Разработка мотовой конструкции перемешивающей решетки ТВС реактора типа ВВЭР

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА СОТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЙ РЕШЕТКИ ТВС РЕАКТОРА ТИПА ВВЭР

Ю.Н. Бабенко, С.И. Цирин

ОАО «Машиностроительный завод», Электросталь

В.Г. Крапивцев, В.И. Солонин

МГТУ им Н.Э. Баумана, Москва

Одним из направлений повышения технико-экономических показателей АЭС с реакторами ВВЭР является увеличение энергонапряженности ТВС. Повышение мощности активной зоны может быть достигнуто за счет повышения критического теплового потока, при сохранении достаточного запаса до кризиса теплообмена. Наиболее эффективным способом повышения критического теплового потока является использование в конструкции ТВС перемешивающих решеток (ПР), выполняющих функцию интенсификации теплообмена. В ОАО «МСЗ» накоплен огромный опыт разработки, внедрения и массового производства дистанционирующих решеток (ДР). Эти ДР имеют конструкцию сотового типа, т.е. поле решетки представляет собой набор отдельных ячеек трубчатой формы. Конструктивные и технологические решения изготовления ДР сотового типа подтверждены положительным опытом эксплуатации в реакторных условиях. Поэтому для снижения затрат на проведение работ по освоению производства при внедрении ПР в конструкцию ТВС реакторов ВВЭР, ОАО «МСЗ» приступило к разработке конструкции ПР, ориентируясь на отработанную конструкцию ДР сотового типа.

В 2007 году в ОАО «МСЗ» были разработаны и изготовлены 8 вариантов фрагментов сотовых перемешивающих решеток (СПР). Учитывая, что к тому моменту времени у ОАО «МСЗ» имелся большой положительный опыт проведения совместных работ, сравнительные исследования гидравлических и перемешивающих характеристик этих фрагментов СПР было решено провести на кафедре Э-7 МГТУ им. Баумана.

Характеристики фрагментов СПР исследовались на незамкнутом аэродинамическом стенде (рисунок 1) в пучке из 19 твэльных трубок диаметром 9,1 мм с шагом треугольной решетки 12,75 мм, длиной 1 м, размешенных в шестигранном чехле, при продувке пучка потоком воздуха. Специальное коаксиальное входное устройство обеспечивало равномерное распределение скорости потока на входе в пучок и подогрев центральной части потока на 25-50°С по сравнению с периферийной. На расстояниях 250, 500 и 925 мм от входного сечения решетки (рисунок 1) измерялись распределения температуры и скорости потока радиально вводимым в пучок в различных направлениях зондом-щупом. Эксперименты выполнялись при числе Рейнольдса потока в пучке 4·10⁴.

По данным эксперимента для каждого фрагмента СПР рассчитывался коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) и коэффициент перемешивания.

При определении КГС исследуемые фрагменты СПР размещались в сечении, отстоящем от входа потока в пучок твэлов после штатной концевой ДР на расстоянии ~ 560 мм. Коэффициенты гидравлического сопротивления определялись по экспериментально измеряемым потерям статического давления. Поскольку в экспериментах сжимаемость воздуха была существенной, при определении потерь давления и скорости потока учитывалось изменение плотности воздуха, связанное с барометрическим, статическим давлением и температурой потока.

При исследовании перемешивающих свойств фрагменты СПР последовательно размещались через ~ 30 мм после входной концевой ДР. Перемешивающие свойства определялись по размыванию центральной подогретой части потока по поперечному сечению 19-ти стержневого пучка. Для этого проводились измерения температур потока между диаметральным и ближайшим к нему рядами твэлов плоским зондом (сечение Х на рисунке 1б).

а)

б)

Рисунок 1 Схема 19-ти стержневого макета:1 - входное устройство; 2 - входная концевая ДР; 3 - исследуемая решетка; 4 - чехол макета; 5 - выходная концевая ДР; I, II, III, IV -сечения измерения температурных и скоростных распределений; Х, У - горизонтальное и вертикальное направления перемещения зонда

Плоский зонд, закрепленный в отверстиях на противолежащих гранях чехла, позволял измерить как распределение температур, так и измерение динамического напора потока. По результатам измерений программно вычислялась скорость потока и строились графические зависимости температуры и скорости потока в поперечном сечении макета.

Исследования показали, что фрагменты СПР создавали турбулизацию течения за счет изменения, как геометрии, так и высоты соседних ячеек [1]. По изменению положения максимума в распределениях температуры, измеренных в последовательных сечениях вдоль пучка макета, делался вывод о наличии или отсутствии направленного конвективного переноса за решетками. По результатам исследований был выявлен только один фрагмент решетки (рисунок 2), конструкция которого обладает не только диффузионной составляющей коэффициента перемешивания, но и конвективной. Для всех фрагментов СПР, а также фрагмента штатной ДР ТВСА ВВЭР-1000 высотой 35 мм производился расчет коэффициента перемешивания.

Диффузионная составляющая коэффициента перемешивания через зазоры между твэлами определялась по соотношению:

, (1)

где Т_ц, Т_ц0 - температура в центральной ячейке в сечениях z и в сечении I;

Т_П, Т_П0 - температура в периферийных ячейках в сечениях z и в сечении I;

z - расстояние от сечения выхода из исследуемой решетки до сечения измерений температурных и скоростных распределений.

Формула (1) получена из баланса обмена теплом между ячейками пучка модели в приближении поканального теплогидравлического расчета [2] и

· равенства расходов в ячейках пучка стержней;

· постоянства _П в плоскости поперечного сечения макета (допущение);

· осевой симметрии картины массообмена.

Рисунок 2 Фрагмента сотовой перемешивающей решетки с направленным конвективным переносом

Если для фрагмента СПР конвективный перенос систематически фиксировался, определялась средняя поперечная скорость конвективного переноса в направлении (на расстоянии между сечениями измерений) по соотношению

, (2)

где - среднерасходная скорость в пучке макета,

z - расстояние между сечениями измерений,

r_k - радиальное смещение максимума температуры между сечениями I и анализируемым.

Из определения коэффициента перемешивания в форме [3] и балансного соотношения для пучка твэлов, образующих правильную треугольную решетку,

,

для геометрии твэл ВВЭР-1000 следует связь

, м^-1. (3)

Соотношение (3) использовано для определения эффекта от направленного конвективного переноса в терминах коэффициента межячеистого обмена,

, (4)

где _Пk () - эквивалентное значение коэффициента конвективного межячеистого обмена, зависящее от направления в поле ячеек, угла .

Для СПР с направленным конвективным переносом суммарный коэффициент межячеистого обмена (перемешивания) принимался равным:

_{= ПD} +_Пk (). (5)

На основании результатов расчета коэффициента перемешивания и анализа изменений максимума распределения температур потока воздуха, конструкция фрагмента СПР с направленным конвективным переносом (рисунок 2) была выбрана как базовая для создания СПР ТВС ВВЭР-1000. Так, коэффициент межячеистого обмена для фрагмента СПР с направленным конвективным переносом более чем в 40 раз превышает коэффициент межячеистого обмена для ДР высотой 35 мм в направлении оси Х (рисунок 1).

На рисунках 3 и 4 приведены распределения температуры потока для фрагмента штатной ДР (высотой 35 мм) и фрагмента СПР с направленным конвективным переносом, по которым оценивался коэффициент перемешивания. Распределения вида, представленного на рисунке 3, для которого положение максимума температуры потока в пучке оставалось в центральной области течения, получены для фрагмента ДР, а также характерны для остальных фрагментов СПР, кроме фрагмента СПР с направленным конвективным переносом. Фрагмент СПР с направленным конвективным переносом принципиально иным образом организует поперечное смешение центрального подогретого и периферийного более холодного потоков, как это видно на рисунке 4. Вместо одного максимума температуры на оси потока после решетки в сечении 250 мм возникают два максимума температуры. Наблюдаемая «аномалия» связана с тем, что конвективный поток вдоль линий А и В (рисунок 5) приводит к транспортировке подогретого потока на периферию пучка, а холодного потока в центральную область течения. Вдоль направлений C и D на границах ячеек, находящихся в одном ряду (помечены точками), конвективный перенос отсутствует, в связи с чем поперечный обмен вдоль этих направлений ниже, чем в направления А и В.

К существенному недостатку конструкции фрагмента СПР с направленным конвективным переносом, не позволяющему без дополнительной доработки использовать ее для конструкции СПР ТВС ВВЭР-1000, относится высокий коэффициент гидравлического сопротивления. Фрагмент СПР с направленным конвективным переносом имеет коэффициент гидравлического сопротивления ~ в 3,5 раза больше коэффициента гидравлического сопротивления штатной ДР высотой 35 мм, что вполне объяснимо его высокими перемешивающими характеристиками (цена перемешивания). Поэтому дальнейшим направлением работ по разработке СПР ТВС ВВЭР-1000 является снижение гидравлического сопротивления в выбранной базовой конструкции, а также придание ей функции дистанционирования твэлов, что дополнительно позволит за счет замены ДР снизить общее гидравлическое сопротивление ТВС в случае оснащения их такими СПР.

а) б)

Рисунок 3 Распределение температуры потока перед ДР (а) и в двух сечениях за ДР (б)

а) б)

Рисунок 4 Распределение температуры потока перед (а) и в двух сечениях за (б) фрагментом СПР с направленным конвективным переносом

Рисунок 5 Распределение поперечных потоков в выходном сечение фрагмента СПР с направленным конвективным переносом

Для детального исследования переносных характеристик и влияния краевых эффектов (размеров решетки) на перемешивание потока за СПР, а также определения влияния на характеристики перемешивания направляющих каналов (НК) в 2008 году на кафедре Э-7 МГТУ им. Н.Э. Баумана были проведены исследования 127-элементного фрагмента выбранного варианта конструкции СПР на новом воздушном стенде, изготовленном в ОАО «МСЗ» [3].

Незамкнутый аэродинамический стенд (рисунок 6) сделан в вертикальном исполнении с коаксиальным подводящим устройством, которое обеспечивало подвод слабо неизотермического потока воздуха. В центральный осесимметричный тракт входного устройства подавался подогретый электронагревателем поток воздуха, в периферийный тракт коаксиальной формы - поток воздуха без подогрева. Разность температур потоков, равная в экспериментах 25-30С, приводила к различию плотностей потока воздуха уровня ~ 8 %. В проведенных экспериментах скорость потока воздуха на входе в пучок составляла ~ 57 м/с. Число Рейнольдса в регулярной решетке твэльных трубок - 0,3М10⁵. Расходы в центральном и периферийном потоках входного устройства выбирались такими, чтобы скорости потока воздуха на входе в пучок были одинаковыми по радиусу пучка.

Модель твэльного пучка (применительно к ТВСА ВВЭР-1000) размещалась в шестигранном чехле из органического стекла и включала:

- 127 стержней - имитаторов твэлов, сделанных из твэльных трубок наружным диаметром 9,1 мм и длиной ~ 1300 мм;

- фрагмент штатной центральной трубы наружным диаметром 13 мм;

- шесть фрагментов направляющих каналов диаметром 12,6 мм;

- три 127-элементных фрагмента штатных дистанционирующих решеток высотой 35 мм;

- шесть фрагментов штатных уголков жесткости ТВСА ВВЭР-1000;

- исследуемый 127-элементный фрагмент СПР.

Модель в экспериментах размещалась вертикально, направление истечения потока воздуха - вертикально вверх. Принятое вертикальное размещение рабочего участка обеспечивало уменьшение влияния сил плавучести (Архимеда) на поперечное перемешивание в пучке, существенное для увеличенного размера твэльного пучка в условиях экспериментов на воздухе, обладающем большим коэффициентом термического расширения по сравнению с водой. Также вертикальное расположение модели делает более удобным выполнение измерений распределений скорости и температуры в пучке во всех трех направлениях между рядами твэльных трубок, размещенных по треугольной сетке в пучке. Такие измерения важны вследствие инициирования исследуемым фрагментом СПР конвекции только в направлении одного из рядов. Измерения в трех направлениях позволяют установить анизотропию межячеистого обмена за такими решетками.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 Общий вид экспериментальной установки

Для определения КГС и перемешивающих характеристик фрагмента СПР использовались методики измерения и расчета, приведенные в [1].

Схема расположения фрагментов ДР и СПР в модели приведена на рисунке 7. Фрагмент СПР устанавливался на расстоянии 30 мм вдоль по потоку за первым фрагментом ДР. Расстояние от фрагмента СПР до следующего фрагмента ДР составляло 680 мм. На этой длине твэльного пучка в сечениях соответственно 120; 250; 375 и 505 мм проводились измерения распределений скорости и температуры потока воздуха в пучке в условиях отсутствия или наличия фрагмента СПР.

Для проведения исследования создана новая конструкция миниатюрного комбинированного зонда-щупа (рисунок 8), позволяющего измерять температуру обтекающего зонд потока миниатюрной термопарой и полный напор потока воздуха миниатюрной импульсной трубкой. Зонд-щуп крепился в отверстиях на противоположных гранях чехла при зондировании пучка, что гарантировало фиксированную продольную координату измеряемых температуры и скорости потока. Поперечная координата измерений задавалась и фиксировалась созданным новым электромеханическим приводом поперечного перемещения зонда, отличительными качествами которого являются возможность задания любого значения шага зондирования и задания необходимой выдержки позиционирования зонда в точке измерений. Эти качества позволили автоматизировать измерения в точках с выбранными координатами, получать достоверную информацию о средних по времени значениях температуры, динамического напора, а также величинах их пульсаций (частотный диапазон которых определяется постоянной времени измерительной системы).

Измерения распределений температуры и динамических напоров (скорости) потока выполнялись зондом-щупом, который перемещался вдоль рядов имитаторов твэлов (рисунок 9). Зонд вводился в поток в зазоре между первым и вторым (позиции 1N и 1S), вторым и третьим (позиции 2N и 2S), третьим и четвертым (позиции 3N и 3S) рядами имитаторов твэлов. Для контроля симметрии картины течения в макете измерения выполнялись по обеим сторонам пучка относительно плоскости симметрии ОW (рисунок 9).

Рисунок 7 Схема расположения фрагментов ДР и СПР в моделе, а также продольные координаты сечений измерений

Рисунок 8 Внешний вид комбинированного зонда для измерения температуры и скорости потока

Рисунок 9 Схема перемещения и обозначения положений зонда при измерениях

Программа экспериментов включала проведение исследований на трех вариантах конструктивного исполнения экспериментальной модели:

Вариант 1: пучок из 126 твэльных трубок и центральной трубки с 2 фрагментами штатных ДР: на входе и выходе из пучка (рисунок 7);

Вариант 2: пучок из 126 твэльных трубок и центральной трубки с 3 фрагментами штатных ДР: на входе, на расстоянии 730 мм от нее и выходе из пучка (рисунок 7). На расстоянии 30 мм за входным фрагментом ДР установлен фрагмент СПР;

Вариант 3: пучок из 120 твэльных трубок, 6 трубок НК и центральной трубкой с 3 фрагментами штатных ДР, размещенных как в Варианте 2. На расстоянии 30 мм за входным фрагментом ДР установлен фрагмент СПР.

Результаты измерений распределений температуры в Варианте 1 конструктивного исполнения модели приведены на рисунках 10 и 11. Рисунки 10 и 11 иллюстрируют распределения температуры в сечениях 1 и 5 (рисунок 7), расположенных на расстояниях 15 мм и 555 мм от входного фрагмента штатной ДР. В каждом сечении приведены распределения температуры вдоль осей между рядами твэльных трубок 1N и 1S (рисунок 9), расположенных на расстояниях ~ 16,6 мм от оси пучка. В обозначениях на рисунках (в скобках) первая цифра - номер сечения, второй индекс - положение зонда при измерениях.

Координата х = 96 мм соответствует оси входного устройства и пучка.

Распределение температуры в сечениях 1 и 5 (рисунки 10 и 11) характеризуются удовлетворительной симметрией по координате у = х - 96, но заметным различием в сечениях 1N и 1S: в сечении 1S максимальная температура струи и ее ширина несколько больше, чем в сечении 1N.

Результаты измерений распределений температуры в Варианте 2 конструктивного исполнения модели приведены на рисунках 12, 13, 14, 15. На этих рисунках представлены распределения температуры за фрагментом СПР на расстояниях 120, 250, 375 и 505 мм от нее (сечения 2, 3, 4 и 5 рисунка 7). В сечениях 2-5 (рисунки 12-15) измерения температуры выполнены при положениях измерительного зонда 1N, 2N, 3N; 1S, 2S, 3S.

В сечениях за фрагментом СПР распределения температуры отличаются от таковых при течении за фрагментом штатной ДР.

Рисунок 10 Распределение температур в пучке стержней за штатным фрагментом ДР в сечении 1

Рисунок 11 Распределение температур в пучке стержней за штатным фрагментом ДР в сечении 5

За фрагментом СПР распределения температуры в отличие от распределения за фрагментом штатной ДР характеризуются:

- различным положением (по координате х) максимумов распределений температуры, в позициях зонда 1N и 1S, тогда как за фрагментом штатной ДР положение максимума температуры остается во всех сечениях на оси потока в пучке твэльных трубок;

- интенсивным снижением максимальных значений температуры от одного продольного сечения к другому по сравнению со значениями максимальных температур в последовательных сечениях за фрагментом штатной ДР;

- более интенсивным расширением областей с повышенной температурой в последовательных сечениях за фрагментом СПР по сравнению с таковым за фрагментом штатной ДР.

По мере увеличения расстояния вдоль по потоку от фрагмента СПР локальные неоднородности температуры возникают в более удаленных от плоскости WO (рисунок 9) рядах твэльных трубок. Это объясняется диффузионным обменом, создающимся за фрагментом СПР.

Рисунок 12 Распределение температур за фрагментом СПР в сечении 2

Рисунок 13 Распределение температур за фрагментом СПР в сечении 3

Рисунок 14 Распределение температур за фрагментом СПР в сечении 4

Рисунок 15 Распределение температур за фрагментом СПР в сечении 5

Результаты измерений распределений температуры в Варианте 3 конструктивного исполнения модели на расстояниях 120, 250, 375 и 505 мм от фрагмента СПР (сечения 2, 3, 4 и 5, рисунок 7) выполнены при положениях измерительного зонда 1N, 2N, 3N; 1S, 2S, 3S. Температурные распределения при установке в пучок трубок НК оказались близкими к таковым для однородного пучка твэльных трубок (рисунок 12-15).

Распределения скорости в пучке трубок были измерены также для 3-х вариантов конструктивного исполнения модели. Измерения за фрагментом штатной ДР приведены на рисунке 16 для сечений 1 и 5. В сечении 5 на стенках чехла из органического стекла образуется своеобразный пограничный слой, роль которого в сечениях 1 не ощущается.

Влияние фрагмента СПР на распределение скорости в пучке твэльных трубок иллюстрирует рисунок 17, представляющий результаты для сечения 2, где зафиксировано важное отличие потока за фрагментом СПР. Оно состоит в неравномерности распределения скорости по сечению, особенно заметной для измерений в позициях зонда, удаленных от плоскости симметрии решетки. В остальных сечениях картины распределения скорости близки к таковым за фрагментом штатной ДР.

Установка в пучке вместо 6-ти твэльных трубок 6 НК сохраняет отмеченную выше неоднородность распределения скорости в сечении 2 (рисунок 18) и добавляет особенность в распределении измеренной зондом скорости в окрестности НК.

Пограничный слой у поверхности чехла модели увеличивается и становится существенным к сечению 5 для течения в однородном пучке твэльных трубок, а также при установке НК.

а) б)

Рисунок 16 Распределение температуры в пучке за фрагментом штатной ДР, а) - сечение 1, б) - сечение 5

Рисунок 17 Распределение температуры в пучке за фрагментом СПР в сечение 2

Рисунок 18 Распределение температуры в пучке с НК за фрагментом СПР в сечение 2

Проведенные исследования на 127-элементной моделе подтвердили высокие перемешивающие свойства выбранной базовой конструкции СПР. Было обнаружено, что на расстояние ~150 мм конвективная составляющая воздействия фрагмента СПР на поток вырождается и дальнейшие воздействие носит только диффузионный характер. Для измерений с НК эффект конвективного переноса уменьшается на ~ 22 %.

Также в 2008 году 19-элементные фрагменты СПР выбранной базовой конструкции были переданы на испытания на кризис теплоотдачи в ОАО ОКБМ им. И.И. Африкантова.

Влияние, оказываемое СПР на параметры кризиса теплоотдачи, исследовалось на модели ТВСА в диапазоне режимных параметров активной зоны реактора ВВЭР-1000. Модель ТВСА представляла собой 19-ти стержневой пучок, состоящий из электрообогреваемых имитаторов твэлов в виде цилиндрических трубок наружным диаметром 9,1 мм, расположенных по треугольной сетке с шагом 12,75 мм. Длина участка энерговыделения составляла 3м. Модель содержала 6 фрагментов штатных ДР высотой 35 мм и три фрагмента СПР, расположенных в середине трех последних пролетов между фрагментами ДР. Результаты испытаний на кризис теплоотдачи показали, что СПР обеспечивают увеличение критической мощности в сравнении с моделями ТВСА без перемешивающих решеток на величину от 16 до 20,3 % в зависимости от режима охлаждения.

Заключение

сотовый перемешивающий решетка теплогидравлический

1 Разработана методика и проведены исследования теплогидравлических характеристик различных конструкций СПР.

2 По результатам исследований выбрана базовая конструкция СПР, имеющая высокий коэффициент межячеистого обмена. Недостатком конструкции является высокое гидравлическое сопротивление.

3 Применение СПР выбранной базовой конструкции позволяет повысить критическую мощность ТВС в диапазоне режимных параметров от 16 до 20,3% по сравнению с ТВС без перемешивающих решеток.

4 Дальнейшим направлением по разработке СПР для ТВС ВВЭР-1000 является снижение гидравлического сопротивления в выбранной базовой конструкции, а также придание ей функции дистанционирования твэлов.

Список литературы

1 Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование гидравлических сопротивлений и перемешивающих характеристик циркониевых решеток ячеистого и пластинчатого типов для ТВСА-Т ВВЭР-1000» (ОАО «МСЗ»), УНЦ «НУКЛОН» МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 г.

2 Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Под общей редакцией Кириллова П.Л.-М.: Энергоатомиздат, 1990. 360 с.: илл.

3 Отчет «Исследование гидравлических и перемешивающих характеристик интенсифицирующей решетки ячеистого типа на фрагменте макета ТВСА-Т ВВЭР-1000» (ОАО «МСЗ»), УНЦ «НУКЛОН» МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 г.

Размещено на Allbest.ru