭУ к потоку воздушно -водяной смеси

2.4.5 Оценка погрешностей

2.5 Обсуждение результатов

2.5.1 Локальные характеристики теплоотвода ТЖМТ к стенке (Ки=£(Ре))

2.5.2 Зависимость характеристик теплообмена от содержания конденсата в воздушно-водяном потоке

2.5.3 Распределение размеров капель в потоке и зависимость характеристик теплообмена от среднего размера капель конденсата

2.5.4 Экстремальные режимы работы с намораживанием свинцового теплоносителя на теплообменную поверхность

Выводы к главе 2

Глава 3 Исследование теплообмена при "низком" давлении теплоотводящей среды системы отвода тепла, адиабатически вносимого электронасосом в процессе испытаний модели ГЦНА РУ БРЕСТ-ОД-300 стенда ФТ-4НГТУ

3.1 Постановка задач

3.2 Описание экспериментального стенда ФТ-4НГТУ

3.3 Описание системы теплоотвода, адиабатически вносимого электронасосом

3.4 Режимы работы системы и методология исследований

3.5 Обсуждение результатов

3.5.1 Зависимость температуры выхода ТЖМТ от расхода конденсата при варьируемой частоте вращения насоса

3.5.2 Характеристики отводимого воздуха и воздушно-паровой смеси

3.5.3 Выводы к главе 3

Глава 4 Рекомендации по разработке систем отвода тепла от свинцового теплоносителя воздушно-водяным потоком при низком давлении

4.1 Рекомендации по вариантам схем систем теплоотвода

4.2 Анализ конструктивных схем диспергирования конденсата и рекомендации по их применению

4.3 Оптимизация режима эксплуатации системы теплоотвода

4.4 Рекомендации по инженерному проектированию теплообменных поверхностей и систем с отводом высокотемпературного тепла от ТЖМТ

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список использованных источников

Приложение 1

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик теплообмена в теплообменных системах с давлением, близким к атмосферному применительно к ЯЭУ, охлаждаемым ТЖМТ»

Введение

В настоящее время в РФ и ряде других стран выполняются работы, направленные на развитие реакторов на быстрых нейтронов, охлаждаемых тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ). Переход к таким реакторам и замыкание топливного цикла должны (по прогнозам WEC) принять на себя прирост электропроизводства в течение нескольких десятилетий. Применение таких реакторов направлено на обеспечение максимальной эффективности, безопасности и надежности энергоустановок. Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам близок к эвтектике свинец-висмут, с которой накоплен большой опыт работы как в условиях лабораторных стендов, так и в условиях опытных и серийных транспортных реакторных установок.

В 50-80 г.г. прошлого века специалистами ряда стран был выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований характеристик теплообмена в системах с литием, калием, натрием, сплавами натрий-калий, ртутью, эвтектическим сплавом свинец- висмут и др. В результате проведенных исследований были разработаны и предложены рекомендации для выполнения инженерных проектно-конструкторских расчетов (гидродинамических и тепловых) оборудования, контуров и систем с жидкометаллическими теплоносителями. Эти рекомендации были реализованы в виде нормативной документации (РТМ и др.), в соответствии, с которой, рассчитывалось проектируемое теплообменное оборудование, включая парогенераторы, активные зоны и теплообменники реакторных установок, промышленных и исследовательских стендов. Были построены и успешно эксплуатировались отечественные стенды и установки (в том числе опытные и серийные реакторные установки) с теплоносителями: натрий, эвтектика свинец- висмут, натрий-калий и др. [1].

Возобновление интереса к тяжелым жидким металлам в качестве теплоносителя вызвано стремлением к повышению эффективности атомного энергетического комплекса. Одним из путей является замыкание топливного

цикла энергетических установок, что невыполнимо без применения реакторов на быстрых нейтронах. Возобновлению исследований в РФ так же способствовали Федеральные целевые программы "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года" и "Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года", в рамках которых заложена разработка проекта "Прорыв". Данный проект предполагает возведение инновационного опытно-демонстрационного энергетического комплекса в составе энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем.

Актуальность работы

Методы расчета контуров с жидкими металлами всегда предполагали существенный запас по площадям теплообмена, что негативно сказывалось на экономических показателях установки в целом. Подходы к проектированию и эксплуатации подобных установок не способствовали выявлению величин фактических "запасов" поверхностей теплообмена и корректировки соответствующих расчетных методов теплообмена.

В НГТУ им. Р.Е. Алексеева длительное время проводились экспериментальные и расчетно-теоретические исследования характеристик теплообмена в оборудовании контуров с ТЖМТ. Были детально изучены характеристики теплообмена при продольном и поперечном обтеканиях теплообменных поверхностей и влияния на них как гидродинамики так и особенностей технологии теплоносителя.

Обеспечение отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей при расхолаживании реактора, а так же в стояночных режимах при наличии значительных остаточных тепловыделений традиционно требует сложных, дорогих и потенциально опасных решений в виду высокой температуры застывания теплоносителя (РЬ-326 °С, эвтектика РЬ-В 1-125 °С). Аналогичную проблему необходимо решать при создании установок (стендов) для испытаний главных циркуляционных насосов с адиабатическим вводом

тепла в контур до 1 МВт, их моделей и других неизотермических установок (стендов).

Использование в качестве теплоотводящей среды воды требует высоких давлений в теплоотводящих водяных контурах (для охлаждения свинцового теплоносителя близких к критическому) для исключения застывания жидкометаллического теплоносителя в полостях теплообменного оборудования.

Использование в качестве теплоотводящей среды воздуха из-за его "плохих" теплофизических свойств требует применения теплообменников с существенно большими поверхностями теплообмена, с большой массой содержащегося в них жидкого металла. Значительно усложняет конструкцию подобных теплообменников необходимость обеспечении разогрева и поддержания температуры полостей с ТЖМТ выше температуры застывания жидкометаллического теплоносителя перед заполнением жидким металлом и при отсутствии его циркуляции через теплообменник.

Примером контура с адиабатически вводимым теплом до 50кВт является стенд ФТ-4НГТУ, предназначенный для отработки моделей проточных частей ГЦН для РУ БРЕСТ-ОД 300. Во время работы циркуляционный электронасос вносит в контур ТЖМТ до 50кВт тепловой энергии, которая не может быть отведена без помощи стандартного теплообменника. Для решения данной проблемы в стенде ФТ-4НГТУ предусмотрен теплообменник, охлаждающей средой в котором является воздушно-водяная смесь. Преимуществом данного решения является естественная безопасность и простота эксплуатации теплообменника в составе стенда.

Целью диссертационной работы является исследование характеристик теплообмена в оборудовании систем теплоотвода от ТЖМТ, с "низким" давлением теплоотводящей среды (воздушно-паровая смесь) для создания эффективных и безопасных теплообменных аппаратов реакторных установок и масштабных стендов применительно к режимам стоянки, расхолаживания и пуска при значительном количестве тепла, адиабатически вносимом в контур ТЖМТ.

Задачи работы

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

-разработка методов, методических подходов (указаний) проведения экспериментальных исследований характеристик теплообмена, от высокотемпературных (до 550°С) ТЖМТ воздушно-водяной средой с давлением близким к атмосферному;

-разработка и создание высокотемпературных экспериментальных стендовых контуров с ТЖМТ;

-выполнение экспериментальных и расчетно-теоретических исследований; -создание массива экспериментальных данных результатов исследований; -исследование характеристик теплообмена применительно к аварийной ситуации с намораживанием ТЖМТ на теплообменную поверхность;

-оптимизация расчетных методических подходов для проектирования теплообменных аппаратов, использующих в качестве охлаждающей среды воздушно-водяную смесь;

-выработка рекомендаций по инженерному проектированию теплообменных поверхностей и систем с отводом высокотемпературного (до 550°С) тепла от ТЖМТ.

Научная новизна

На основании экспериментальных и расчетно-теоретических исследований впервые предложено и разработано решение важной для атомной энергетики с ТЖМТ задачи эффективного и безопасного отвода тепла высокотемпературных (до 550°С) контуров с ТЖМТ применительно к стояночным режимам, режимам пуска и расхолаживания реакторных установок со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, а так же от контуров стендов с ТЖМТ в которые адиабатически вводится тепло.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств и методов проведения экспериментов, использованием сертифицированного программного обеспечения при

проведении экспериментов, соответствием полученных данных общепринятым физическим представлениям, корреляцией результатов экспериментов с последними по времени результатами других исследований.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что обосновано и рекомендовано к внедрению теплообменное оборудование, позволяющее отводить высокотемпературное (550°С и более) тепло от систем со свинцовым и свинец-висмутовыми оборудованием эффективно и безопасно с помощью воздухо-водяной смеси при давлении, близком к атмосферному. Предложено, рекомендовано к внедрению и внедрена система эффективного, безопасного и экономичного отвода адиабатически вносимого тепла на полупромышленном стенде ФТ-4НГТУ с высокотемпературным свинцовым теплоносителем, с использованием воздухо-водяной смеси низкого давления, позволяющей эффективно регулировать температуру циркулирующего свинцового теплоносителя.

Основные положения, выносимые на защиту:

- созданные экспериментальные стенды (установки) с применением

натурных ТЖМТ;

- методические подходы проведения экспериментальных исследований характеристик теплообмена, от высокотемпературных (до 550°С) ТЖМТ средой с давлением близким к атмосферному;

- массив экспериментальных данных характеристик теплообмена, применительно к теплообменному оборудованию с низким давлением охлаждающей среды;

- комплекс рекомендаций по инженерному проектированию теплообменных поверхностей и систем с отводом высокотемпературного (до 550°С) тепла от ТЖМТ.

- экспериментальное подтверждение и уточнение условий возникновения эффекта намораживания слоя ТЖМТ на теплообменную поверхность.

Личный вклад автора

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТС» НГТУ им. Р.Е. Алексеева автором лично, при непосредственном участии автора или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, разработки методических подходов исследований, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в проведении исследований, обработки и обсуждении результатов, разработке рекомендаций по использованию результатов работы в РУ.

Все проведенные работы выполнялись под руководством научного руководителя, профессора, доктора технических наук Безносова Александра Викторовича. На различных этапах выполнения работы участие принимали магистры кафедры "АТС" Соловьев А. О., Сергеев С. И., Котоврасов М. Ю., Метринский Р. А.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались на международных и отечественных

конференциях и семинарах: 20-я Нижегородская сессия молодых ученых (Арзамас 2015г.); 14-я Международная молодежная научно - техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2015г.); Научно-техническая конференция «Теплофизика реакторов нового поколения (Теплофизика 2015)» (Обнинск 2015г.); Конференция молодых специалистов "Инновации в атомной энергетике" (Москва 2015г.); Научно-техническая конференция «Теплофизика реакторов нового поколения (Теплофизика 2016)» (Обнинск 2016г.); 16-я Международная молодежная научно - техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2017г.);

Результаты исследований, выполненных автором лично и при его непосредственном участии, опубликованы в статьях в журнале "Атомная энергия" [2], в журнале Вопросы атомной науки и техники. Серия Ядерно-

реакторные константы [3], в журнале Труды НГТУ [4]. Получено 2 патента на полезную модель [29, 30].

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору А.В. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности, коллективу кафедры «АТС» НГТУ за помощь в работе и заведующему кафедрой д.т.н., профессору Дмитриеву С.М. за поддержку в работе.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Объем работы составляет 119 страниц, 42 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 32 наименований.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется практическая значимость и научная новизна работы, цели и задачи исследования.

В первой главе анализируются имеющиеся проектные решения по отведению тепла от РУ с ТЖМТ в переходных и стояночных режимах работы, теоретические и экспериментальные данные по характеристикам теплообмена в свинцовом теплоносителе, а так же краткие теоретические и экспериментальные данные по теплообмену в газокапельных смесях, имеющиеся на данный момент.

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки для исследований характеристик теплообмена при продольном обтекании теплообменной поверхности свинцовым теплоносителем. Приведены программа и методические подходы испытаний. Представлены результаты исследований характеристик теплообмена, применительно к теплообменным системам с "низким" давлением охлаждающей смеси. Представлены результаты исследований охлаждающей среды (воздухо-водяной смеси). Представлены результаты эксперимента по намораживанию слоя ТЖМТ на теплообменную поверхность во время циркуляции.

В третьей главе приводятся результаты анализа и исследований опыта эксплуатации полупромышленного стенда ФТ-4НГТУ с установленным

теплообменником низкого давления. Представлены результаты экспериментальных исследований по эксплуатационной надежности и эффективности данного вида теплообменного оборудования.

В четвертой главе представлены рекомендации по инженерному проектированию оборудования и систем, основанных на полученных в ходе исследований данных.

Глава 1 Проблемы отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в стояночных режимах, при расхолаживании и пуске РУ и

при работе неизотермических стендов

1.1 Проблемы отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в РУ и неизотермических стендах

Обеспечение отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей при расхолаживании реактора, а так же в стояночных режимах при наличии значительных остаточных тепловыделений традиционно требует сложных, дорогих и потенциально опасных решений в виду высокой температуры застывания теплоносителя (РЬ-326 °С, эвтектика РЬ-Б1-125 °С). Аналогичную проблему необходимо решать при создании установок (стендов) для испытаний главных циркуляционных насосов с адиабатическим вводом тепла в контур до около 1 МВт, их моделей и других неизотермических установок (стендов).

Использование в качестве теплоотводящей среды воды требует высоких давлений в теплоотводящих водяных контурах (для охлаждения свинцового теплоносителя близких к критическому) для исключения застывания жидкометаллического теплоносителя.

Использование в качестве теплоотводящей среды воздуха требует применения теплообменников с существенно большими поверхностями, с большой массой содержащегося в них жидкого металла. Значительно усложняет конструкцию подобных теплообменников необходимость обеспечении разогрева и поддержания их температуры выше температуры застывания жидкометаллического теплоносителя перед заполнением жидким металлом и при отсутствии его циркуляции через теплообменник. Для исключения указанных недостатков предложено использовать в качестве теплоотводящей среды смесь воздуха и мелкодисперсной фазы конденсата воды при давлении близком к атмосферному [31]. Регулируемым изменением содержания водяной

фазы в потоке можно обеспечивать заданную мощность теплоотвода и, соответственно, заданную температуру жидкого металла на выходе из теплообменника при безопасно низком давлении теплоотводящей среды, близком к атмосферному [2].

1.2 Обзор систем нормального и аварийного расхолаживаний РУ с

ТЖМТ

Теплопроводность свинца-висмута (~15,6 Вт/(м^К) при 450°С) и свинца (~17,1 Вт/(м^К) при 450°С) в 10 раз и более превышает теплопроводность воды и газов при аналогичных условиях. Это способствует более эффективному, чем у воды отводу тепла от активной зоны с ТЖМТ за счет теплопроводности. Температура кипения свинца-висмута (~17000С при 0,1МПа) и свинца (17450С-1750°С при 0,1МПа) превышает температуру разрушения оболочек твэлов. Поэтому, возможный для воды и натрия кризис теплообмена, связанный с появлением паровой прослойки между оболочкой твэла и теплоносителем и вызываемое этим ухудшение теплообмена в активной зоне для свинца и свинца-висмута невозможно.

Для обеспечения нормального расхолаживания в АПЛ проектов 645, 705 и 705К предусматривались первоначальный сброс "пика" в конденсаторы ПТУ, а затем отвод тепла в конденсаторах расхолаживания, охлаждаемых забортной водой и отводящие тепло от контура МПЦ парогенераторов РУ.

Для исключения замораживания ТЖМТ в парогенераторах при работе конденсаторов расхолаживания на сливе конденсата из них установлен регулятор давления, исключающий понижение давления в сепараторах и в трубной системе парогенераторов до давления, соответствующего температуре насыщения, превышающей температуру замораживания ТЖМТ. Применение в этих РУ эвтектики РЬ-Ы не требовало создания высоких давлений в пароводяных областях ПГ в стояночных режимах, величина этого давления 121 5 кгс/см2 не рассматривалась, как потенциально опасная. В том случае, если бы

в качестве ТЖМТ в РУ был применен свинец, то такое решение было бы недопустимо. При аварийном понижении давления до атмосферного в пароводяных полостях ПГ возможно замерзание эвтектики РЬ-Б1 в парогенераторе, такая авария произошла в парогенераторе опытной реакторной установки проекта 705 МП-7.

Для обеспечения аварийного теплоотвода от активной зоны в корпусах реакторов стендов 27ВТ, 27ВТ-5, АПЛ проекта 645 размещались каналы расхолаживания, обеспечивающие расхолаживание реактора при прекращении отвода тепла парогенераторами, при выходе из строя ГЦН.

Прямой контакт с водой свинцово-висмутового и свинцового теплоносителей в отличие от щелочных металлов не является взрывопожароопасным. Это свойство позволяет использовать воду в теплообменниках расхолаживания отводящих тепло непосредственно от ТЖМТ

[5].

Для реакторной установки БРЕСТ ОД-300 применяются конструктивные решения, соответствующие принципам естественной безопасности. Так, для нормального и аварийного расхолаживания предусмотрена система СНАР. Она представляет собой четыре канала безопасности для обеспечения работы блока. Система состоит из двух контуров: первый контур представляет собой 4 независимых свинцовых петли, организованные внутри реактора и подключенная параллельно ПГ. Движение теплоносителя осуществляется с помощью естественной циркуляции. Второй контур является открытой воздушной петлей, сосотоящей из вертикально ориентированных труб Фильда, погруженных в теплоноситель, расположенных по периферийной зоне первого контура. со свободной циркуляцией воздуха внутри. Система предназначена для отвода остаточных тепловыделений реактора к конечному поглотителю (атмосферному воздуху). Система работает на пассивном принципе охлаждения

1.3 Обзор систем и режимов остаточных тепловыделений от реактора в

стояночных режимах

Задача систем отвода тепла остаточных тепловыделений реакторов -передача тепла от поверхности оболочек твэлов активной зоны первичному теплоносителю и далее к окружающей среде (воздуху, воде). В советских атомных подводных лодках (АПЛ) с ТЖМТ для поддержания теплоносителей в разогретом состоянии в участках контура с отсутствием в них циркуляции использовалось тепло остаточных тепловыделений или часть тепла реактора, работающего на энергетических уровнях мощности. В длительных стояночных режимах использовался пар (вода) от постороннего источника (при наличии пара (воды) требуемого качества по содержанию примесей), либо пар (вода) от собственного электрокотла.

При работе РУ на энергетических уровнях мощности или в стояночных режимах при уровнях мощности остаточных тепловыделений, достаточных для работы системы парового обогрева, насыщенный пар из сепараторов поступал в напорный коллектор системы обогрева, далее в батареи обогрева, где пар конденсировался.

В реакторных контурах со свинцово-висмутовым и свинцовым теплоносителями возможны следующие решения систем теплоотвода к атмосферному воздуху, учитывающих специфику свойств теплоносителей. Ниже представлены несколько вариантов исполнения систем отвода остаточных тепловыделений, потенциально применимых на РУ с ТЖМТ.

Первая из предложенных систем отводит тепло от активной зоны реактора при неработающих парогенераторах и средствах циркуляции теплоносителя. Единственным условием сохранения работоспособности такой системы со стороны реакторного контура является наличие уровня жидкометаллического теплоносителя в реакторе выше активной зоны. Система вводится в действие переводом запорно-регулирующего клапана из состояния «закрыто» в состояние «регулятор», например, сигналами от выходных термопар реактора. Других

управляющих сигналов или каких-либо управляющих воздействий на работу системы не требуется.

При переключении запорно-регулирующего клапана в режим регулятора вода из водяного коллектора поступает во внутренние каналы трубок Фильда, установленные по периметру на уровне и над активной зоной. Вода подогревается во внутренних каналах и поступает во внешние кольцевые каналы трубок Фильда. Отводя тепло от жидкометаллического теплоносителя, она испаряется и попадает в верхний паровой коллектор, откуда пар попадает в теплообменные трубы, охлаждаемые воздухом, конденсируется и стекает в нижний коллектор. В случае если мощность остаточного тепловыделения существенно превышает отводимую в воздушной шахте теплообменными трубами, срабатывают предохранительные клапаны. По мере снижения тепловыделения, расход воды, поступающей в трубки Фильда, снижается. Изменением этого расхода поддерживается постоянное заданное давление в нижнем коллекторе, и соответственно температура насыщения, превышающая температуру застывания жидкометаллического теплоносителя [5].

Схема первого варианта системы представлена на Рисунке 1. 1.

При последующем выводе реактора на энергетический уровень мощности запорно-регулирующий клапан переводится в положение «закрыто».

Недостатком такой схемы является некоторое увеличение массогабаритных показателей реактора за счет введения в его объем каналов расхолаживания.

Другой вариант исполнения отличается местом расположения теплообменников. Тепло от активной зоны реактора передается жидкометаллическому теплоносителю при естественной циркуляции по основному циркуляционному контуру. Жидкий металл отдает тепло трубкам теплообменника, расположенного в верхней части блока. Теплообменник может быть выполнен с горизонтальными трубками или другой конструкции. Трубки закрепляются в трубных досках водяной и паровой камер секций теплообменника расхолаживания. Водяные камеры подключаются к запорно-регулирующему клапану, паровые камеры - к паровому коллектору системы

9

8

—СтИЗ)

| /—

5

14

15

2

1 - активная зона; 2 - корпус блока ядерного реактора; 3 - периферийные тяговые трубы; 4 - центральные тяговые трубы;; 5 - парогенераторы 6 -свободный уровень свинцово-висмутового или свинцового теплоносителя; 7 -запорно-регулирующий клапан; 8 - водяной коллектор; 9 - трубопроводы; 10 -верхний паровой коллектор; 11 - предохранительный клапан; 12 - воздушная шахта (труба), 13 - теплообменные трубы; 14 - золотник; 15 -механизм перемещения запорно-регулирующего клапана; 16 - трубки Фильда; 17 -насосы; 18 - центральные каналы трубок Фильда; 19 - объемы внешних кольцевых каналов трубок Фильда

Рисунок 1.1 Схема первого варианта системы аварийного расхолаживания

отвода тепла, описанной в первом варианте. Преимущество такой системы теплоотвода - меньшие массогабаритные характеристики реакторного блока

вблизи активной зоны. Для улучшения характеристик естественной циркуляции целесообразно введение теплоизолирующего слоя между подъемным и опускным участками тракта циркуляции теплоносителя.

В качестве управляющих сигналов на этот регулятор могут использоваться сигналы от термопар, установленных в активной зоне реактора. Тепло, выделяющееся в активной зоне, передается трубкам Фильда теплоносителем за счет естественной конвекции и теплопроводности.

На разных стадиях проектирования российских РУ с ТЖМТ (СВБР, БРЕСТ) в проектную документацию вводились технические решения с отводом тепла от реактора через его корпус или каналы, контактирующие с корпусом или, непосредственно, с ТЖМТ. Рассматривались варианты с естественной и с принудительной циркуляцией воздуха. Эффективность теплоотвода определялась как температурой и поверхностью теплоотвода, так и скоростями воздушного потока. Отвод тепла за счет естественной циркуляции атмосферного воздуха является элементом естественной безопасности РУ. К недостаткам таких систем следует отнести ограничение мощностей теплоотвода условиями передачи тепла от топлива и оболочек твэл к поверхности корпуса и каналов теплоотвода с одной стороны и условиями создания необходимого движущего напора и расхода естественной циркуляции с другой.

Варианты с отводом тепла в емкости с водой, испаряющейся при атмосферном давлении включая бак железо-водной защиты, через промежуточные подсистемы аналогичны подобным вариантам, применяемым в реакторных установках с другими теплоносителями [5].

В проектном решении, предназначенном для отвода остаточных тепловыделений в ЯЭУ ALFRED (Европа) предусмотрены две независимые, пассивные системы высокой надежности и безопасности (DHR №1 и DHR №2) (рисунок 1.2): в случае несрабатывания вторичной системы, система DHR №1 вводится в действие; в случае несрабатывания первых двух систем DHR №2 начинает отвод тепла

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черныш, Алексей Сергеевич, 2018 год

Список использованных источников

1. Ярмонов М.В. Исследования теплообмена при поперечном обтекании труб тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями реакторов на быстрых нейтронах: дис. канд. техн. наук: 05.04.11 - Нижний Новгород., 2014. - 195 с.

2. Определение характеристик теплообмена в теплообменниках низкого давления, применительно к контурам, охлаждаемым свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями / Безносов А.В., Черныш А.С., Зудин А.Д., Новинский Э.Г., Бокова Т.А. // Атомная энергия. - М., 2017.-т.121. - вып.5.-С.334-338

3. Концепция и экспериментальное обоснование безопасного и эффективного теплоотвода в стояночных режимах реакторных установок и стендах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителем / Безносов А.В., Черныш А.С., Сергеев С.И., Бокова Т.А. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2016г., е^БМ 2414-1038, №1, стр.139-147

4. Исследование характеристик теплообмена в теплообменных системах с давлением, близким к атмосферному, применительно к контурам, охлаждаемым свинцом / Безносов А.В., Черныш А.С., Котоврасов М.А., Метринский Р.А. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева - Нижний Новгород, 2016, №4(115), ББК 9я54, УДК 621.039.542 стр. 100-106

5. Безносов А.В., Степанов В.С., Леонов В.Н. Оборудование энергетических контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями в атомной энергетике. Н.Новгород, 2008, с. 690.

6. Атомное строительство № 22 2015г. СРО НП "Союзатомстрой" Технические решения реактора БРЕСТ-ОД-300 и перспективы его эксплуатации, А.Р.Дягель, С.В. Лавриненко, НИТПУ, ЭНИН, АТЭС стр.332-335

7. Исаченко, В.П. Теплопередача / Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел

A.С.: Учебник для вузов. -4-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1981.-416с.:ил.

8. Молодцов А.А. Характеристики теплообмена от свинцового теплоносителя в оборудовании ЯЭУ при эксплуатационном содержании в нем примесей: дис. канд. техн. наук: 05.04.11 — Нижний Новгород., 2007. — 296 с.

9. Жуков, А.В. Теплогидравлический расчет реакторов. В 3 ч. Ч. 1. Общие вопросы / А.В. Жуков.- Обнинск : ГНЦ РФ ФЭИ, 2001.- 210 с.

10.Жидкометаллические теплоносители / С.С. Кутателадзе,

B.М. Боришанский, И.И. Новиков, О.С. Федынский.- М.: Атомиздат, 1958.

11.Кириллов, П.Л. Справочник по гидродинамическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков.- М.: Энергоатомиздат, 1990.

12. Новожилова О. О. Результаты исследований и обобщения характеристик теплообмена при продольном обтекании поверхностей тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.11 — Нижний Новгород., 2007. — 212 с.

13.. Безносов, А.В. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / А.В. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков. - М.: ИздАт, 2007. -434с.: ил.

14.Hishida K. Heat transfer in two-component mist flow: boundary layer structure on a isothermal plate / K. Hishida, M. Maeda, S. Ikai // Proc. 7th Int. Heat Transfer Conference IHTC-7. - Munich, Germany, 1982. - Vol. 4. - P. 301-306

15.П.Л. Кирилов, Н.Б. Денискина. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей. - М.: ЦНИИатоминформ, 2000г.-41с.

16.http://www.dpva.info/ Инженерный справочник, Таблицы.

17.Охотин А.С., Боровиков Р.П., Нечаева Т.В. и др. Теплопроводность твердых тел. - М., 1984г.

18.Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник, под ред. П.Л. Кириллова., Обнинск, ФЭИ, 2005.

19.Безносов А.В., Пинаев С.С., Молодцов А.А. [и др.] Экспериментальные исследования характеристик контактного теплообмена свинцовый теплоноситель - рабочее тело, Атомная энергия.- М., 2005.- Т.98.-вып.3.- С.182-191.

20.Безносов А.В., Молодцов А.А., Семенов А.В. [и др.] Теплоотдача от свинцового теплоносителя к продольно обтекаемой трубе , Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. -Обнинск, 2006.-Вып.3.- С.83-90.

21.Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Графирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие/Под общ. Ред. В.С. Пономаренко. - М.: Энергоатомиздат:1998. - 376с.: ил. ISBN 5-28300284-5

22. Волынский А.С. О дроблении капель жидкости в потоке воздуха. мин. авиационной промышленности Союза ССР, Труды №164, 1948. — 12 с.

23.Пат. №2530984РФ. Охладитель расплава жидкометаллического теплоносителя / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, Д.А Ларионов, Т.А. Ливанова // Бюл. - 2014. - № 29.

24.Виноградов С.Н. Выбор и расчет теплообменников, учебное пособие/ Виноградов С.Н., Таранцев К.В., Виноградов О.С., Пенза 2001, УДК 66.021.1:532.5

25. Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при поперечном обтекании потоком теплоносителя, движущимся "СНИЗУ ВВЕРХ" при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода: отчет о НИР/ А.В. Безносов, М.В. Ярмонов, А.С. Черныш. Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2013. - 47с.

26. Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках, Монография/ В.И. Терехов, М.А. Пахомов, Новосибирск 2008: изд. НГТУ, УДК 536.24+532.5 Т35, ISBN 978-5-7782-1061-5,-284с

27. Математические модели двухфазных течений: Учебное пособие./ Клюев Н.И., Соловьева Е.А., Самара 2010: изд. "Самарский университет", УДК 532.517, БКК 22.253, - 51с.

28. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотипн./ Михеев М.А., Михеева И.М., М, "Энергия", 1977, - 344с.

29. Патент на полезную модель № RU 161401 U1 "Форсунка механическая"/ Безносов А.В., Черныш А.С., Зудин А.Д.// Бюл. 2015 -№11.

30. Патент на полезную модель №RU 137152 U1 "Ядерная энергетическая установка"/ Безносов А.В., Черныш А.С., Боков П.А., Костин М.В., Зудин А.Д.// Бюл. 2013 - №3

31.Патент РФ №2325717 "Ядерная энергетическая установка"/ Безносов А.В., Молодцов А.А., Бокова Т.А., Новожилова О.О.// G21C9, Бюл. 2008. -№15

32. Хишида. Теплоотдача от плоской пластины в двухкомпонентный туманообразный поток/ Хишида, Маэда, Икаи // Теплопередача. - 1980. -Т. 102, №2.-С. 197-202.