В настоящее время в России идет завершающий этап строительства первого плавучего энергоблока «Академик Ломоносов», который не имеет аналогов в мире. Энергоисточником плавучего энергоблока является РУ КЛТ-40С. Главным конструктором, изготовителем и комплектным поставщиком оборудования для КЛТ-40С является ОАО «ОКБМ Африкантов».
Одним из важнейших элементов КЛТ-40С является кассетная активная зона. Техническая база создания активной зоны КЛТ-40С основана на опыте проектирования, изготовления и эксплуатации активных зон атомных ледоколов. Активная зона КЛТ-40С, состоит из чехловых тепловыделяющих сборок (ТВС) с пластинчатыми дистанционирующими решетками (ДР) [1]. Конструктивные особенности кассетной активной зоны КЛТ-40С по сравнению с традиционными решениями активных зон атомных ледоколов обусловили необходимость обоснования ее теплотехнической надежности.
Обоснование теплотехнической надежности активной зоны ядерного реактора, во многом базируется на теплогидравлическом расчете [2]. Основной задачей расчета является проведение анализа тепловых и гидравлических характеристик активной зоны в течение всей кампании по всему спектру эксплуатационных режимов с целью обоснования теплотехнической надежности активной зоны и обеспечения нормальных условий работы элементной базы.
Теплогидравлический расчет проводится с использованием программ детального поячеечного расчета активных зон водо-водяных ядерных реакторов [3]. Но большинство таких программ основаны на математических моделях, включающих в себя эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние различных конструкционных элементов ТВС на гидродинамику, тепло- и массообмен теплоносителя, что, в свою очередь, требует проведения работ по их дополнительной валидации.
Следовательно, особенности конструкции ТВС РУ КЛТ-40С требуют экспериментального исследования закономерностей формирования локальных гидродинамических и массообменных характеристик потока теплоносителя в пучках твэлов за ДР, что является актуальной задачей, решение которой позволяет обосновать теплотехническую надежность активных зон КЛТ-40С.
Материалы и методы исследования
Экспериментальный стенд
Для исследования гидродинамики и массообмена теплоносителя в ТВС РУ КЛТ – 40С в НГТУ им. Р.Е. Алексеева был создан аэродинамический экспериментальный стенд, представляющий собой разомкнутый контур, через который прокачивается воздух [4]. В состав стенда входят: вентилятор высокого давления, ресиверная емкость, экспериментальная модель (ЭМ), расходомерное устройство, система подачи и отбора трассера, измерительный комплекс.
ЭМ ТВС реактора КЛТ-40С, выполнена в полном геометрическом подобии и состоит из: шестигранного чехла, твэлов-имитаторов, имитаторов стержней выгорающего поглотителя и поясов ДР, представляющих собой конструкцию, состоящую из шестигранной обечайки и набора параллельных пластин, расположенных в три яруса.
Измерительный комплекс
В состав измерительного комплекса входят: газоанализатор, расходомер газа, ЭВМ с программным обеспечением, трубка Пито-Прандтля, пятиканальный пневмометрический зонд, блок аналоговых преобразователей давления.
Измерения концентрации углеводородов CnHm в газо-воздушной смеси осуществлялось газоанализатором. Принцип измерения CnHm основан на измерении величины поглощения инфракрасного излучения. Диапазон измеряемых концентраций 0 – 10000 ppm, погрешности измерений с учетом индивидуальной градуировки равны ± 15 ppm (0 – 1000 ppm) и ±1,5 % (1000 – 10000 ppm) [5].
Поддержание заданного расхода газа-трассера осуществлялось массовым расходомером, позволяющим измерять и регулировать потоки газов. Погрешность составляла не более 0,5 %.
Измерение вектора скорости потока теплоносителя осуществлялось пятиканальным пневмометрическим зондом. Предельные отклонения проекций абсолютной скорости на оси X, Y, Z не превышали 7 % от абсолютной скорости. Перед проведением исследований зонд тарировали в воздушном потоке с известными и постоянными по сечению канала направлением и значением скорости [6].
Отбор проб трассера в газоанализатор осуществлялся с помощью отборного зонда выполненного в виде трубки Пито-Прандтля, с помощью которого также можно определить значение осевой скорости потока [7].
Снятие показаний с пятиканального пневмометрического зонда производилось блоком аналоговых преобразователей давления. Предел допускаемой основной погрешности данных приборов составляет ± 0,25 %.
Методики исследования гидродинамики и массообмена теплоносителя
Для изучения межъячеечного массообмена в ТВС РУ КЛТ-40С применяется метод диффузии примесей [8]. Данный метод основан на регистрации поперечного потока массы по некоторой переносимой субстанции. В качестве примеси выбран пропан, поскольку он обладает наиболее близкими к воздуху свойствами и не приводит к искажению картины течения теплоносителя.
Методика проведения исследований локального массообмена теплоносителя заключалась в следующем: газовый трассер через впускной зонд подавался в характерную ячейку ЭМ до пояса ДР по ходу течения потока теплоносителя; с помощью отборного зонда производился замер концентрации трассера газоанализатором по центрам всех ячеек за исследуемым поясом ДР в характерных сечениях по длине ЭМ, затем на основе полученных данных строились картограммы и графики зависимости распределения концентрации трассера от относительной координаты для характерных зон поперечного сечения ЭМ. По полученным картограммам и графикам была выявлена картина течения потока.
Экспериментальные исследования локальных гидродинамических характеристик потока теплоносителя в трубном пучке ЭМ заключались в измерении модуля вектора скорости, углов набегания потока и статического давления. Измерения проводились пятиканальным пневмометрическим зондом. Вектор скорости измерялся в характерных зонах периферийной области и области вытеснителя ЭМ. В каждой из таких зон замеры проводились в 19 сечениях по длине ЭМ.
Обоснование представительности экспериментальных исследований
Важным этапом проведения экспериментальных исследований является подтверждение их представительности. Поскольку моделирование течения теплоносителя в модели ТВС КЛТ-40С осуществляется воздухом на основе теории гидродинамического моделирования, можно утверждать, что в области автомодельности профиль относительной скорости (wлок/wср.расх) остается практически неизменным. Следовательно, проведение исследований гидродинамики и массообмена теплоносителя на ЭМ в зоне автомодельности позволит перенести результаты эксперимента на натурные условия течения теплоносителя в штатных ТВС. Для этого был проведен ряд испытаний, направленных на определение режимов течения теплоносителя в ЭМ и нахождение границ зон автомодельного течения теплоносителя. Исследования проводились в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 1,5?104 – 1?105 и заключались в построении эмпирической зависимости коэффициента трения участка ЭМ от числа Re. По полученным результатам область автомодельного течения в ЭМ начинается в диапазоне чисел Re = (5–5,5)•104. Полученные значения чисел Re заведомо ниже значений, достигаемых при проведении исследований.
Также на аэродинамическом стенде был экспериментально определен коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) пояса ДР. Проведение данных работ вызвано тем, что обоснование представительности экспериментальных исследований требуется соблюдение равенства КГС натурных решеток и решеток ЭМ. Анализ результатов исследований КГС показывает, что выбранная конструкция и геометрические характеристики ДР в области автомодельного течения обеспечивают необходимое гидравлическое сопротивление, а полученное значение соответствует КГС натурных решеток и составляет xДР = 0,29.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты исследования гидродинамики теплоносителя
Анализ результатов исследования локальной гидродинамики теплоносителя в модели ТВС РУ КЛТ-40С позволил заключить:
1. Поток теплоносителя в ТВС реактора КЛТ-40С преимущественно носит осевой характер. Значения относительных поперечных скоростей (wх/wср.расх), (wу/wср.расх) не превышают 5 %.
2. Ввиду особенности конструкции ДР проходное сечение стандартных ячеек имеет два вида затеснения пластинами: в виде «треугольника» и в виде «звезды».
Рис. 1. Отношение аксиальной составляющей вектора скорости в стандартных ячейках двух вариантов затеснения проходного сечения
В стандартных ячейках ТВС с затеснением проходного сечения пластинами ДР в виде «треугольника» значения аксиальной составляющей вектора скорости на (10-15) % больше, чем в ячейках с затеснением проходного сечения пластина ДР в виде «звезды» (рис. 1). Данное явление обусловлено тем, что пластины ДР, затесняющие проходное сечение стандартных ячеек в виде «звезды» создают дополнительное гидравлическое сопротивление потоку, по сравнению с расположением пластин в стандартных ячейках в виде «треугольника».
3. Анализ распределения расходов в стандартных ячейках ТВС двух вариантов затеснения проходного сечения пластинами ДР показал, что через ячейки с типом затеснения «треугольник» расход теплоносителя на 10 % больше, чем через ячейки с типом затеснения «звезда» (рис. 2).
Рис. 2. Отношение распределения расхода теплоносителя через стандартные ячейки двух вариантов затеснения проходного сечения пластинами ДР
Результаты исследования межъячеечного массообмена теплоносителя
Анализ результатов исследования межъячеечного массообмена теплоносителя модели ТВС РУ КЛТ-40С позволил заключить:
1. ДР ТВС реактора КЛТ-40С вносит возмущение в поток теплоносителя, вследствие чего возрастает интенсивность массообмена, характеризующаяся степенью турбулентности потока. С другой стороны, наличие турбулентного трения приводит к диссипации энергии движения потока, тем самым «сглаживая» возмущения, вносимые ДР. На рис. 3 виден характер затухания возмущений за поясом ДР по длине ЭМ.
2. ДР, состоящая из пластин, не приводит к интенсивному перемешиванию теплоносителя, поскольку распространение пропанового трассера в поперечном сечении ЭМ за ДР охватывает не более 11-ти ячеек вокруг точки инжекции трассера. Данное явление обусловлено меньшей перемешивающей способностью пластинчатой ДР, а также тем, что ТВС реактора КЛТ-40С имеет раздвинутый пучок твэлов.
Анализ аксиальной составляющей вектора скорости потока теплоносителя в модели ТВС с использованием расчетного кода «КАНАЛ»
Код КАНАЛ предназначена для поячейкового теплогидравлического расчета ТВС со стержневыми твэлами в стационарных режимах работы активных зон водо – водяных реакторов. Анализ распределения аксиальной составляющей вектора скорости потока теплоносителя в модели ТВС реактора КЛТ-40С проводился с помощью кода КАНАЛ, адаптированной к расчетам гидродинамических характеристик воздушных потоков.
Рис. 3. Распределение концентрации трассера по длине ЭМ за поясом ДР
В расчетном коде используется модель изобарных сечений, делящих ТВС на заданное число равных участков. По поперечному сечению ТВС разбивается на элементарные ячейки различных типов в соответствии с конструктивным исполнением. На каждом высотном участке ячейки рассматриваются как совокупность параллельных каналов, гидродинамика которых описывается системой нелинейных алгебраических уравнений, решаемой численным методом.
Теплогидравлический код КАНАЛ позволяет проводить поячейковый расчет выбранной области активной зоны водо-водяного реактора в составе от одной до семи ТВС, включая межкассетное пространство или выбранной области в составе одной ТВС. В поперечном сечение расчетная область содержала все 168 ячеек модели ТВС реактора КЛТ-40С, включая твэлы, стержни выгорающего поглотителя и центральный вытеснитель.
Ячейки расчетной области были разделены на 14 основных типов. Разделение ячеек основывалось на величине гидравлического сопротивления, обусловленного различной конфигурацией пластин ДР в ячейках.
В продольном сечение ТВС реактора КЛТ-40С была разбита на 32 расчетных участка. Размер каждого расчетного участка соответствует ширине ДР и равняется 93 мм. ДР задавалась массивом КГС ячеек на расчетном участке, соответствующем ее расположению в ЭМ.
Определение минимального расхождения расчетных и экспериментальных данных осуществлялось с помощью критерия SS, характеризующего среднеквадратичное отклонение между расчетными и экспериментальными значениями аксиальной составляющей вектора скорости и определяющегося по формуле
где n – число строк в таблице с данными; k – число столбцов в таблице с данными; wэij – экспериментальное значение аксиальной составляющей вектора скорости, м/с; wэij – расчетное значение аксиальной составляющей вектора скорости, м/с.
Наилучшая сходимость расчетных и экспериментальных данных наблюдается при коэффициенте SS, равном 0,078.
а)
б)
Рис. 4. Расчетное и экспериментальное распределение аксиальной составляющей вектора скорости: а) в ячейке с затеснением поперечного сечения пластинами ДР в виде «звезды»; б) в ячейке с затеснением поперечного сечения пластинами ДР в виде «треугольника»
По результатам анализа сходимости экспериментального и расчетного распределения аксиальной составляющей вектора скорости за ДР по длине модели ТВС РУ КЛТ-40С можно заключить следующее:
1. Коэффициент гидравлического сопротивления ДР, полученный на основе расчетных данных, равен 0,26. Погрешность относительно экспериментального значения коэффициента гидравлического сопротивления ДР, равного 0,29, составила 10 %.
2. Расчетное и экспериментальное распределения аксиальной составляющей вектора скорости по длине модели за ДР в ячейках с затеснением поперечного сечения в виде «звезды» имеет разный характер (рис. 4, а). В ячейках с затеснением поперечного сечения в виде «треугольника» наблюдается совпадение характера расчетного и экспериментального распределения аксиальной составляющей вектора скорости по длине модели (рис. 4, б). Данный факт говорит о том, что ячейки с затеснением поперечного сечения в виде «треугольника» и «звезды» имеют различное гидравлическое сопротивление, но это не учитывается в программе КАНАЛ.
3. Сохраняется разница (10–15) % в величине аксиальной составляющей вектора скорости между ячейками с затеснением поперечного сечения в виде «треугольника» и «звезды».
4. В выходном сечение модели ТВС реактора КЛТ-40С наблюдается схожий характер распределения расчетного и экспериментального значений аксиальной составляющей вектора скорости для всех исследованных ячеек.
Заключение
На основе комплексного анализа экспериментальных и расчетных данных по исследованию гидродинамики и массообмена теплоносителя в ТВС реакторов КЛТ-40С сделаны следующие выводы:
1. Во всех исследуемых областях ТВС КЛТ-40С поток теплоносителя носит осевой характер.
2. Выявлено, что в стандартных ячейках ТВС с затеснением проходного сечения пластинами ДР в виде «треугольника» значения аксиальной составляющей вектора скорости на (10–15) % больше, чем в ячейках с затеснением проходного сечения пластина ДР в виде «звезды».
3. Определено, что через ячейки с затеснением проходного сечения пластинами ДР в виде «треугольника» расход теплоносителя на 10 % больше, чем через ячейки с затеснением проходного сечения пластина ДР в виде «звезды».
4. Дистанционирующая решетка ТВС КЛТ-40С вносит возмущение в поток теплоносителя, вследствие чего возрастает интенсивность массообмена. С другой стороны, наличие турбулентного трения приводит к диссипации энергии движения потока, тем самым «сглаживает» возмущения, вносимые решеткой.
5. Применение ДР, состоящих из пластин, не приводит к интенсивному перемешиванию потока теплоносителя. Данное явление обусловлено меньшей перемешивающей способностью пластинчатой ДР, а также тем, что ТВС реактора КЛТ-40С имеет раздвинутый пучок твэлов. С другой стороны, такая пластинчатая решетка имеет «невысокое» гидравлическое сопротивление.
6. Повышение точности расчета распределения аксиальной составляющей вектора скорости по ячейкам за дистанционирующей решеткой ТВС реактора КЛТ-40С требует проведения комплекса экспериментальных исследований для определения коэффициентов гидравлического сопротивления ячеек всех вариантов затеснения поперечного сечения, которые используются в качестве исходных данных, входящих в замыкающие системы уравнений, используемых в программе КАНАЛ.
Библиографическая ссылка
Андреев В.В., Арсенов П.В., Дмитриев С.М., Доронков Д.В., Пронин А.Н., Хробостов А.Е. ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССОБМЕНА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКЕ РЕАКТОРА ПЛАВУЧЕГО ЭНЕРГОБЛОКА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-9. – С. 1563-1567;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8193 (дата обращения: 23.11.2024).