Статья: Сравнение эффективности решеток-интенсификаторов тепломассообмена разной конструкции в экспериментах на 37-стержневых моделях ТВС реактора ВВЭР-1000

Для качественной оценки эффективности решеток-интенсификаторов было введено понятие коэффициента неравномерности профиля температуры в виде:

, (1)

где Т_макс - максимальный подогрев теплоносителя (в ячейках 1-й орбиты);

Т_мин - минимальный подогрев теплоносителя (на периферии пучка).

Температуры в однотипных ячейках осреднялись.

В таблице 2 приведены диапазоны изменения коэффициентов неравномерности экспериментальных профилей температуры теплоносителя для исследований, проведенных на пучке с k_r = 1,4, оснащенном разными решетками. Учитывая недостаточную достоверность измерения среднесмешанной температуры на периферии пучка, значения Т_мин брались для ячеек 5-й орбиты.

Таблица 2

Коэффициенты неравномерности экспериментальных профилей температуры теплоносителя в пучке с k_r = 1,4, оснащенном разными решетками

Из таблицы 2 следует, что при установке в пучке решеток типа «Вихрь» неравномерность профиля температуры теплоносителя, характеризуемая коэффициентом неравномерности k_н, снизилась по сравнению с пучком базовой геометрии на 12 %, при установке решеток типа СДПР - на 33 %, при установке решеток типа УДРИ - на 42 %.

На рисунках 5 - 8 представлены результаты исследований кризиса теплоотдачи. Для обеспечения прямого сравнения эффективности РИ разных конструкций данные представлены в виде зависимостей критических мощностей от входных температур теплоносителя. В обозначениях на рисунках одной и той же модификации пучка с k_r = 1, которая определяется используемыми решетками, соответствует несколько разновидностей фигуры, обозначающей экспериментальные точки. Фигурой с заливкой обозначены точки, соответствующие экспериментальным режимам, в которых кризис теплоотдачи возникал либо в центральной зоне пучка (на одном из центральных 19-ти имитаторов), либо на имитаторах, относящихся как к центральным 19-ти имитаторам, так и к периферийному ряду из 18-ти имитаторов. Фигурами без заливки обозначены режимы, в которых кризис теплоотдачи возникал только на каких-либо имитаторах периферийного ряда. В режимах, обозначенных указанными двумя видами фигур, кризис возникал перед последней моделью ДР, расположенной в зоне тепловыделения (рисунок 3). На пучке с моделями РИ «Вихрь» зафиксированы также режимы, в которых кризис возникал на одном из центральных 19-ти стержней перед последней РИ, расположенной в зоне тепловыделения (рисунок 3).

Для сравнения с экспериментальными данными на рисунках 5 - 8 представлена расчетная линия, полученная с использованием корреляции ОКБ «Гидропресс» для критического теплового потока [3]:

, (2)

где qcr - критический тепловой поток, МВт/м²;

x - относительная энтальпия теплоносителя (равновесное массовое паросодержание) в месте кризиса теплоотдачи (в «горячей» ячейке);

G - массовая скорость теплоносителя в «горячей» ячейке, кг/(м²с);

p - давление, МПа.

1 - для модели ТВС-2М; 2 - для пучка с моделями РИ «Вихрь»;

3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ;

5 - расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2)

Рис. 5 Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 1000 кг/( м²с)

1 - для модели ТВС-2М; 2 - для пучка с моделями РИ «Вихрь»;

3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ;

5 - расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2)

Рис. 6 Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 1900 кг/( м²с)

1 - для модели ТВС-2М; 2 - для пучка с моделями РИ «Вихрь»;

3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ;

5 - расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2)

Рис. 7 Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 2900 кг/( м²с)

1 - для модели ТВС-2М; 2 - для пучка с моделями РИ «Вихрь»;

3 - для пучка с моделями РИ СДПР; 4 - для пучка с моделями РИ УДРИ;

5 - расчет по программе SC-1 с использованием корреляции (2)

Рис. 8 Критические мощности при средней по пучку массовой скорости теплоносителя 3500 кг/( м²с)

Расчет выполнен по разработанному в НИЦ «Курчатовский институт» поячейковому теплогидравлическому коду SC-1 [4]. Для достижения согласия результатов расчета с экспериментальными данными для модели ТВС-2М с нулевой среднеарифметической ошибкой рассчитанные критические мощности умножались на коэффициент 0,96. Экспериментальные точки для модели ТВС-2М с полученной таким образом расчетной линией являются базой, от которой можно отсчитывать выигрыш в критической мощности при использовании РИ разных конструкций.

Как видно из рисунков 5 - 8, для модификаций пучка с моделями РИ «Вихрь» и СДПР точки с заливкой и без заливки не расслаиваются. Следовательно, все экспериментальные режимы, зафиксированные на этих модификациях пучка, могут использоваться при обобщении экспериментальных данных. Для пучка с моделями РИ УДРИ критические мощности при возникновении кризиса теплоотдачи только на периферийных стержнях существенно ниже мощностей, полученных при достижении кризиса одновременно на периферийных и 19-ти центральных стержнях. Ясно, что для этого пучка режимы, в которых кризис был зафиксирован только на имитаторах периферийного ряда, нельзя использовать при обобщении экспериментальных данных, наряду с режимами с кризисом в центральной зоне пучка.

Таким образом, использование пучка с равномерным радиальным распределением тепловыделения не во всех режимах позволяет количественно оценить повышение критических тепловых нагрузок для таких эффективных интенсификаторов тепломассообмена, как РИ УДРИ. В таких случаях кризис теплоотдачи наступает на периферийных стержнях вследствие того, что эффект интенсификации поперечного перемешивания между ячейками и внутри ячеек затухает в периферийной области поперечного сечения пучка. Для выявления эффективности РИ УДРИ в более широком диапазоне режимных параметров требуется проведение дополнительных исследований кризиса теплоотдачи на пучке с пониженным тепловыделением периферийных имитаторов твэлов.

Оценивая эффективность РИ разных конструкций в повышении критических тепловых потоков, можно отметить следующее.

Эффективность РИ в повышении критических тепловых нагрузок за счет турбулизации потока в ячейках пучка характеризуют экспериментальные данные, полученные на пучке с k_r = 1. Как видно из рисунков 5 - 8, при массовой скорости теплоносителя 1000 кг/(м²с) экспериментальные критические мощности для модели ТВС-2М и для пучков, оснащенных моделями РИ разных конструкций практически совпадают, то есть интенсифицирующее воздействие РИ не проявляется. Интенсифицирующее воздействие РИ СДПР не проявилось и при всех других массовых скоростях теплоносителя.

При массовой скорости теплоносителя 1900 кг/(м²с) РИ «Вихрь» повышают критические мощности приблизительно на 9 %, а РИ УДРИ в тех случаях, когда кризис достигал центральных имитаторов твэлов - приблизительно на 12 %. При массовой скорости 2900 кг/(м²с) на пучке с РИ «Вихрь» и УДРИ практически во всех режимах кризис возник на периферийных стержнях, что не позволило в полной мере проявиться эффекту интенсификации; повышение критической мощности для РИ обеих конструкций составило приблизительно 13 %. При массовой скорости 3500 кг/(м²с) на пучке с РИ «Вихрь» и УДРИ также в большей части режимов кризис возник на периферийных стержнях; в режимах, в которых кризис наступил хотя бы на одном из центральных 19-ти имитаторов твэлов, повышение критической мощности для РИ типа «Вихрь» и УДРИ составило в среднем, соответственно, 13 и 20 %.

Эффективность РИ в повышении критических тепловых нагрузок за счет межячейкового перемешивания характеризуют экспериментальные данные, полученные на пучке с k_r = 1,4. При массовой скорости теплоносителя 1000 кг/(м²с) заметный эффект проявляется только для пучка с моделями УДРИ - критические мощности при высоких входных температурах теплоносителя повышаются приблизительно на 10 %.

При массовой скорости теплоносителя 1900 кг/(м²с) в пучке с моделями РИ «Вихрь» проявился незначительный эффект повышения критической мощности, в то время как на пучке с k_r = 1 при этой же массовой скорости этот эффект был заметным. Полученный результат можно объяснить отсутствием ячеек на периферии РИ «Вихрь», способствующим вытеснению части потока из центральной части пучка на периферию, что для пучка с k_r = 1 приводит к повышению критических мощностей, а для пучка с k_r = 1,4 - к их понижению. В пучке с k_r = 1,4, оснащенном моделями СДПР и УДРИ, критические мощности при больших входных температурах повышаются, соответственно, на 14 и 34 %.

При массовых скоростях 2900 и 3500 кг/(м²с) на пучке с k_r = 1, оснащенном РИ «Вихрь», СДПР и УДРИ, повышение критической мощности при больших входных температурах теплоносителя составляет, соответственно, 15, 23 и 40 %.

На основании результатов выполненных экспериментов можно сделать следующие выводы:

по РИ типа «Вихрь»:

- низкий КГС (0,33);

- повышение критических мощностей - в основном за счет повышения турбулентности потока в ячейках пучка;

- небольшое расстояние между РИ и ДР благоприятствует тому, что эффект интенсификации теплообмена не затухает до следующей решетки, и повышение критической мощности в пучке с k_r = 1 при режимных параметрах, близких к рабочим параметрам ВВЭР-1000, составляет 13 %;

по РИ типа СДПР:

- выполняет функцию дистанционирования твэлов;

- высокий КГС (1,05);

- повышение критической мощности в пучке с k_r = 1,4 - только за счет интенсивного поперечного перемешивания теплоносителя; эффект интенсификации теплообмена за счет турбулизации потока решеткой затухает до следующей решетки из-за большого расстояния между ними, поэтому в пучке с k_r = 1 повышение критической мощности не отмечено.

- строгая направленность поперечных перебросов теплоносителя приводит в пучке с k_r = 1,4 к значительной анизотропии поля температуры теплоносителя, что может сыграть отрицательную роль и в условиях ТВС;

по РИ УДРИ:

- выполняет функцию дистанционирования твэлов;

- низкий КГС (0,52) благодаря тому, что отклоняющие элементы (лопатки) находятся вне основного тела решетки;

- высокое поперечное перемешивание теплоносителя за счет воздействия лопаток, которые отклоняют струи, закручивают их вокруг твэлов и создают дополнительную турбулизацию потока; благодаря небольшому шагу между РИ эффект интенсификации теплообмена сохраняется до следующей решетки, поэтому повышение критической мощности за счет турбулизации потока в пучке с k_r = 1 при режимных параметрах, близких к рабочим параметрам ВВЭР-1000, составляет 20 %;

- в большей части исследованных режимов в пучке с k_r = 1 повышение мощности пучка прекращалось из-за наступления кризиса теплоотдачи на периферии, где затухало интенсифицирующее воздействие лопаток; для установления действительного эффекта повышения критической мощности необходимо в будущих экспериментах снизить тепловыделение периферийных имитаторов твэлов;

- для получения требуемого эффекта интенсификации тепломассообмена при приемлемом повышении гидравлического сопротивления требуется оптимизациция конструкции пучка (изменение шага расположения решеток, угла наклона и размеров лопаток).

Список литературы

1 С.Б. Рыжов, В.А. Мохов, И.Н. Васильченко и др. Опыт эксплуатации новых топливных сборок и перспективы развития топливных циклов АЭС с ВВЭР. Седьмая международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». Москва, май 2010.

2 Ю.Н. Бабенко, В.Г. Верещак, А.В. Иванов и др. Структура решетки для тепловыделяющей сборки ядерного реактора. Патент РФ № 2389091, 2010.

3 В.И.Астахов, Ю.А.Безруков, С.А.Логвинов, В.Г.Брантов. Исследование влияния профиля тепловыделения по длине на кризис теплообмена в пучках стержней. Труды семинара «Теплофизика-78», т. 2. Будапешт, 1978.

4 Л.Л. Кобзарь, Д.А. Олексюк. Развитие и верификация программы SC-1, предназначенной для поячейкового теплогидравлического расчета активных зон ВВЭР. Вторая всероссийская научно-техническая конференция “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, Подольск, ноябрь 2001.