Исследование перемешивания однофазного теплоносителя на модели ТВС-2М с перемешивающими решетками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование перемешивания однофазного теплоносителя на модели ТВС-2М с перемешивающими решетками

Введение

В настоящее время ведутся исследования по совершенствованию работы реакторов и повышения их мощности. Повышение уровня мощности энергоблоков российских АЭС проводится согласно «Программе увеличения выработки электроэнергии на действующих энергоблоках АЭС ОАО «Концерн Росэнергоатом» на 2007-2015 годы». Первым шагом было освоение мощности 104 % на блоке №4 Балаковской АЭС, на блоках №№ 1 и 2 Ростовской АЭС, на блоке №4 Калининской АЭС. Сейчас ставится задача повысить мощность реактора ВВЭР-1000 до 107 - 110 %. Реализация задачи повышения мощности энергоблока приводит к более жестким условиям эксплуатации ТВС с точки зрения теплофизики. С повышением тепловой мощности реактора увеличивается, как правило, температура теплоносителя на выходе из ТВС и паросодержание в «горячих» струях наиболее теплонапряженных участков ТВС. Подобное изменение локальных параметров в пучке твэл может неблагоприятно сказаться на величине критического теплового потока, а также и привести к повышенному окислению оболочек твэл в процессе эксплуатации. Установка в конструкцию ТВС перемешивающих решеток приводит к повышению эффективности перемешивания теплоносителя и позволяет уменьшить указанные неравномерности его параметров по сечению кассеты и тем самым улучшить условия теплообмена.

Проведенный отечественными специалистами анализ способов повышения запаса до кризиса теплоотдачи показывает, что использование в конструкции ТВС перемешивающих решеток или, как их еще называют, интенсификаторов теплообмена позволяет обеспечить значительное увеличение запаса до кризиса теплоотдачи вплоть до 40 % [1]. Исследования, проведенные за рубежом, также подтверждают увеличение КТП в случае использования перемешивающих решеток [2], [3], [4].

Учитывая важность проблемы массообмена теплоносителя в активной зоне реактора, в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» была создана экспериментальная установка для исследования перемешивания теплоносителя на полномасштабной модели ТВС реактора ВВЭР [5].

Целью настоящей работы являлось проведение исследований и получение результатов экспериментов, моделирующих перемешивание однофазного теплоносителя в ТВС_2М с различными типами перемешивающих решеток. Эксперименты выполнялись в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» на стенде перемешивания в ТВС с использованием полномасштабной в поперечном сечении модели ТВС_2М. Исследования проводились применительно к перемешивающим решеткам типа "Секторная прогонка", "Вихрь" и "Сектор", а также были проведены эксперименты для оценки перемешивающих свойств штатной дистанционирующей решетки.

В процессе исследований осуществлялось введение в ячейки пучка солевого трассера, влияющего на электропроводность теплоносителя. Регистрация проводимости среды осуществлялась сетчатым кондуктометрическим датчиком в нескольких поперечных сечениях модели ТВС, расположенных на различных расстояниях от капилляра подачи трассера. Эксперименты проводились при расходах теплоносителя через модель ТВС-2М в диапазоне от 100 до 500 м³/ч. При этом скорость теплоносителя находилась в диапазоне от 1,0 до 5,2 м/с, а число Рейнольдса варьировалось в диапазоне от 9400 до 60700.

По результатам экспериментов проведена оценка распределения концентрации трассера в гидравлическом тракте модели ТВС-2М в зависимости от типа установленной перемешивающей решетки, а также расхода теплоносителя и расстояния до места впрыска трассера. Для оценки эффективности перемешивающих свойств ДР и ПР использовались результаты настоящих исследований, а также результаты базовых экспериментов по исследованию перемешивания теплоносителя на «гладком» пучке модели ТВС, которые были выполнены ранее [6].

Результаты экспериментов рекомендованы для верификации расчетных кодов.

Краткое описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для моделирования процессов перемешивания в ТВС представляет собой циркуляционную петлю с компенсатором давления и полномасштабной моделью ТВС в радиальном направлении.

Принципиальная пространственная схема стенда исследования перемешивания на полномасштабной модели ТВС представлена на рисунке 1.

Основные параметры стенда:

· теплоноситель - конденсат с температурой от 20 до 50 ^оС;

· расход теплоносителя от 50,0 до 550 м³/ч;

· расход трассера - от 0 до 0,1 м³/ч.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для исследований на стенде применяется солевая методика, хорошо зарекомендовавшая себя при проведении исследований перемешивания теплоносителя в реакторе ВВЭР-1000 на четырех петлевом стенде ОКБ "ГИДРОПРЕСС" [7]. В качестве трассера используется раствор NaCl.

Экспериментальная модель (см. рисунок 2) представляет собой полномасштабный в поперечном сечении фрагмент ТВС-2М высотой 1,23 м, который состоит из 312 имитаторов твэл, 18 имитаторов направляющих каналов, одного имитатора канала СВРД, а также четырех штатных дистанционирующих решеток, изготовленных с использованием штатной технологии на заводе. Конструкция модели ТВС предусматривает установку перемешивающей решетки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитаторы твэл, направляющих каналов и канала СВРД представляют собой металлические стержни, покрытые оболочкой из неэлектропроводного материала. Так как на стенде применена методика, основанная на измерении электропроводности теплоносителя, необходимо обеспечить отсутствие контакта чувствительных элементов сетчатого измерительного датчика с металлоконструкциями стенда и модели. Оболочка имитаторов твэл, направляющих каналов и канала СВРД отшлифована до значения шероховатости поверхности, достаточно близкого к натурному значению. Наружный диаметр имитаторов твэл составляет 9,1 мм, наружный диаметр имитаторов направляющего канала и канала СВРД составляет 12,9 мм.

Трассер подавался через капилляр с внутренним диаметром 3 мм в требуемую ячейку пучка. В результате изменялась проводимость теплоносителя. Срез капилляра располагался на определенном расстоянии как от дистанционирующей решетки, так и от сетчатого датчика. На рисунке 3 показано крепление капилляра подачи трассера в дистанционирующей решетке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Детектор измерения проводимости теплоносителя по сечению пучка выполнен в виде сетчатого датчика. На рисунке 4 приведено изображение сетчатого датчика совместно с моделью ТВС в стендовых условиях. Датчик образован двумя параллельными плоскостями с зазором 3 мм между ними. Каждая плоскость сформирована восемнадцатью нержавеющими проволочными электродами диаметром 0,5 мм, параллельно натянутыми между стержнями имитаторов твэл. Угол между проволочными электродами разных плоскостей штатной конструкции сетчатого датчика составляет 60^о в соответствии с треугольной упаковкой стержней ТВС. Проволочные электроды электрически изолированы от корпуса колонки и между собой (зажаты между изоляционными прокладками во фланцах колонки), а также от стержней ТВС. Зона регистрации проводимости представляет собой трехмиллиметровый зазор в области кратчайшего расстояния между двумя проволочными электродами, лежащими в разных горизонтальных плоскостях.

Проволочные электроды сетчатого датчика подключены к вторичному преобразователю, который осуществляет коммутацию, регистрацию сигналов с частотой 25 Гц; выполняет анализ, преобразование и обработку данных. Результаты измерения по интерфейсу связи передаются на персональный компьютер, где производится их дальнейшая обработка.

Другой измерительный комплекс также на базе персонального компьютера и блоков SCXI фирмы «National Instruments» параллельно с первым регистрирует режимные параметры стенда с частотой 10 Гц. К системе регистрации «National Instruments» подключены следующие измерительные средства:

· электромагнитный расходомер циркуляционного контура;

· электромагнитный расходомер на линии впрыска раствора соли;

· первичные преобразователи измерения температуры в контуре и емкостях;

· первичные преобразователи измерения перепада давления на модели;

· первичные преобразователи измерения давления в контуре и на линии подачи трассера;

· первичные преобразователи измерения уровней в емкостях стенда.

Методика проведения экспериментов

Сначала были проведены базовые эксперименты на «гладком» пучке твэл без установки в модель ТВС-2М исследуемой ПР. Исследования проводились в диапазоне расходов теплоносителя от 100 до 500 м³/ч, что соответствует диапазону расходов через ТВС от естественной циркуляции до номинального в натурных условиях. При этом скорость теплоносителя находилась в диапазоне от 1,0 до 5,2 м/с. Рабочим участком являлся второй пролет между ДР, длина которого была выбрана натурной. Впрыск трассера через капилляр осуществлялся с соблюдением условий изокинетичности.

Регистрация проводимости среды осуществлялась сетчатым кондуктометрическим датчиком с проволочными электродами диаметром 0,5 мм. Взаимное расположение сетчатого датчика и модели ТВС варьировалось в экспериментах для оценки распределения трассера по высоте. Эксперименты проводились с регистрацией проводимости среды в трех поперечных сечениях модели ТВС на расстоянии 255, 205, 155 мм от капилляра подачи трассера, затем оценивалось распределение концентрации трассера. Принципиальная схема рабочего участка приведена на рисунке 5. При проведении исследования влияния ПР и ДР на процессы массообмена в ТВС исследуемая решетка устанавливалась на рабочем участке с шагом 140 мм от предшествующей ДР. При проведении оценки перемешивающих свойств решеток результаты этих опытов сравнивались с результатами базовых опытов. Влияние сетчатого датчика на процесс перемешивания теплоносителя можно считать пренебрежимо малым, т.к. во-первых, затеснение проходного сечения проволочными электродами не превышало 5 %, во-вторых, перемешивание реализовывалось вверх по потоку относительно датчика.

Пересчёт проводимостей в концентрацию трассера осуществлялся на основе калибровки, которая проводилась после проведения опыта с использованием эталонного кондуктометра. В результате определялись фактические значения концентраций в каждой точке измерения.

Для обеспечения статистической надежности каждый из экспериментов повторялся 5 раз. Оцененная суммарная погрешность определения концентрации трассера при уровне доверия 95 % составила 10,7 %.

Представление экспериментальных результатов и их анализ выполнялись с помощью относительной концентрации , определяемой по следующей формуле:

100%,(1)

где C_i(x,y,z,) - текущее значение концентрации в точке измерения, г/дм³;

С_о - начальная концентрация в циркуляционном контуре, г/дм³;

С_бак - концентрация трассера в баке раствора соли, г/дм³.

Результаты экспериментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты базовых экспериментов по исследованию перемешивания теплоносителя на «гладком» пучке модели ТВС, которые были выполнены ранее [6] показали, что регулярные ячейки, располагающиеся в различных зонах по радиусу топливной сборки, находятся в достаточно близких условиях массообмена. Данный эффект проиллюстрирован на рисунке 6, где, в качестве примера, представлено изменение концентрации трассера в регулярных ячейках различных характерных областей ТВС по радиусу в зависимости от расхода теплоносителя. Несмотря на то, что экспериментальные кривые имеют разный наклон, а одна из них располагается несколько ниже относительно остальных, можно сказать, что они образуют общую совокупность данных с разбросом по концентрации трассера в пределах 15-20 %, что достаточно близко к погрешности самого эксперимента.

В связи с этим в экспериментах с различными ПР и ДР для ввода трассера были выбраны задействованные в базовых опытах регулярные ячейки Н4 и Р11, которые находились между твэлами, помеченными красным и зеленым цветами соответственно на рисунке 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На первом этапе оценивалась перемешивающая способность штатной дистанционирующей решетки ТВС-2М.

В рамках исследований всего было проведено несколько сотен опытов. В силу большого объема экспериментальных данных не представляется возможным для каждого из экспериментов привести графические материалы. Поэтому в качестве примера рассмотрим результаты лишь некоторых экспериментов.

На рисунке 8 приведен график зависимости относительной концентрации трассера в отреагировавших узлах, при расходе теплоносителя через модель ТВС ? 500 м³/ч, для различных расстояний на протяжении рабочего участка между капилляром и сетчатым датчиком. На рисунке 9 приведены значения относительной концентрации в ячейке-доноре Н4 в зависимости от расхода теплоносителя, для различных расстояний между капилляром и измерительным узлом сетчатого датчика.

Видно, что по мере удаления по высоте от среза капилляра впрыска концентрация трассера в ячейке-доноре H4 снижается, что связано как с наличием турбулентного массообмена в межтвэльном пространстве, так и некоторым влиянием исследуемой ДР на перемешивание теплоносителя. В свою очередь данные факторы приводят к увеличению концентрации трассера в ячейках, окружающих ячейку H4.

При этом концентрация трассера в ячейках, окружающих ячейку-донор, существенно меньше и меняется слабо, что также объясняется массообменом в радиальном направлении и связано как с постоянной подпиткой трассером из ячейки-донора, так и отдачей его в соседние ячейки модели ТВС, концентрация в которых находится ниже предела чувствительности сетчатого датчика. При подаче трассера в ячейку - донор Р11, также наблюдалось снижение концентрации трассера по мере удаления по высоте от среза капилляра впрыска.

На втором этапе оценивалась перемешивающая способность перемешивающей решетки «Вихрь».

На рисунках10 и 11 приведены графики для ПР «Вихрь», анологичные графикам для штатной ДР.

Видно, что по мере удаления по высоте от среза капилляра впрыска концентрация трассера в ячейке-доноре H4 также снижается, что связано как с наличием турбулентного массообмена в межтвэльном пространстве, так и некоторым влиянием исследуемой ПР «Вихрь» на перемешивание теплоносителя.

На третьем этапе оценивалась перемешивающая способность ПР «Секторная прогонка».

На рисунке 12 и 13 показаны графики для ПР «Секторная прогонка», аналогичные предыдушим.

Видно, что по мере удаления по высоте от среза капилляра впрыска концентрация трассера в ячейке-доноре H4 снижается, что связано как с наличием турбулентного массообмена в межтвэльном пространстве, так и влиянием исследуемой ПР «Секторная прогонка» на перемешивание теплоносителя. В свою очередь данные факторы приводят к увеличению концентрации трассера в ячейках, окружающих ячейку H4. Однако, в отличие от предыдущих опытов, в данном случае значение концентрации трассера в соседених ячейках H3 и G3 сравнимо с величиной концентрации трассера в ячейке-доноре H4, значение которой в настоящих экспериментах существенно меньше, чем в опытах с ДР и ПР «Вихрь».

Таким образом, можно сказать, что струя трассера оказалась разделенной на несколько потоков вследствие установки в модель ТВС перемешивающей решетки «Секторная прогонка». Также видно, что по мере удаления по высоте от среза капилляра впрыска концентрация трассера в ячейке-доноре H4 снижается. Однако, в отличие от предыдущих опытов с ДР и ПР «Вихрь», в данном случае концентрация трассера в ячейке-доноре практически не зависит от расхода теплоносителя через модель ТВС. По всей видимости данный факт также обусловлен влиянием ПР «Секторная прогонка» на условия течения теплоносителя в ТВС.

На четвертом этапе оценивалась перемешивающая способность ПР «Сектор».

На рисунках 14 и 15 показан тотже набор графиков, что и для предыдущих ПР.

Видно, что по мере удаления по высоте от среза капилляра впрыска концентрация трассера в ячейке-доноре Н4 снижается, что связано как с наличием турбулентного массообмена в межтвэльном пространстве, так и влиянием исследуемой ПР «Сектор» на перемешивание теплоносителя. В свою очередь данные факторы приводят к увеличению концентрации трассера в ячейках, окружающих ячейку Н4. При этом значение концентрации трассера в ячейке I3 начинает превышать значение концентрации трассера в ячейке-доноре Н4 на расстоянии 180 мм от капилляра впрыска и продолжает увеличиваться. По всей видимости в данном случае струя трассера не просто оказалась разделенной на несколько потоков, но и имеет существенное отклонение от вертикальной оси. Максимум концентрации трассера скорее всего не совпадает с координатой измерительного узла и не регистрируется сетчатым датчиком. Таким образом, условия течения теплоносителя в ТВС при установке ПР «Сектор» характеризуются наличием радиальной составляющей, влияние которой сохраняется на значительном расстоянии, и отличаются от условий течения в опытах с другими решетками.

Как и в случае с ПР «Секторная прогонка» в данной ситуации концентрация трассера в ячейке-доноре практически не зависит от расхода теплоносителя через модель ТВС. По всей видимости данный факт обусловлен влиянием ПР «Сектор» на условия течения теплоносителя в ТВС.

Далее приведен краткий анализ результатов экспериментов по оценке влияния ПР и ДР на процессы массообмена в ТВС. Если на один график наложить значения относительной концентрации трассера в ячейке-доноре в зависимости от расхода теплоносителя на одном расстоянии от капилляра до сетчатого датчика в базовых экспериментах, а также в экспериментах с ДР и ПР, то можно сравнить полученные результаты между собой. Данная информация представлена на рисунке 16 для ячейки-донора P11. Судя по понижению относительной концентрации трассера в ячейке-доноре можно прийти к заключению, что наилучшими перемешивающими свойствами из исследованных решеток обладают ПР «Секторная прогонка» (P11_255мм_SP) и ПР «Сектор» (P11_255мм_S). А дистанционирующая решетка (P11_255мм_SG) и ПР «Вихрь» (P11_255мм_V) в меньшей степени влияют на процессы массообмена теплоносителя в ТВС.

Помимо существенного понижения относительной концентрации трассера в ячейке-доноре можно отметить качественное изменение характера процесса перемешивания теплоносителя в экспериментах с ПР «Секторная прогонка» и ПР «Сектор», при использовании которых массообмен в ТВС перестает зависеть от расхода теплоносителя и становится более эффективным, особенно в области номинальных скоростей.

На рисунке 17 представлено распределение относительной концентрации трассера, осредненной по сечению, на одинаковой высотной отметке рабочего участка модели ТВС-2М при расходе теплоносителя через модель ТВС ? 500 м³/ч в базовом эксперименте, а также в экспериментах с ДР и ПР. Видно, что наилучшими перемешивающими свойствами из исследованных решеток обладают ПР «Секторная прогонка» и ПР «Сектор». А дистанционирующая решетка и ПР «Вихрь» слабо влияют на процессы перемешивания теплоносителя в ТВС.

Заключение

1 Проведены экспериментальные исследования перемешивания однофазного теплоносителя на полномасштабной модели ТВС-2М. Эксперименты выполнены в диапазоне расходов теплоносителя от 100 до 500 м³/ч, что соответствует диапазону расходов через ТВС от естественной циркуляции до номинального в натурных условиях. При этом скорость теплоносителя находилась в диапазоне от 1,0 до 5,2 м/с, а число Рейнольдса варьировалось в диапазоне от 9400 до 60700. Исследования проводились применительно к различным регулярным ячейкам ТВС, а также применительно к различным типам ПР и ДР.

2 По результатам исследований установлено, что в регулярных ячейках как на периферии ТВС, так в средней и центральной ее частях неравномерность по концентрации трассера составляет 15_20 %. Таким образом, можно сказать, что регулярные ячейки различных областей ТВС с точки зрения перемешивания теплоносителя находятся в достаточно близких условиях.

3 По результатам исследований установлено, что наилучшими перемешивающими свойствами из исследованных решеток обладают ПР «Секторная прогонка» и ПР «Сектор», при использовании которых эффективность перемешивания теплоносителя между элементарными ячейками ТВС может быть повышена на 40 % и 60 % соответственно. Дистанционирующая решетка и ПР «Вихрь» слабо влияют на процессы массообмена теплоносителя между элементарными ячейками ТВС.

4 Результаты экспериментов предназначены для верификации теплогидравлических расчетных кодов, а также CFD кодов.

Условные обозначения и сокращения

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор;

ДР - дистанционирующая решетка;

ПР - перемешивающая решетка;

СВРД - система внутриреакторной диагностики;

ТВС - тепловыделяющая сборка.

Список литературы

теплоноситель трассер перемешивающий решетка

1 Самойлов О.Б., Куприянов А.В., Фальков А.А., Кокурин А.А., Лукьянов В.Е. Экспериментальные исследования критических тепловых потоков на моделях ТВСА ВВЭР-1000. Сборник докладов. Межведомственный семинар «Теплогидравлические аспекты безопасности активных зон, охлаждаемых водой и жидкими металлами» (Теплофизика-2008) Обнинск, 15-17 октября, 2008.

2 F.E. Motley, et al. “New Westinghouse Correlation WRB-1 for Predicting Critical Heat Flux in Rod Bundles with Mixing Vane Grids” // Westinghouse report, WCAP-8263, 1976.

3 F. de Crecy. “The Effect of Grid Assembly Mixing Vanes on Critical Heat Flux Value and Azimuthal Location in Fuel Assemblies” // NURETH-6, Grenoble, 1993.

4 Byung Soo Shin, Soon Heung Chang. “Experimental study on the effect of angles and positions of mixing vanes on CHF in a 2 Ч 2 rod bundle with working fluid R-134a” // Nuclear Engineering and Design, Volume 235, Issue 16, July 2005, Pages 1749-1759.

5 Е.А. Лисенков, Ю.А. Безруков, С.М. Лобачев, А.В. Селезнев, М.А. Быков, И.Н. Васильченко и др. «Создание стенда для исследования перемешивания теплоносителя в тепловыделяющей сборке реактора» // Вопросы атомной науки и техники, вып. 29, 2011, стр. 111-121.

6 Е.А. Лисенков, С.М. Лобачев, Ю.А. Безруков, А.В. Селезнев и др. «Исследование перемешивания теплоносителя в тепловыделяющей сборке реактора ВВЭР-1000», Тяжелое машиностроение, № 9, 2012, стр. 5-13.

7 E.A. Lisenkov, Yu. A. Bezrukov, et al., “Investigation of Coolant Mixing in Reactor VVER-1000” // International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2011) "Performance & Flexibility: The Power of Innovation", Nice, France, May 2-5, 2011, Paper 11026.

Размещено на Allbest.ru