Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения), страница 14

На рис. 3.40 приведен график зависимости потерь давления отмассовой скорости жидкости. Представлено сравнение значений, полученныхэкспериментальным и численным методами.Рис. 3.40. Зависимость потерь давления от массовой скорости жидкости121Результаты численного моделирования ниже экспериментальных значенийна 2 – 10%, что представляется удовлетворительным.Численное моделирование с использованием модели «porous jump» дляперфорированных чехлов.Для упрощения расчета перфорированных чехлов в ANSYS Fluentпредлагается использовать модель «porous jump». В документации ANSYS Fluentотмечается, что использование такой модели является предпочтительным, т.к. онаболее надежна.

При построении геометрии расчетной области чехлы неуказываются как отдельная зона. Потери давления на чехлах учитываютсязаданием коэффициента инерционного сопротивления. С использованием этоймодели был выполнен численный расчет модели ТВС. При этом коэффициентысопротивления засыпки и чехлов были аналогичны предыдущим расчетам ипредставлены в таблице 3.3.Результаты численного моделирования представлены на рис. 3.41.а) Поле давленияб) Поле температурыв) Линии токаРис.

3.41. Результаты численного моделирования (модель porous jump)122При сравнении рис. 3.41 и рис. 3.37 можно видеть, что поля температурыполностьюсовпадают.Нарисункелинийтокаотсутствуетучастокгоризонтального течения жидкости внутри чехлов, но на общую картину это неоказывает влияния. Потери давления при использовании модели «porous jump»незначительно возросли, при этом приблизившись к экспериментальным данным.Таким образом, результаты численных расчетов с использованием модели«porous jump» удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.С помощью этой модели можно упростить геометрию расчетной области. Этамодель будет использоваться в дальнейших расчетах для моделированияперфорированных чехлов.Выводы к главе 31.

Проведеноэкспериментальноеисследованиегидравлическогосопротивления перфорированной пластины с прилегающей к ней шаровойзасыпкой, получены значения зависимости коэффициента гидравлическогосопротивления от числа Рейнольдса.2. Наосновеэкспериментальныхданныхуточненывязкостныйиинерционный коэффициенты сопротивления шаровой засыпки.3. Впервые выполнено экспериментальное исследование потерь давления,коэффициента теплоотдачи и распределения температуры в коллекторнойсистеме с шаровой засыпкой при радиальном течении теплоносителя иобъемном тепловыделении в шаровой засыпке.4.

Выполненаверификацияматематическоймоделидлячисленногоисследования гидродинамики и распределения температуры в шаровыхзасыпках при радиальном течении теплоносителя.123ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕИССЛЕДОВАНИЕМОДЕЛИТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ СБОРКИ С МИКРОТВЭЛАМИ ДЛЯ КЛТ-40СВ России проводятся исследования и разрабатываются несколько проектовядерных реакторов для АСММ. Наиболее проработанным на сегодняшний деньявляется проект реакторной установки КЛТ-40С, поэтому для численногоисследованиябылавыбранаэтаустановка.РУКЛТ-40С,являетсямодернизированным вариантом зарекомендовавшей себя РУ КЛТ-40, котораяустанавливается на атомных ледоколах.4.1.Модель тепловыделяющей сборки с микротвэлами для РУ КЛТ-40ССхема моделируемой тепловыделяющей сборки с микротвэлами(ТВС МТ)для реакторной установки КЛТ-40С представлена на рис.

4.1. Сборка являетсяосесимметричной, шаровая засыпка (3) размещается между внутренним (2) ивнешним (4) перфорированными чехлами. Теплоноситель в такой конструкцииподается в раздаточный коллектор (1), омывает шаровую засыпку и попадает всборный коллектор (5). В конструкции ТВС МТ КЛТ-40С раздаточныйколлектор образован внутренним перфорированным чехлом и цилиндрическимпоглощающим элементом (6).При выборе конструкции тепловыделяющей сборки с микротвэлами дляреакторной установки КЛТ-40С учитывались следующие особенности: Подобие конструкции моделируемой тепловыделяющей сборки ТВС МТКЛТ-40С и ТВС МТ ВВЭР [1]; необходимостьорганизациипродольно-поперечногодвижениятеплоносителя через слой микротвэлов с приемлемым гидравлическимсопротивлением; соответствие габаритных размеров модели ТВС МТ и стержневой ТВСКЛТ-40С.Для упрощения расчетов были приняты допущения: форманаружногоперфорированногочехлаТВС—усеченной124шестиграннойпирамиды—заменяетсяосесимметричнойввидеусеченного конуса с сохранением величины боковой поверхности этогочехла (поверхности трения) и площади проходного сечения сборногоколлектора; не учитывается наличие стержней системы управления и защиты вшаровой засыпке.Рис.

4.1. Схема модели ТВС МТ для РУ КЛТ-40С. X1, X2, X3, X4, Xвх –варьируемые параметры. 1, 5 – раздаточный и сборный коллекторы, 2, 4внутренний и внешний перфорированные чехлы, 3 – шаровая засыпка, 6 –поглощающий элемент125Численное моделирование ТВС МТ проводилось в ANSYS Fluent пометодике, представленной в главе 3 для модельной экспериментальной.Основные теплогидравлические и геометрические параметры моделитепловыделяющей сборки приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1.

Основные параметры модели ТВС МТ для РУ КЛТ-40СНаименованиеВеличинаДавление в первом контуре, МПа12.7Температура воды на входе в ТВС , °С280Температура воды на входе из ТВС , °С317Тепловая мощность, МВт150Расход теплоносителя, кг/с6Диаметр микротвэлов, мм2.0Высота ТВС, мм1300Размер под ключ, мм97Пористость засыпки микротвэлов0.38Материал чехловКоэффициентысталь нержавеющая Х18Н10Тсопротивленияшаровойзасыпкиопределялисьпоформулам (3.5). Параметры шаровой засыпки, принятые при выполнениичисленного моделирования, приведены в таблице 4.2.Таблица 4.2. Параметры шаровой засыпкиПористостьКоэффициент вязкостного сопротивления, 1/м2Коэффициент инерционного сопротивления, 1/м1Теплопроводностьматериаламикротвэла (SiC), Вт/(м·К)Теплоемкость SiC, кДж/(кг·К)оболочки0,384.28·10811500300,7126Коэффициенты сопротивления перфорированных чехлов определялись наоснове собственных экспериментальных данных, по методике, описанной вглаве 3.ВцилиндрическойактивнойзонесострежневымиТВЭЛамиэнерговыделение по высоте активной зоны подчиняется закону:qv  z   z  zcqv cos  2H,(4.1)где qv - среднее объемное тепловыделение, zc – координата центра активной зоны,H – высота активной зоны.При замене стержневых ТВЭЛов на шаровые микротвэлы, с учетом того,что количество микротвэлов изменяется по высоте активной зоны, функциятепловыделения, вероятно, также изменится.

В литературе таких данных найтине удалось. Поэтому численные эксперименты были проведены с учетомфункции распределения тепловыделения по высоте активной зоны согласноуравнению (4.1).Сетка контрольных объемов, которая состояла из 4∙10 5 элементовпредставлена на рис. 4.2.Рис. 4.2. Сетка контрольных объемов. Цифры обозначают области всоответствии с рис. 4.11274.2.Результатычисленногоисследованиятеплогидравлическиххарактеристик модели ТВС МТДляконструкциитепловыделяющейсборкисмикротвэлами,представленной на рис.

4.1, характерно наличие области в засыпки, гдетемпература теплоносителя превышает температуру на выходе из ТВС.Температура в этой области может превышать температуру насыщенияжидкости. Закипание теплоносителя в такой конструкции тепловыделяющейсборки может быть опасно из-за изменения замедляющей способности паровойфазы теплоносителя и высокой вероятности запаривания сборки при развитиипроцесса кипения. Важно выбрать такое соотношение геометрических размеровсборки, при которых максимальная температура не будет достигать значениятемпературы насыщения.При проведении численных экспериментов было исследовано влияниегеометрических параметров на потери давления и максимальную температуру взасыпке.

Целью исследований являлось определение таких параметров, прикоторых потери давления и температура будут минимальны. При неизменныхвнешних габаритах ТВС МТ исследовалось влияние размеров сборногоколлектора (X1, X2), размеров входного отверстия раздаточного коллектора(Xвх) и степени перфорации (коэффициента живого сечения f) чехлов,удерживающих засыпку микротвэлов. Численное моделирование проводилосьдля однофазного течения теплоносителя.На рис. 4.3 представлена зависимость максимальной температуры взасыпке, а на рис. 4.4 зависимость потерь давления в сборке при различныхразмерах сборного коллектора. При этом Xвх был принят равным 18 мм.128Рис.

4.3. Зависимость максимальной температуры в засыпке от размеров сборногоколлектораРис. 4.4. Зависимость потерь давления от размеров сборного коллектора129На рис. 4.3 можно видеть, что уменьшениеX1, приводит к существенномуповышению максимальной температуры теплоносителя. Для X1 = 3÷5 мм приX2 = 10 мм температура в засыпке минимальна.На рис. 4.4 можно видеть, что потери давления слабо зависят от размеранижнего основания сборного коллекторазависимость от размераверхнегоX1, но наблюдается сильнаяоснованиясборногоколлектораX2.Наименьшие потери давления достигаются при X2 = 10 мм.

Значения потерьдавления при X1 = 3÷5 и X2 = 10 мм практически одинаковы и составляютΔp = 9,1 кПа. Следовательно, нижнее основание сборного коллектора можетиметь размер от 3 до 5 мм. Представляется наиболее оптимальным выбратьнаименьшее значение X1, т.к. в этом случае увеличивается размер зоны, занятоймикротвэлами. Таким образом, с точки зрения минимальных потерь давления итемпературы в засыпке размеры сборного коллектора принимаются равными X1= 3 мм, X2 = 10 мм. Размер верхнего основания сборного коллектора X2>10 ммнерассматривался,т.к.приэтомуменьшаетсяобъемзоны,занятоймикротвэлами.На рис.

4.5 представлена зависимость максимальной температурытеплоносителя, а на рис. 4.6 потерь давления в сборке от размера входногоотверстия раздаточного коллектора Xвх. При этом размеры сборного коллектораприняты X1 = 3 мм, X2 = 10 мм.На рис. 4.5 видно, что максимальная температура теплоносителя в засыпкеснижается с увеличением Xвх. На рис. 4.6 можно видеть, что потери давленияуменьшаются с увеличением размера входного отверстия и, следовательно, сувеличением угла конуса раздаточного коллектора. При этом при значенииXвх ≥ 18 мм потери давления практически не изменяются.

Однако приувеличении размеров раздаточного коллектора уменьшается объем области,занятый микротвэлами. Исходя из этих рассуждений, размер входного отверстияраздаточного коллектора принят равным Xвх = 18 мм.130Рис. 4.5. Зависимость максимальной температуры в засыпке от размера входногоотверстия раздаточного коллектораРис. 4.6.

Зависимость потерь давления в модели ТВС МТ от размера входногоотверстия раздаточного коллектора131На рис. 4.7 представлена зависимости максимальной температуры, а нарис. 4.8 – потерь давления от степени перфорации (коэффициента живогосечения)чехлов,удерживающихзасыпкумикротвэлов.Видно,чтоврассмотренном диапазоне значений f = 0,1÷0,4 степень перфорации не оказываетсущественного влияния на значение максимальной температуры и потеридавления.