Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения)

2ОБОЗНАЧЕНИЯU ф – скорость фильтрации, м/с;U п – скорость в порах, м/с;ρU – массовая скорость, кг/(м2·с);Nu – число Нуссельта;Re – число Рейнольдса;Pr – число Прандтля;Pe – число Пекле;d ш – диаметр шарика, м;d экв – эквивалентный гидравлический диаметр, м;f – коэффициент живого сечения;V – объем, м3;Vш – объем шаров, м3;G – массовый расход, кг/с;p – давление, Па;Δp – перепад давления, Па;K – коэффициент проницаемости;H – высота слоя засыпки, м;L – длина канала (трубы, РУ), м;D – диаметр канала (трубы, РУ), м;a – удельная поверхность теплообмена, м2/м3;F – проходное сечение элементарной ячейки, м2;Ψ – относительное проходное сечение;α – вязкостный коэффициент сопротивления пористой среды, 1/м2;β  инерционный коэффициент сопротивления пористой среды, 1/м;αs – поверхностный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);α v – объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3·К);q – плотность теплового потока, Вт/м2;qv – объемное тепловыделение, Вт/м3;3ε – пористость;ρ – плотность жидкости, кг/м3;ξ – коэффициент гидравлического сопротивления;μ – коэффициент динамической вязкости, Па·с;ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м2 ·К).Подстрочные индексыш – шарик;ж – жидкость;в – вода;min – минимальный;max – максимальный;ст – стенка;v – объемный.4ОГЛАВЛЕНИЕОБОЗНАЧЕНИЯ ..............................................................................................................

2ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 7ГЛАВА 1.АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ............. 121.1.Микротвэлы ................................................................................................... 121.2.Активные зоны водоохлаждаемых реакторов с микротвэлами ............... 151.3.Пористая среда. Шаровая засыпка .............................................................. 201.4.Гидродинамика при течении теплоносителя в пористых средах ............. 241.5.Теплообмен в пористых средах ................................................................... 341.6.Особенности гидродинамики и теплообмена при радиальном течениитеплоносителя ............................................................................................................

43Выводы к главе 1 ....................................................................................................... 47ГЛАВА 2.ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И МЕТОДИКИССЛЕДОВАНИЯ ........................................................................................................ 482.1.Гидравлический контур ................................................................................

482.2.Система измерения........................................................................................ 502.2.1.Измерение давления, перепада давления и расхода жидкости ........ 502.2.2.Измерение температуры ....................................................................... 512.2.3.Автоматизированная система сбора и обработки информации ....... 542.3.Система высокочастотного индукционного нагрева................................. 552.4.Описание рабочих участков ......................................................................... 572.5.Тестовые эксперименты по нагреву шаровой засыпки ............................. 652.6.Методика обработки экспериментальных данных ....................................

712.7.Оценка неопределенностей результатов исследования ............................ 752.8.Математическая модель для численного исследования гидродинамики итеплообмена в шаровой засыпке ............................................................................. 77Выводы к главе 2 ....................................................................................................... 815ГЛАВА 3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ ПРИОБЪЕМНОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИИ .......................................................................... 823.1.Исследование потерь давления при осевом течении черезперфорированную пластину и шаровую засыпку..................................................

823.1.1.Результаты экспериментального исследования потерь давления притечении через перфорированную решетку ......................................................... 843.1.2.Определение коэффициентов сопротивления шаровой засыпки..... 913.1.3.Результаты численного исследования гидродинамики при течениичерез перфорированную пластину ......................................................................

963.2.Исследование потерь давления и теплообмена при радиальном течениижидкости через шаровую засыпку ........................................................................ 1073.2.1.Результаты экспериментального исследования потерь давления прирадиальном течении жидкости через шаровую засыпку ................................ 1083.2.2.Результаты экспериментального исследования теплообмена ираспределения температуры при радиальном течении жидкости черезшаровую засыпку ................................................................................................

1093.2.3.Численное моделирование радиального течения жидкости черезшаровую засыпку при объемном тепловыделении ......................................... 113Выводы к главе 3 ..................................................................................................... 122ГЛАВА 4.ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ С МИКРОТВЭЛАМИ ДЛЯ КЛТ-40С.......... 1234.1.Модель тепловыделяющей сборки с микротвэлами для РУ КЛТ-40С .

1234.2.Результаты численного исследования теплогидравлическиххарактеристик модели ТВС МТ ............................................................................. 1274.3.Оценка нейтронно-физических характеристик модели ТВС МТ дляКЛТ-40С ................................................................................................................... 137Выводы к главе 4 ..................................................................................................... 142ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................................

1436ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ........................................................................................................ 145СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 1477ВВЕДЕНИЕСамой актуальной проблемой современной ядерной энергетики являетсяповышениебезопасности.Всевозрастающиетребованияксистемамбезопасности приводят к увеличению стоимости станций. Достаточно давнобыло предложено решение, принципиально увеличивающее безопасностьэксплуатации ядерных реакторов [1, 2]. Одним из таких решений являетсяиспользование тепловыделяющих сборок с микротвэлами (ТВС МТ). КонцепцияТВС МТ для реакторов ВВЭР была предложена в работе [1]. В начале 2000-хгодов были начаты экспериментальные и расчетно-теоретические исследованиятеплогидравлических и нейтронно-физических параметров таких сборок, но, ксожалению, эти исследования не были завершены.В настоящее время во многих странах возрастает интерес к малойраспределенной ядерной энергетике [3-5].

В России этот интерес прежде всегосвязан с необходимостью освоения отдаленных регионов. Кроме этого,использование атомных станций малой мощности (АСММ) может решитьзадачи, связанные с повышением энергетической безопасности ответственныхобъектов, таких как промышленные объекты с непрерывным производством,объекты городской инфраструктуры и т.д., обеспечивающие жизненно важныепотребности города [6-9]. В настоящее время в России строится первая в миреплавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов». Вкачестве ядерной установки для такой станции была выбрана энергетическаяустановка КЛТ–40С – модернизированный вариант установки атомныхледоколов, накопившая огромный опыт эксплуатации и продемонстрировавшаявысокий уровень надежности и безопасности [10].Кроме этого как в России, так и за рубежом проводятся исследования иразрабатываются другие проекты ядерных реакторов для АСММ [11-14].Для широкого распространения станций малой мощности чрезвычайноважно обеспечить надежную радиационную безопасность в случае возникновенияаварий.

В этой связи высокая температурная стойкость, снижение температурытопливаи,следовательно,уровняаккумулированнойэнергии,высокая8герметичность и хорошее удержание продуктов деления внутри микротвэла (МТ)вплоть до температур около 1600 ºС имеют особую значимость. Для обоснованияработы реакторных установок с шаровыми микротвэлами необходимо проводитьэкспериментальные и численные исследования гидродинамики и теплообмена вшаровых засыпках при объемном тепловыделении.

Решение теплогидравлическойзадачи при течении в микротвэльной засыпке с неоднородным по длине сечениеми объемном выделении энергии, исследование влияния раздаточного и сборногоколлекторов на гидродинамику и теплообмен не является тривиальной задачей.Поэтому на этапе поиска наилучших конструктивный решений, численноемоделирование, по-видимому, является самым оптимальным методом.

Вместе стем, методы, используемые для численного моделирования и получаемыерезультаты, требуют верификации на экспериментальных данных. Для этогопредставляетсяразумнымиспользоватьнебольшиемодельныестенды,позволяющие проводить эксперименты в широком диапазоне режимныхпараметровЦели работыОбоснование работоспособности реакторных установок с топливом в видемикротвэлов. Экспериментальное исследование течения и теплообмена вколлекторных системах с шаровыми засыпками в условиях внутреннегообъемноготепловыделения.Численноеисследованиегидродинамикиираспределения температуры модели тепловыделяющей сборки с микротвэламидля ядерной реакторной установки малой мощности.Задачи исследования Проектирование и создание экспериментального стенда и рабочих участковдля исследования теплообмена и гидравлического сопротивления вшаровых засыпках. Получениемассиваэкспериментальныхданныхогидравлическомсопротивлении перфорированной пластины с прилегающей к ней шаровойзасыпкой.9 Получение массива экспериментальных данных о потерях давления,распределении температуры и коэффициенте теплоотдачи при радиальномтечениитеплоносителячерезшаровуюзасыпкусвнутреннимтепловыделением. Верификация математической модели для численного исследованиягидродинамики и распределения температуры в коллекторных системах сшаровыми засыпками в условиях внутреннего объемного тепловыделения. Выполнение численного исследования гидродинамики и распределениятемпературы в модели тепловыделяющей сборки с микротвэлами дляядерной реакторной установки малой мощности.

Определение оптимальныхразмеров тепловыделяющей сборки с микротвэлами и оптимальной степениперфорации чехлов коллекторов.Основные положения, выносимые на защиту Методикаэкспериментальногоисследованиятеплогидравлическихпроцессов в шаровых засыпках. Конструкция рабочего участка для исследования теплогидравлическихпроцессов в коллекторных системах с шаровыми засыпками в условияхвнутреннего объемного тепловыделения. Опытные данные о потерях давления, распределении температуры икоэффициенте теплоотдачи при радиальном течении теплоносителя черезшаровую засыпку с внутренним объемным тепловыделением. Результаты численного исследования модели тепловыделяющей сборки смикротвэлами для ядерной реакторной установки малой мощности.Научная новизна работы Получены экспериментальные данные, ранее не представленные влитературе,отеплообмене,потеряхдавленияираспределениитемпературы жидкости в коллекторной системе с шаровой засыпкой вусловиях внутреннего объемного тепловыделения.10 Полученыкоэффициентыгидравлическогосопротивленияперфорированной пластины с прилегающей шаровой засыпкой. Предложена схема конструкции тепловыделяющей сборки с микротвэламидляреакторнойустановкитеплогидравлическоемалойобоснованиееемощностииработоспособностивыполненометодамичисленного моделирования.Научная и практическая ценность работыРезультаты экспериментальных исследований могут быть использованы приразработке расчетных соотношений для гидравлического сопротивления икоэффициентов теплоотдачи коллекторных систем с шаровыми засыпками.Результатычисленногоисследованиямогутбытьиспользованыприпроектировании тепловыделяющих сборок с микротвэлами для реакторныхустановок.Достоверность результатовДостоверность экспериментальных данных обеспечивается: тщательно проработанной методикой проведения исследований иобработки результатов измерений; применением надежных измерительных приборов и датчиков,предварительно прошедших тарировку.Результатытестовыхэкспериментовсоответствуютданным,представленным в литературе.Достоверность результатов численного моделирования обеспечиваетсяиспользованием надежных программных продуктов и верифицированныхматематических моделей.11Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературы, приложения.