Экспериментальное моделирование теплогидравлических процессов в микротвэльной шаровой засыпке

 

Варава Александр Николаевич,

кандидат технических наук, профессор,

Малаховский Сергей Александрович,

старший научный сотрудник,

Никитин Василий Владимирович,

инженер,

Сморчкова Юлия Владимировна,

аспирант.

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт.

 

Экспериментально установлено, что моделирование микротвэльной шаровой засыпки может быть осуществлено с помощью металлических шариков, при этом внутреннее тепловыделение обеспечивается высокочастотным нагревом. Приводится описание гидравлического контура и рабочего участка. Представлены результаты экспериментов по исследованию гидравлического сопротивления модельной шаровой засыпки цилиндрической формы разной высоты и пористости.

Ключевые слова: микротвэльная шаровая засыпка, высокочастотный нагрев, гидравлический контур, рабочий участок, потери давления, коэффициент гидравлического сопротивления.

 

Введение

 

В последнее время все более актуальной становится проблема повышения энергоэффективности и безопасности ядерных энергетических установок. Одним из путей решения этой проблемы является использование тепловыделяющих сборок (ТВС) с микротвэлами, непосредственно охлаждаемых однофазным или двухфазным теплоносителем. По сравнению со стержневыми твэлами, они обладают значительными преимуществами [2],[3], в том числе:

·                    во много раз увеличивается поверхность теплообмена, что уменьшает плотность тепловых потоков и значительно увеличивает запас до кризиса теплоотдачи;

·                    однородность температурного поля за счет увеличения турбулизации потока;

·                    значительно уменьшается вероятность тяжелой аварии при прекращении циркуляции теплоносителя за счет существенного снижения температуры твэлов;

·                    увеличивается продолжительность работы топлива за счет увеличения относительного выгорания.

Одна из трудностей, возникающая при внедрении микротвэлов в ядерные энергетические установки, состоит в недостаточной изученности теплогидравлических характеристик в таких активных зонах. Особенно это касается гидродинамики и теплообмена в шаровых засыпках. Однако, лишь немногие задачи теплообмена в элементах конструкции ядерного реактора допускают аналитическое решение. Сложная геометрия конструкционных элементов реактора, неоднородные граничные условия, зависимость мощности тепловыделения от координат и времени, необходимость во многих случаях учитывать зависимость физических свойств материалов от температуры — все это зачастую делает невозможным использование аналитических (даже приближенных) методов расчета. Поэтому расчет температурных полей в элементах реактора обычно проводится либо численными методами, либо моделируется экспериментально.

Использованию натурных экспериментальных установок препятствуют сложность их проектирования и высокие финансовые затраты на изготовление и эксплуатацию. Поэтому, на этапе первоначальных исследований, по-видимому, численное моделирование является одним из оптимальных способов решения поставленной задачи. 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 широком диапазоне режимных параметров.

 

Моделирование тепловыделения в микротвэлах

 

Микротвэл представляет собой сферу, состоящую из сердечника с ядерным топливом и многослойной оболочки из пироуглерода и карбида кремния, обеспечивающей высокое удержание твердых и газообразных продуктов деления. Размер микротвэлов колеблется от нескольких сот микрон до нескольких миллиметров [1]. Для их моделирования возможно использовать калиброванные шарики требуемого диаметра, изготовленные из нержавеющей стали. Одним из возможных методов моделирования внутреннего тепловыделения является применение индукционного ВЧ-нагрева.

Изучение возможности использования ВЧ-нагрева проводилось в тестовых опытах. Засыпка из шариков диаметром 2 мм, изготовленных из нержавеющей стали, размещалась в кварцевой пробирке диаметром 30 мм, в которую заливалась дистиллированная вода. Высота засыпки — 125 мм. Для контроля температуры использовались две термопары: первая располагалась по центральной оси засыпки, вторая — в 10 мм от центральной оси на такой же высоте. Термопары могли перемещаться по высоте засыпки. Для обеспечения внутреннего тепловыделения использовался ВЧ-генератор IHS 20-60. Показания термопар (рис. 1), а также визуальные наблюдения позволили сделать вывод, что нагрев осуществляется по всему объему с одинаковой интенсивностью и, следовательно, засыпку из металлических шариков можно рассматривать, как модель сборки с миркротвэлами, а внутреннее тепловыделение в шаровой засыпке можно моделировать с помощью индукционного ВЧ-нагрева.

 

Рис. 1. Показания термопар при нагреве засыпки.

 

Описание гидравлического контура

 

Схема гидравлического контура экспериментальной установки представлена на рис. 2. В качестве теплоносителя используется дистиллированная вода, которая находится в баке (Б). Циркуляция теплоносителя осуществляется многоступенчатым центробежным насосом Grundfos CRNE 1-4. Вода из бака через фильтр (Ф) поступает в насос (Н) и далее нагнетается к рабочему участку (РУ) и поступает обратно в бак. Так как объем воды в баке достаточно большой, то в ходе экспериментов температура воды в контуре существенно не изменятся.

 

Рис. 2. Гидравлический контур.

 

Регулирование расхода осуществляется двумя способами: ступенчато с помощью частотного регулятора, установленного на насосе, а также плавно с помощью байпасной линии (БП) и вентилей (В2, В5). Измерение расхода через рабочий участок производится с помощью электромагнитного расходомера G марки Взлет МР-400К.

Для измерения давления на рабочем участке используются образцовые стрелочные манометры на входе P1 и выходе P2 рабочего участка и датчик перепада давления марки Yokogawa EJA110. Температура измеряется с помощью хромель-алюмелевых термопар.

Экспериментальный стенд рассчитан на следующие режимные параметры: температура в контуре от 20°С до 180°С, давление в контуре от 1 до 10∙бар, расход теплоносителя (0,01-0,50) кг/с.

Нагрев шаровой засыпки осуществлялся с помощью ВЧ-генератора IHS20-60 с тепловой мощностью до 20 кВт. Диапазон рабочих частот — (40 ¸ 60) кГц.

 

Рабочий участок и экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению

 

Рис. 3. Конструкция рабочего участка.

 

Рабочий участок (рис. 3) представляет собой трубку 1, внутренним диаметром 31,4 мм, изготовленную из поликарбоната, материала прозрачного для радиоизлучения на рабочей частоте ВЧ-генератора. Внутри нее размещался контейнер 2 с шаровой засыпкой 3. Труба армирована стекловолокном по наружной поверхности и пропитана эпоксидной смолой. Подвод и отвод теплоносителя осуществляется посредством коллекторов 4. По высоте и радиусу контейнера с шариками размещены термопары 6.

В разных сериях шаровая засыпка моделировалась шариками диаметром 2,00 мм и 2,25 мм из стали 95Х18. Высота контейнера с засыпкой для разных серий составляла 25, 50, 75 и 100 мм.

Проведенные наладочные опыты включали в себя измерения гидравлического сопротивления в шаровой засыпке при следующих режимных параметрах: температура — (18,5¸20,5)°С, давление в контуре — (6¸10) бар, расход теплоносителя — (0,15¸0,50) кг/с.

Для каждой из засыпок с помощью весового метода определялось значение пористости m, которое изменялось в пределах от 0,375 до 0,385 для всех серий измерений.

Экспериментальные данные, представленные на рис. 4, обладают достаточно высокой воспроизводимостью. Погрешность измерения перепада давлений составляет 1,5%, а массового расхода 2,5%.

Обработка экспериментальных результатов показала (рис. 5), что имеется расслоение экспериментальных данных на зависимости ξ=f(Re). Это расслоение может быть объяснено различной пористостью в образцах засыпки.

 

Рис. 4. Первичные экспериментальные данные по гидродинамике в шаровой засыпке.

 

Рис. 5. Зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса при различных высотах засыпки при d=2,00 мм.

 

Заключение

 

Создана модельная экспериментальная установка по исследованию теплогидравлических процессов в шаровой засыпке. Установлено, что для обеспечения стабильного внутреннего тепловыделения возможно использование высокочастотного нагрева. Спроектирован и подготовлен рабочий участок. Проведены пробные эксперименты при комнатной температуре. Работа выполнена при поддержке стипендии президента РФ СП-824.2012.1.

 

Литература

 

1.                  Богоявленский Р.С. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми твэлами. – М.: Атомиздат, 1978. 112 с.

2.                  «ВВЭР с микротвэлами», Отчет 27. 6111. Д, ВНИИАМ, Москва, 2003.

3.                  Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Хрулев А.А., Дегальцев Ю.Г. и др. Перспективы развития микротвэлов в ВВЭР // Атомная энергия, Т.86, №6, 1999. – С. 443-449.

 

Поступила в редакцию 20.11.2013 г.