Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в РФ и ряде других стран выполняются работы, направленные на развитие реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ). Применение таких реакторов направлено на обеспечение максимальной эффективности, безопасности и надежности энергоустановок.
Методы расчета контуров с жидкими металлами всегда предполагали существенный запас по площадям теплообмена, что негативно сказывалось на экономических показателях установки в целом. Подходы к проектированию и эксплуатации подобных установок не способствовали выявлению величин фактических "запасов" поверхностей теплообмена и корректировки соответствующих расчетных методов.
В НГТУ им. Р.Е. Алексеева длительное время проводятся экспериментальные и расчетно-теоретические исследования характеристик теплообмена в оборудовании контуров с ТЖМТ. Были детально изучены характеристики теплообмена при продольном и поперечном обтеканиях теплообменных поверхностей и влияния на них как гидродинамики, так и особенностей технологии теплоносителя.
Обеспечение отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителей при расхолаживании реактора, а также в стояночных режимах при наличии значительных остаточных тепловыделений традиционно требует сложных, дорогих и потенциально опасных решений в виду высокой температуры застывания теплоносителя (Pb – 326 C, эвтектика Pb-Bi – 125 C). Аналогичную проблему необходимо решать при создании установок (стендов) для испытаний главных циркуляционных насосов с адиабатическим вводом тепла в контур до 1 МВт, их моделей и других неизотермических установок (стендов).
Использование в качестве теплоотводящей среды воды требует высоких давлений в теплоотводящих водяных контурах (для охлаждения свинцового теплоносителя близких к критическому) для исключения застывания жидкометаллического теплоносителя в полостях теплообменного оборудования.
Использование в качестве теплоотводящей среды воздуха из-за его "плохих" теплофизических свойств требует применения теплообменников с существенно большими поверхностями теплообмена, с большой массой содержащегося в них жидкого металла. Значительно усложняет конструкцию подобных теплообменников необходимость обеспечении разогрева и поддержания температуры полостей с ТЖМТ выше температуры застывания жидкометаллического теплоносителя перед заполнением жидким металлом и при отсутствии его циркуляции через теплообменник. Для решения данного технического противоречия специалистами НГТУ было предложено использовать для отвода тепла от свинцового и свинец-висмутового теплоносителя воздушно-водяную смесь в виде потока воздуха, содержащего мелкие (1мм и менее) капли конденсата воды. При этом обеспечивается высокоэффективный отвод тепла за счет испарения капель конденсата и исключается замерзание тяжелого теплоносителя. Величина отводимого количества тепла достаточно просто изменяется за счет изменения количества конденсата, вводимого в поток воздуха.
Целью работы являлось исследование характеристик теплообмена в оборудовании систем теплоотвода от ТЖМТ, с "низким" давлением теплоотводящей среды (воздухо-водяная, воздухо-паровая смесь) для создания эффективных и безопасных теплообменных аппаратов реакторных установок и масштабных стендов применительно к режимам стоянки, расхолаживания и пуска при значительном количестве тепла, адиабатически вносимом в контур ТЖМТ.
Задачи работы
-разработка методов, методических подходов (указаний) проведения экспериментальных исследований характеристик теплообмена, от
высокотемпературных (до 550 С) ТЖМТ воздушно-водяной средой с давлением
близким к атмосферному;
-разработка и создание высокотемпературных экспериментальных стендовых
контуров с ТЖМТ;
-выполнение экспериментальных и расчетно-теоретических исследований;
-создание массива экспериментальных данных результатов исследований;
-исследование характеристик теплообмена применительно к аварийной ситуации с
намораживанием ТЖМТ на теплообменную поверхность;
-оптимизация расчетных методических подходов для проектирования
теплообменных аппаратов, использующих в качестве охлаждающей среды
воздушно-водяную смесь;
-выработка рекомендаций по инженерному проектированию теплообменных
поверхностей и систем с отводом высокотемпературного (до 550 С) тепла от
ТЖМТ.
На защиту выносятся следующие положения:
- созданные экспериментальные стенды (установки) с применением натурных
ТЖМТ;
- методические подходы проведения экспериментальных исследований
характеристик теплообмена, от высокотемпературных (до 550 С) ТЖМТ средой с
давлением близким к атмосферному;
- массив экспериментальных данных характеристик теплообмена,
применительно к теплообменному оборудованию с низким давлением
охлаждающей среды;
комплекс рекомендаций по инженерному проектированию теплообменных поверхностей и систем с отводом высокотемпературного (до 550 С) тепла от ТЖМТ.
экспериментальное подтверждение и уточнение условий возникновения эффекта намораживания слоя ТЖМТ на теплообменную поверхность.
Научная новизна
На основании экспериментальных и расчетно-теоретических исследований впервые предложено и разработано решение важной для атомной энергетики с ТЖМТ задачи эффективного и безопасного отвода тепла высокотемпературных (до 550 С) контуров с ТЖМТ применительно к стояночным режимам, режимам пуска и расхолаживания реакторных установок со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, а так же от контуров стендов с ТЖМТ в которые адиабатически вводится тепло.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств и методов проведения экспериментов, использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных данных общепринятым физическим представлениям, корреляцией результатов экспериментов с последними по времени результатами других исследований.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что обосновано и рекомендовано к внедрению теплообменное оборудование, позволяющее отводить высокотемпературное (550 С и более) тепло от систем со свинцовым и свинец-висмутовыми оборудованием эффективно и безопасно с помощью воздухо-водяной смеси при давлении, близком к атмосферному. Предложено, рекомендовано к внедрению и внедрена система эффективного, безопасного и экономичного отвода адиабатически вносимого тепла на полупромышленном стенде ФТ-4НГТУ с высокотемпературным свинцовым теплоносителем, с использованием воздухо-водяной смеси низкого давления, позволяющей эффективно регулировать температуру циркулирующего свинцового теплоносителя.
Личный вклад автора
Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных
на базе кафедры «АТС» НГТУ им. Р.Е. Алексеева автором лично, при непосредственном участии автора или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, разработки методических подходов исследований, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в проведении исследований, обработки и обсуждении результатов, разработке рекомендаций по использованию результатов работы в РУ.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах: 20-я Нижегородская сессия молодых ученых (Арзамас 2015г.); 14-я Международная молодежная научно – техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2015г.); Научно-техническая конференция «Теплофизика реакторов нового поколения (Теплофизика 2015)» (Обнинск 2015г.); Конференция молодых специалистов "Инновации в атомной энергетике" (Москва 2015г.); Научно-техническая конференция «Теплофизика реакторов нового поколения (Теплофизика 2016)» (Обнинск 2016г.); 16-я Международная молодежная научно – техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2017г.);
Публикации
Результаты исследований, выполненных автором лично и при его непосредственном участии, опубликованы в статьях в журнале "Атомная энергия", в журнале Вопросы атомной науки и техники. Серия Ядерно-реакторные константы, в журнале Труды НГТУ. Получено 2 патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Объем работы составляет 119 страниц, 42 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 32 наименований.