Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные свойства свинцового и свинец-висмутового теплоносителей и их применение в атомной энергетике. 14
1.1 Физико-химические свойства свинца и эвтектики свинец-висмут 14
1.1.1 Свинец 14
1.1.2 Эвтектика свинец-висмут 19
1.2 Примеси в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями и их влияние на характеристики контура 22
1.3 Область применения свинцового теплоносителя и его сплавов в атомной энергетике 26
Глава 2. Исследования теплообмена в жидких металлах. 29
2.1 Полуэмпирические теории теплообмена 29
2.1.1 Теплообмен к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям при течении в круглых трубах 29
2.1.2 Теплообмен к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям при течении в кольцевых каналах (щелях) 32
2.2 Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре 35
2.2.1 Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре при течении в круглой трубе 35
2.2.2 Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре при течении в кольцевом зазоре 37
2.3 Экспериментальные исследования при контроле и регулировании примесей в теплоносителе и в контуре 39
2.3.1 Экспериментальные исследования характеристик теплообмена при контроле и регулировании примесей в теплоносителе и в контуре при течении в трубе 39
2.3.2 Экспериментальные исследования характеристик теплообмена при контроле и регулировании примесей в теплоносителе и в контуре при течении в кольцевом зазоре 41
2.4 Постановка задач исследований 43
Глава 3. Совмещенные экспериментальные исследования характеристик теплообмена на «горячих» и «холодных» поверхностях при регулировании содержания примесей в контуре (продольное обтекание) 44
3.1 Общие положения 44
.3.2 Описание экспериментального стенда 48
3.3 Описание теплоотводящего и теплоподводящего экспериментальных участков 54
3.4 Программа и методика экспериментов 60
3.5 Результаты экспериментальных исследований локальных характеристик теплообмена на теплоподводящих и теплоотводящих поверхностях 70
3.5.1 Последовательность и характеристика исследований 70
3.5.2 Результаты экспериментальных исследований локальных значений характеристик теплообмена 78
3.5.3 Результаты исследования профилей температур при различных режимных параметрах 91
3.6 Выводы по главе 3 105
Глава 4. Экспериментальные исследования полей температур и скоростей в потоках свинцового и свинец-висмутового теплоносителей при контроле и регулировании содержания примесей 107
4.1 Общие положения 107
4.2 Совмещенные поля температур и скоростей потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре 110
4.2.1 Описание экспериментального стенда 110
4.2.2 Описание экспериментального участка 112
4.2.3 Программа и методика испытаний 114
4.2.4 Результаты исследований полей скоростей и температур в кольцевом зазоре в потоке свинцового теплоносителя при контроле и регулировании содержания примесей 119
4.3 Совмещенные поля температур и скоростей потока эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения 130
4.3.1 Описание экспериментального стенда .130
4.3.2 Описание экспериментальных участков 135
4.3.3 Программа и методика испытаний 140
4.3.4 Результаты исследований полей скоростей и температур в канале круглого сечения при контроле и регулировании содержания примесей 141
4.3 Выводы по главе 4 147
Глава 5. Сопоставление формул для определения характеристик теплообмена в круглых трубах и кольцевых зазорах обтекаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем 149
5.1 Сравнение расчетно-теоретических и экспериментальных выражений характеристик теплообмена к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям 149
5.2 Особенности обработки экспериментальных данных при исследованиях характеристик теплообмена в ТЖМТ 154
5.3 Влияние наличия примесей в ТЖМТ на характеристики теплообмена 158
5.4 Экспериментальные исследования на моделях и на натурных конструкциях теплообменных аппаратов с ТЖМТ 164
5.5 Выводы по главе 5 166
Заключение 167
Список использованных источников 169
Приложение 182
- Примеси в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями и их влияние на характеристики контура
- Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре
- Описание теплоотводящего и теплоподводящего экспериментальных участков
- Совмещенные поля температур и скоростей потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре
Введение к работе
Актуальность темы
Создание и развитие ядерных энерготехнологий на первом этапе их освоения в середине прошлого века осуществлялось на базе военных разработок - технологий получения плутония для создания оружия и ядерных реакторов для атомных подводных лодок. Основным направлением мирной атомной энергетики было развитие реакторов на тепловых нейтронах типа ВВЭР и РБМК.
Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволят ядерной энергетике принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост электропроизводства в течение последующих десятилетий. В качестве теплоносителей реакторов на быстрых нейтронах рассматриваются натрий, свинец и эвтектический сплав свинец-висмут.
Проекты установок с быстрыми реакторами, охлаждаемые тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями показали перспективность этого направления. Для оптимизации принимаемых проектных решений целесообразно проведение ряда экспериментальных исследований по уточнению разработанных в 50-80 гг. прошлого века методик расчета теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, с учетом накопившейся и новой информации о свойствах теплоносителей и исходя из реального (фактического) содержания примесей в контуре ядерного реактора охлаждаемого тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включая возможные аварийные ситуации. В данных системах характеристики теплообмена в участках теплоотвода и теплоподвода не симметричны вследствие различного направления массопереноса примесей, составляющих основное препятствие теплообмену, и различного направления тепловых потоков. В связи с этим актуальной является разработка (уточнение) расчетных методик, расчетных формул теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контролируемом и регулируемом содержании примесей в контуре, прежде всего, примеси кислорода, а также в период и после аварийных ситуаций, связанных с резким и значительным
изменением содержания и физико-химического состояния примесей в контуре и в теплоносителе в условиях неизотермического контура.
Целью работы является разработка рекомендаций по инженерным расчетным формулам теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при возможных эксплуатационных состояниях теплоносителя и контура на основе комплексных экспериментальных исследований характеристик теплообмена в неизотермическом контуре с участками теплоподвода и теплоотвода, а также анализ и обобщение полученных ранее экспериментальных данных по теплообмену в круглой трубе и кольцевом зазоре при контролируемом и регулируемом содержании примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе и в контуре.
Задачи работы:
-проведение анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;
-разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и др., расчета и представления теплофизических параметров в режиме реального времени;
-разработка, создание и испытание устройства определения локальной скорости потока тяжелого жидкометаллического теплоносителя в кольцевом зазоре и в круглой электрообогреваемой трубе;
-проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в кольцевом зазоре неизотермического контура с участками теплоподвода и теплоотвода;
-проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на распределение полей скоростей и температур в кольцевом зазоре неизотермического контура с участками теплоподвода и теплоотвода;
-разработка выражений для инженерных расчетов характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями на основе проведенных исследований в неизотермическом контуре при
различных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре. На защиту выносятся следующие положения:
- Методические основы определения характеристик теплообмена в
системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающие
исследования одновременно на участках теплоподвода и теплоотвода при
контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.
Методические основы измерения полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в круглой трубе и кольцевом зазоре.
Массив экспериментальных данных исследований полей температур и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в каналах неизотермического контура при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.
- Массив экспериментальных данных исследований и обобщения
характеристик теплообмена при продольном обтекании поверхностей
тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контроле и
регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.
Научная новизна
Усовершенствована методология исследований теплофизических характеристик тяжелых жидкометаллических теплоносителей в неизотермическом контуре с контролем и управлением содержанием примеси кислорода.
Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования характеристик теплообмена в неизотермическом контуре с теплоподводящим и теплоотводящим участками при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре, и получены зависимости Nu=/(Pe) в диапазоне чисел Пекле 500...5000 при контролируемом и регулируемом содержании примеси термодинамически активного кислорода в диапазоне 10" ...10 и при наличии слоя отложений примесей. Экспериментально определены поля температур и скоростей в кольцевом зазоре неизотермического контура в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя при контролируемом и регулируемом содержании примесей.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств и методов проведения экспериментов,
использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям.
Практическая значимость
Рекомендованы для проведения инженерных расчетов, экспериментально полученные в неизотермическом контуре критериальные зависимости характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем при эксплуатационных и аварийных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре, что существенно повышает качество расчетов и позволяет улучшить массогабаритные характеристики теплообменного оборудования и установки в целом.
Предложена и отработана методика теплофизических исследований характеристик теплообмена в кольцевом зазоре неизотермического контура при контролируемом и регулируемом содержании примесей в теплоносителе и контуре, которая рекомендуется для экспериментов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, что повышает качество и представительность полученных результатов.
Личный вклад автора
Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТСиМИ» НГТУ им. Р.Е. Алексеева при непосредственном участии автора, автором лично или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в проведении исследований, обработки и обсуждении результатов.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на межведомственном семинаре «Теплофизика-2007» «Тепломассоперенос и свойства жидких метало» в г. Обнинске; на VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» г. Нижний Новгород, 2007 г.; на Пятой Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2007 г., на Шестой Курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2008 г., на семнадцатой международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-17», г. Брюссель,
Бельгия, 2009 г. Публикации
Основные результаты диссертации изложены в авторском свидетельстве на изобретение, в шести патентах на полезную модель, в статьях в журнале «Атомная энергия», в статьях в журнале «Ядерная энергетика», в статьях в журнале «Вопросы атомной науки и техники», в статьях в журнале «Вестник машиностроения», в тридцати докладах на отечественных и международных научных конференциях, в двух зарегистрированных научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации
Примеси в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями и их влияние на характеристики контура
Эвтектика свинец-висмут является наиболее освоенным тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Значительный объем исследований и его практическое освоение осуществлялось в нашей стране в период 50 — 90-х годов прошлого века на исследовательских и промышленных стендах, опытных и серийных транспортных реакторных установках [11].
По определению эвтектика - самый легкоплавкий сплав, который могут образовывать входящие в его состав металлы. Эвтектика свинец-висмут содержит 44,5%) по массе свинца и 55,5% по массе висмута.
В системе свинец-висмут висмут не образует со свинцом химических соединений. В жидком состоянии наблюдается полная взаимная растворимость. Кроме эвтектики с содержанием 55,5% по массе висмута, имеются стойкие твердые растворы. Примеси висмута в свинце меньше других металлов способствуют увеличению твердости свинца.
Эвтектический сплав свинца с висмутом по своим свойствам аналогичен свинцу и имеет существенно более низкую температуру плавления (см
Таблица 1.11), что делает его более привлекательным для использования в качестве теплоносителя, чем свинец. Однако он обладает существенным недостатком — вследствие ядерных реакций из висмута образуется полоний-210, который является радиоактивным.
Плотность в кг/м , рассчитанная по закону аддитивности по атомным долям [9]: Теплоемкость в диапазоне рабочих условий энергоблоков [9] ср=146 Дж/(кгК). Кинематическая вязкость в м /с, полученная аппроксимацией экспериментальных данных [9]:
В результате ядерно-физических реакций в активной зоне реакторов деления ядер, в бланкете термоядерного реактора, в жидкометаллической мишени ускорительно-управляемых систем из висмута образуется альфа-активный полоний. Удельная активность свинец-висмутового теплоносителя по полонию-210 может достигать (4 - 40)-1010 Бк/кг. В нормальных условиях работы при герметичном контуре полоний опасности не представляет. Она возникает при разгерметизации контура со свинец-висмутовой эвтектикой или его газовой системы при перегрузах ядерного топлива, при плановых и внеплановых ремонтах, при межконтурной неплотности парогенератора и, особенно, при аварийных проливах радиоактивного теплоносителя в обслуживаемые помещения.
Источником повышенной опасности, при этом, являются альфа-радиоактивные аэрозоли полония в воздухе рабочих помещений и поверхностные загрязнения, как результат осаждения аэрозолей или контактного переноса альфа-активности. При нагреве полонийсодержащих сред на основе свинца (Pb-Li, Pb-Bi) в вакууме и в атмосфере инертного газа выход аэрозолей полония интенсифицируется. Экспериментально показано [13], что в рабочем диапазоне температур выход полония из расплава указанных эвтектик приблизительно в 1000 раз меньше, чем определенный теоретически для элементарного полония. Это обусловлено тем, что полоний в эвтектике образует менее летучие вещества — полониды свинца и висмута. Зафиксирована также особенность полония образовывать неустойчивое газообразное соединение — гидрид полония.
Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре
Экспериментальные данные по теплоотдаче от стенки круглой трубы к тяжелым теплоносителям без контроля содержания примесей в контуре подробно представлены в работах [21 - 23]. Наиболее полно анализ экспериментальных данных по теплоотдаче в круглых трубах при течении жидких металлов проведен Жуковым А.В. [19]. В работе [22], проведенной без специальной очистки жидких металлов, были получены низкие коэффициенты теплоотдачи и предложены формулы (для окисленных поверхностей теплообмена и технических труб); (для чистых поверхностей теплообмена). Качественно с формулой (2.19) согласуются результаты, представленные в работах М.Х. Ибрагимова, В.И. Субботина, П.А. Ушакова и др. Во всех этих исследованиях чистота жидкого металла, по-видимому, была невысокой. Т.о. представленные данные характеризуют собой группу с наиболее низким коэффициентом теплоотдачи, полученным на основе опытных данных [19]. Далее в работе [19] отмечается, что «Исследование теплообмена путем измерения температурного поля в потоке жидкого металла позволило исключить влияние контактного термического сопротивления и получить данные, удовлетворительно согласующиеся с формулой Мартинелли-Лайона при сравнительно больших Ре»: Эти данные получены, в основном, на ртути, натрии, сплаве натрий-калий. В работе [20], В.И. Субботина даются следующие рекомендации для расчета теплообмена чистого металла в круглых трубах: для чисел Пекле Ре 4-103 и Рг = 0,004 - 0,04. Это выражение рекомендуется для расчета теплообмена щелочных металлов (Li, К, Na, сплава Na-K), свинца и его сплавов, ртути, олова, однако в нем игнорируется возможность наличия примесей в теплоносителе, образование отложений примесей на теплопередающих поверхностях и концентрация частиц примесей в пристенном слое.
Предполагается что выражение (2.21) справедливо для всех классов и марок применения конструкционных материалов. Возможность использования выражения (2.21) и других, полученных без учета количества и состава примесей применительно к ТЖМТ, вызывает сомнения. Поэтому необходимо и целесообразно проведение исследований теплообмена применительно к тяжелому жидкометаллическому теплоносителю в условиях контролируемого содержания примесей в теплоносителе и в контуре, а также в период и после аварийных ситуаций, связанных с существенным изменением содержания и физико-химического состояния примесей в свинцовом теплоносителе и в контуре. Согласно нормативным рекомендациям [24], при течении в симметричных кольцевых каналах при отводе только от одной из стенок зазора характеристики теплообмена определяются формулами: от внутренней стенки в зазоре кольцевого канала: В работе [23] предлагаются следующие упрощенные формулы для расчета теплообмена в концентрических кольцевых каналах и зазорах при d2/dx =1,05...2,0, Ре = 300...4000 для одностороннего обогрева: При одностороннем обогреве в кольцевом зазоре при //(t/-Pe) 0,357 на начальном участке в работе [23] значение коэффициента теплообмена, вычисленное из формулы (2.24), рекомендуется умножать на поправочный коэффициент: Для жидкометаллических теплоносителей, особенно при развитом турбулентном течении (Re 10 ), различие в граничных условиях (qw = const или Av = const) слабо влияет на характеристики теплообмена [19] и при выполнении соответствующих расчетов поверхностей теплообмена может не учитываться. Информация об экспериментальных исследованиях, приведенная в разделе 2.2.1, не содержала, как правило, сведений об условиях проведенных экспериментов. Применяемые термины «чистый» и «грязный» теплоноситель не имели ни качественного, ни количественной физической оценки содержания примеси кислорода. Вследствие этого отсутствовала повторяемость условий экспериментов и, соответственно, их результатов. Исследования зависимостей характеристик теплообмена тяжелых жидкометаллических теплоносителей (РЬ, эвтектик Pb-Bi, Pb-Li) с учетом наличия примесей в теплоносителе и в контуре в настоящее время проводятся в НГТУ под руководством Безносова А.В.
Целью этих экспериментальных исследований является определение зависимостей Nu = ДРе) при контролируемом и варьируемом содержании примеси кислорода и других примесей в теплоносителе и контуре. Подробно результаты экспериментальных исследований представлены в работе [25, 26]. Исследования проводились при течении свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в круглых трубах, выполненных из различных материалов: аустенитной стали 12Х18Н10Т (диаметром 32x3,5 и 25x3,5 мм) и ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ (диаметром 17x3,0 мм). Диапазон по числам Ре составлял 350 - 3400, по Re - (0,17 -1,9)-105. Температура свинцового теплоносителя составляла 380 - 520 С, диапазон термодинамической активности кислорода от 10 до 10"7. В диапазоне чисел Ре = 320 - 4600 и Re = (0,2 - 3,5)-105 исследования проводились при температуре эвтектики свинец-висмут 480 - 520 С и термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10"5 — 10. Испытания со свинцовым теплоносителем проводились при средней скорости теплоносителя в экспериментальном участке 0,13 — 2,73 м/с и среднем тепловом потоке 25 — 45 кВт/м2.
Средняя скорость эвтектики свинец-висмут составляла 0,12 —1,84 м/с. В ходе экспериментальных исследований характеристик теплообмена в потоке эвтектики свинец-висмут было отмечено, что увеличение содержания кислорода в теплоносителе и контуре приводит к ухудшению характеристик теплообмена за счет образования отложений оксидов свинца на внутренних поверхностях трубы, обладающих малой теплопроводностью по сравнению с теплопроводностью эвтектики. Самые высокие значения характеристик теплообмена были отмечены при содержании кислорода в эвтектике свинец-висмут порядка 10"5 (режим обработки теплоносителя водородом), что объясняется восстановлением отложений оксидов теплоносителя. Разница в экспериментально полученных зависимостях для круглой трубы при течении свинцового теплоносителя для различных и контролируемых содержаний примеси кислорода (по которому можно судить о содержании примесей компонентов сталей) различается при прочих равных условиях на величину до 100% (в два раза). Было отмечено, что ввод в контур и теплоноситель кислорода в виде кислородосодержащих газовых смесей улучшает или не ухудшает характеристики теплообмена между греющей стальной стенкой и свинцом.
Описание теплоотводящего и теплоподводящего экспериментальных участков
Экспериментальный участок 1 (ЭУ1) представляет собой теплоотводящий («холодный») участок, имитирующий одиночную трубку парогенератора, расположен горизонтально с уклоном 3 по движению свинцового теплоносителя и выполнен в виде коаксиально расположенных труб (d2ld\ = 2,35) (рис. 3.2, 3.3). Внутренняя труба длиной 2095 мм, 17x3 мм - штатная трубка парогенератора проектируемого реактора БРЕСТ-ОД-300 изготовлена из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ. Внешняя труба длиной 1348 мм, 45x2,5 мм изготовлена из аустенитной стали 12Х18Н10Т. По внутренней трубе осуществляется циркуляция свинец-висмутового (РЬ-Bi) теплоносителя. В объеме между внешней и внутренней трубой осуществляется циркуляция свинцового (РЬ) теплоносителя. Направление движения — противоток.
Экспериментальный участок 2 (ЭУ2) представляет собой нагревательный («горячий») участок (рис. 3.4), имитирующий одиночный тепловыделяющий стержень, расположен вертикально и выполнен в виде коаксиально расположенных труб (d2ld\ = 4,2). Внутренняя труба представляет собой специально созданный трубчатый электронагреватель (ТЭН) со штатной оболочкой твэла проектируемого реактора БРЕСТ-ОД-300 из ферритно-мартенситной стали 16Х12МВСФБАР-Ш длиной 2100 мм и активной частью 1600 мм, диаметром 9x0,25 мм. Внешняя труба длиной 1570 мм, 45x2,5 мм изготовлена из аустенитной стали 12Х18Н10Т.
Подвод тепла к поверхности внешних труб экспериментальных участков осуществляется с помощью многосекционных электронагревателей, выполненных из нихромовой проволоки диаметром 1,0 и 1,6 мм, помещенной в керамические бусы.
На расстоянии 1034 мм от места входа свинцового теплоносителя в кольцевой зазор ЭУ1 устанавливается термозонд, состоящий из закрепленных на дистанционирующих пластинах 8 микротермопар с диаметром спая 1,0 мм типа ТМПК-ХА-1-27-3 0-1500-2500-НН в капилляре из аустенитной стали с индивидуальной градуировочной характеристикой (погрешность градуировки ± 0,2С), для измерения профиля температуры потока свинцового теплоносителя (рис. 3.2, 3.3).
Для измерения профиля температуры потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре ЭУ2 на высоте 1250 мм от входа в участок устанавливается термозонд, состоящий из четырех термопар с индивидуальной градуировочной характеристикой (погрешность градуировки ± 0,2С) с диаметром спая 1,0 мм типа ТМПК-ХА-1-27-3 0-1500-2500-НН в капилляре из аустенитной стали (рис. 3.4).
Для измерения температуры поверхностей экспериментальных участков в двух сечениях по высоте на внешней и внутренней трубах обоих участков устанавливаются по 8 хромель-алюмелевых микротермопар (поставки ОАО ОКБМ им. И.И. Африкантова) типа ТМПК-ХА-1-16-1000-2500-НН в капилляре из аустенитной стали с индивидуальной градуировочной характеристикой (погрешность градуировки ± 0,5С).
Для измерения температуры теплоносителей на входах и выходах экспериментальных участков установлены погружные термопары с диаметром спая 3,0 мм типа ТМПК-ХА-1-18-500-2500-НН в капилляре из аустенитной стали с индивидуальной градуировочной характеристикой (погрешность градуировки ± 0,5С).
В экспериментальных участках используются следующие способы установки датчиков температур: на "наружной" поверхности трубы каждого ЭУ; на "внутренней" поверхности трубы каждого ЭУ; термозонд из 8-ми, 4-х термопар в ЭУ1, ЭУ2 соответственно; на входе и выходе из каждого ЭУ.
Для измерения локального теплового потока в обоих экспериментальных участках в каждом из двух сечений устанавливаются по два микротермопреобразователя на «наружной» поверхности трубы через 180 по периметру и по два микротермопреобразователя — на "внутренней" поверхности трубы для измерения локального теплового потока (рис. 3.3, 3.4).
Для уменьшения показателя тепловой инерции термопреобразователя хромель-алюмелевый спай выполнен на поверхности капилляра, а чувствительная часть датчика прокатана до диаметра 0,5 мм по технологии предприятия-изготовителя. Для измерения температуры на "наружной" и "внутренней" поверхностях труб в исследуемых сечениях фрезеруются пазы шириной 0,5+0,03 мм, которые после укладки и зачеканивания микротермопреобразователя металлизируются (погрешность измерения в них ±0,01 мм).
Металлизация выполняется методом плазменного напыления в среде инертного газа (аргона). Нанесенные покрытия обрабатываются заподлицо с основной поверхностью.
Для компенсации температурных расширений элементов ЭУ1 во время работы предусмотрен сильфонный компенсатор, расположенный за входным коллектором свинцового теплоносителя (рис. 3.2). Для компенсации температурных расширений элементов.ЭУ2 во время работы предусмотрен сильфон, расположенный внутри входного коллектора свинцового теплоносителя (рис. 3.4). Отработка методики контроля и управления формированием отложений примеси оксидов свинца на стенках контура и теплоотводящего экспериментального участка. Совмещенное, одновременное экспериментальное определение зависимости Nu= (Pe) при установившихся процессах массообмена и массопереноса примеси кислорода при различных значениях термодинамически активного кислорода в теплоносителе а = 10"5 ...10 на обоих экспериментальных участках, а также при формировании слоя отложений примесей на теплопередающей поверхности теплоотводящего экспериментального участка. Построение графических и аналитических зависимостей Nu= (Pe) и ]Чи= [время) при различном содержании примеси кислорода в теплоносителе и в контуре.
Совмещенные поля температур и скоростей потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре
Экспериментальный стенд ФТ-2АС предназначен для проведения исследований полей скорости и температуры в потоке свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре при регулировании и контроле содержания примесей. Экспериментальный стенд ФТ-2АС (рис. 4.3) является модификацией стенда, представленного в разделе 3.2, со следующими отличиями: - в состав циркуляционного стенда установлены модернизированные экспериментальные участки ЭУ1 и ЭУ2 с устройством измерения локальной скорости; - в состав жидкометаллического контура добавлена система измерительных бачков датчиков скорости обоих ЭУ; - в состав системы защитного газа добавлены коллекторы высокого и низкого давления датчиков скорости; - в состав системы контрольно-измерительных приборов и автоматики добавлены передвижные датчики локального давления и скорости для измерения полей скоростей и давлений в потоке ТЖМТ, а также передвижные электроконтактные уровнемеры уровня жидкого металла в каждом из измерительных бачков; - в состав контрольно-измерительного комплекса добавлен блок расчета локальной скорости потока ТЖМТ. Вертикальный экспериментальный участок после проведения теплофизических исследований был модифицирован посредством установки в него устройства измерения локальной скорости в потоке ТМЖТ в кольцевом зазоре - датчика скорости. Конструктивная схема датчика скорости представлена на рисунке 4.4, общий вид экспериментального участка показан на рисунке 3.4. Датчик позволяет измерять потенциальный Япот и полный напор
Нпол потока жидкого металла. По разности этих напоров вычисляется локальная скорость в заданной точке по сечению кольцевого зазора. Измеряемая среда -свинцовый теплоноситель с температурой 450 - 550 С, средняя скорость в экспериментальном участке 0,64 - 1,0 м/с. Статическое давление в потоке до 1,0 МПа. Полный напор измеряется с помощью капилляра (трубки внутренним диаметром 1 мм, толщиной стенки 0,25 мм), его свободный конец направлен навстречу потоку теплоносителя (см. рис. 4.4). Через капилляр и систему трубопроводов теплоноситель поступает в бачок измерения полного напора. Потенциальный напор измеряется через отверстие в стенке экспериментального участка. Свободный конец капилляра и отверстие для измерения напора в стенке находятся в одном поперечном сечении трубы. Через отверстие измерения потенциального напора свинец через систему трубопроводов поступает в бачок измерения потенциального напора [52 — 54]. Входной конец капилляра перемещается в радиальном направлении по сечению канала за счет дистанционирующей пластины с помощью гаек.
Пластина соединена с тягой, на другом конце которой закреплен зонд со свободным концом капилляра. Бачки измерения напоров выполнены вертикальными из одинаковых участков труб, внутренний диаметр которых составляет 25 мм, толщина стенки 3,5 мм, длина 500 мм. К днищу каждого бачка подведена соответствующая трасса измерения напора. В крышке каждго бачка установлен узел уплотнения передвижного электроконтактного стержня и штуцер подвода - отвода газа. Газовая система позволяет изменять давление газа в обоих или каждом бачке по отдельности. Исследования проводились при температуре свинцового теплоносителя 500 - 550 С, термодинамической активности кислорода а=10 5 — 10"1, средней скорости потока 0,64 - 1,0 м/с и числе Re = (2,36 - 2,99)-105. Испытания проводились согласно следующим этапам: - Отработка методики измерения и экспериментального определения полей скоростей в кольцевом зазоре при различных значениях величины термодинамической активности кислорода в теплоносителе. - Экспериментальное определение полей скоростей в кольцевом зазоре на вертикальном экспериментальном участке при различных значениях термодинамически активного кислорода в свинцовом теплоносителе я=10 5...10. - Построение графических зависимостей U = f(y/(d2 - dx)) при различном содержании примеси кислорода в теплоносителе и в контуре. - Ревизия состояния стенда и экспериментального участка. Испытания проводились при следующих режимах, длительность которых определялась стабилизацией показаний датчиков термодинамической активности кислорода: - с раскислением свинцового теплоносителя за счет подачи «сухого» водорода и с последующей выдержкой в системе газа избыточного давления аргона; - саморегулирование контура в атмосфере инертного газа; - с окислением свинцового теплоносителя за счет периодической подачи газообразного кислорода с последующей выдержкой в системе газа избыточного давления аргона.
В каждом из режимов соответствующей . термодинамической активности кислорода и при каждом установившемся расходе определяли локальную скорость в шести точках поперечного сечения кольцевого зазора на вертикальном экспериментальном участке. Исследования проводили при турбулентном режиме течения. Расположение экспериментальных точек для замера локальной скорости на вертикальном участке представлено на рисунке 4.5. При г = 0,75 мм капилляр касается внешней поверхности внутренней стенки трубы.
