Содержание к диссертации
Введение
1. Современные концепции построения пассивных систем отвода остаточных тепловыделений от реакторной установки с водоохллждаемым реактором 15
Выводи по главе 36
2. Описание экспериментальных установок и исследуемых моделей тепловых труб. методика измерений 37
2.1 Описание экспериментальных установок и исследуемых моделей 37
2.2. Методика измерений . 45
Выводы по главе .51
3. Методика проведения экспериментов и обработки эксперименталбных данных 52
3.1. Методика проведения экспериментов 52
3.2. Методика обработки экспериментальных данных ,65
Выводы по главе 72
4. Анализ результатов экспериментов по определению теплогидравлических характеристик термосифонов, слабоотклонёнтгых от горизонтали 73
4.1. Определение условий ухудшения охлаждения высоко теплонагруженной зоны нагрева наклонного термосифона. Определение минимально допустимой степени водяного заполнения ТС. 79
4.2. Определение коэффициента теплоотдачи при плёночной конденсации пара на внутренней поверхности наклонного ТС 88
4.3 Определение необходимой степени аакуумирования ТС 99
Выводы по главе 102
5. Результаты экспериментов на тепловой трубе с центральной циркуляционной вставкой 104
5.1, Группа опытов с низким давлением пароводяного теплоносителя.. 104
5.2. Группа опытов со средним и высоким давлением теплоносителя 121
Выводы по глапс 125
6. Результаты ресурсных испытаний термосифонов 127
Выводи по главе 136
Заключение - 138
Список использоеіанньіх источников 142
- Методика обработки экспериментальных данных
- Определение условий ухудшения охлаждения высоко теплонагруженной зоны нагрева наклонного термосифона. Определение минимально допустимой степени водяного заполнения ТС.
- Определение коэффициента теплоотдачи при плёночной конденсации пара на внутренней поверхности наклонного ТС
- Группа опытов со средним и высоким давлением теплоносителя
Введение к работе
Произошедшая в марте 2011 г., соизмеримая с Чернобыльской трагедией, авария на АЭС «Фукусима-1» вновь подорвала позиции ядерной энергетики и вынудила правительство Германии - страны со значительной долей АЭС в общем объёме производства электроэнергии, отказаться в будущем от использования ядерной энергетики. Эта авария потребует новых эффектных доказательств безопасности АЭС, одним из основных аспектов которого является способность АЭС обеспечить отвод остаточных тепловыделений и непродолжительное расхолаживание реакторной установки пассивными средствами, то есть без использования внешних источников энергии. Это положение уже более 20 лет используется во всех российских проектах АЭС с водоохлаждаемыми реакторами.
Дополнительным требованием к российским проектам АЭС является наличие промежуточного контура между содержащим радиоактивный теплоноситель первым контуром и конечным поглотителем тепла. Обычно в качестве такого контура используется часть второго контура паропроизво-дящей установки - парогенератор (ПГ), отсекаемый от остальной части контура системой быстродействующих клапанов. К ПГ подключается отдельный контур естественной циркуляции (ЕЦ) с теплообменником конденсации пара. Название системы - система пассивного отвода тепла (СПОТ) через парогенераторы. В качестве конечного поглотителя тепла в проектах АЭП (Москва) используется воздух, окружающий АЭС, а в проектах СПбАЭП - выкипающая вода, запасённая в баках аварийного отвода тепла (БАОТ). Такие решения позволяют отказаться от отдельного проти-воаварийного промежуточного контура. Однако, включение в состав системы ПГ повышает примерно в два раза теплоёмкость системы и существенно увеличивает период расхолаживания реакторной установки (РУ). Кроме того, теплоотвод от РУ осуществляет СПОТ ПГ лишь при превышении давления теплоносителя первого контура над давлением во втором контуре, что нереально в течение первых 3-4 часов при аварии с разрывом главного трубопровода первого контура РУ проекта ВВЭР-1200.
Для устранения этих недостатков автором предлагается подключение СПОТ непосредственно к первому контуру, а в качестве промежуточного контура использовать тепловые трубы (ТТ) - систему параллельно включённых автономных элементов, способных передавать тепло на значительные расстояния (десятки метров) с малым термическим сопротивлением, не превышающим его значение для контура ЕЦ СПОТ ПГ при существенно меньшей теплоёмкости системы. Автономность каждой ТТ повышает надёжность работы состоящего из них теплообменника (ТО).
На рис. 1 приведены два варианта выполнения предлагаемой системы пассивного отвода тепла от реакторной установки (СПОТ РУ). Оба варианта включают контур ЕЦ, присоединяемый к горячей и холодной ниткам главного циркуляционного трубопровода. Этот контур ЕЦ также
включает промежуточную ёмкость, в которой расположены зоны нагрева (з.н.) ТТ, на внешней поверхности которых охлаждается теплоноситель первого контура. В режиме обесточивания этот контур ЕЦ работает в не-кипящем режиме с умеренным значениями интенсивности теплоотдачи в з.н. ТТ (ос«2 кВт/м С). При некомпенсированных разрывах контур ЕЦ переходит в пароконденсатный режим работы с конденсацией пара в з.н. ТТ при а«6 кВт/м С. Резкое повышение значения а позволяет перейти при таких авариях не только к отводу остаточных тепловыделений, но и к быстрому расхолаживанию РУ. Это изменение а, возможно, позволит отказаться от двойных параллельно включенных отсечных клапанов разного сечения, установленных на опускной линии контура ЕЦ СПОТ ПГ. Открытие того или иного клапана зависит от приведённых выше видов аварии.
Рис. 1. Варианты схемы предлагаемой СПОТ РУ. В первом варианте (левая часть рис. 1) используются полые ТТ -термосифоны (ТС) (1), зона конденсации (з.к) (2) которых выводится в БАОТ (3), то есть за пределы защитной оболочки (4). По второму варианту (правая часть рис 1) используются ТТ (5), содержащие центральную циркуляционную вставку, образующую внутри ТТ контур ЕЦ и снимающую ограничение на мощность ТС при противотоке пара и воды в едином кана-
ле. З.к. ТТ расположена в баке с охлаждающей водой (6) который соединён с БАОТ отдельным контуром ЕЦ, включающим также трубопроводы (7).
СПОТ РУ изначально заполнена водой или борным раствором и включается в режим теплоотвода открытием отсечных клапанов (8). Соприкасающаяся с теплоносителем первого контура з.н. ТТ выполняется из нержавеющей стали, а з.к. из высоко теплопроводной углеродистой стали, обладающей к тому же высокой диффузионной прозрачностью для водорода, накапливающегося в верхней части ТТ в режиме ожидания.
Наряду с вертикальным расположением ТТ и ТС или отдельных их зон необходимо рассмотрение их наклонного положения. Для СПОТ РУ необходимо рассмотреть режимы его работы как при высоком давлении теплоносителя («10 МПа), так и при относительном вакууме (Р<0,1 МПа, абс), позволяющем на конечных стадиях аварий с разуплотнением первого контура прекратить утечку из него радиоактивного теплоносителя.
Сохранение работоспособности СПОТ на проектный срок эксплуатации АЭС является обязательным требованием к этой системе.
Надёжность и эффективность длительной работы предлагаемых вариантов ТТ в широком диапазоне изменения давления в них требовало экспериментального обоснования на каналах натурных размеров. Эти требования и определили цель работы и её основные задачи:
разработка новых или расширение диапазона применения нормативных соотношений для теплогидравлического расчёта ТС и ТТ со вставкой;
обоснование сохранения теплогидравлических характеристик рассматриваемых элементов при длительном пребывании в режиме ожидания.
Актуальность выбранной темы обусловлена необходимостью обеспечения безопасности АЭС при всех возможных техногенных и природных катастрофах и их наложениях.
Методический подход, принятый в работе:
эксперименты проведены на элементах ТО (ТС и ТТ с циркуляционной вставкой) натурных размеров и реальных параметрах теплоносителя;
в экспериментах использованы современные средства измерения и регистрации параметров. Разработанные методики и измерительные системы фиксируют с требуемой точностью характеристики процессов.
предложенные физические модели и замыкающие соотношения основаны на современных достижениях в области теплообмена и гидродинамики.
Автор защищает:
предложение по СПОТ РУ с использованием в качестве промежуточного контура ТС или ТТ с циркуляционной вставкой;
экспериментальные данные по:
теплогидравлическим характеристикам и устойчивости контура ЕЦ тепловой трубы со вставкой, работающего при изменении степени заполнения и давления 0,02 - 8,5МПа, абс;
максимальной мощности наклонного ТС, работающего при высоких
давлении (р<11,5МПа) и удельных тепловых потоках в з.н. (q<366 кВт/м );
интенсивности аксиального переноса тепла по некипящей воде при её вскипании лишь в верхней части адиабатного участка (а.у.);
изменению вакуума при 15 летней работе 20 ТС, выполненных при разной технологии их изготовления;
- рекомендации по расчёту:
максимальной мощности наклонных ТС, при высоком давлении и высоких тепловых потоках на поверхности з.н.;
истинного объёмного паросодержания (ф) в вертикальном канале в области умеренного вакуума;
- рекомендации по методам обработки внутренней поверхности ТС и со
ставу добавок к заливаемой в него воде;
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложена новая схема отвода тепла от первого контура через ТС и ТТ;
экспериментально обоснованы:
надёжность и эффективность работы ТС и ТТ в широком диапазоне изменения их мощности и давления пароводяной смеси, с определением параметров области устойчивой ЕЦ теплоносителя в ТТ со вставкой;
высокий аксиальный теплоперенос по некипящей воде в з.н. и а.у. ТТ при вскипания воды лишь в верхней части а.у;
усовершенствованы соотношения для расчёта критической мощности з.н. наклонного ТС;
предложены соотношения по расчёту объёмного паросодержания (ф) в вертикальном канале в области умеренного вакуума;
на основе 15 летних ресурсных испытаний обосновано сохранение вакуума в ТС и предложена оптимальная технология предварительной обработки внутренней поверхности ТС и пассивирующих добавок к воде.
Достоверность научных положений и выводов по работе основывается на экспериментальном исследовании натурных элементов при натурных параметрах с использованием современной измерительной техники. Предложенные замыкающие соотношения, в основном, базируются на результатах экспериментов, проведённых автором на ряде моделей и на опытных данных отечественных и зарубежных исследователей.
Практическая ценность: результаты работы рекомендуется использовать при разработке пассивных систем расхолаживания реакторных установок и охлаждения систем с радиоактивными или токсичными продуктами, так, они были использованы в реализованных проектах котлов-утилизаторов, разработанных в ООО "Техуглерод", г. Ярославль.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и расчётных разработок, выполненных автором самостоятельно и совместно с сотрудниками лаб. №106 ОАО «НПО ЦКТИ». При этом автору принадлежит создание двух экспериментальных установок, проведение экспериментов на этих установках, анализ результатов
экспериментов и разработка предлагаемых физических моделей и соотношений. Автором последние 6 лет проводятся ресурсные испытания 20 ТС, проанализированы их результатов и даны перечисленные рекомендации.
Апробация результатов работы. Результаты работы представлялись на всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов XXXIV НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ 28.11-3.12.05, СПб; международных студенческих научных конференциях «Полярное си-яние-2006» 30.01-4.02.06, «Полярное сияние-2007» 28.01-4.02.07, ГРОЦ, СПб; 5-ой международной Балтийской конференции по Теплообмену 19-21.09.07, СПбГПУ, СПб; молодёжной научно-технической конференции "Эксперимент-2010" 19-20.05.10, ОАО "ОКБМ-Африкантов", Нижний Новгород; Пятой российской национальной конференции по теплообмену, 25-29.10.10, МЭИ(ТУ), Москва; Международном молодежном научном форуме "Ядерное будущее", 25-27.04.11, УМЦ "Голицино", Москва; НТС ОАО "НПО ЦКТИ" 28.10.11, СПб.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 10 печатных работах, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация содержит 110 страниц основного текста (введение, 6 глав с выводами, заключение по работе), 34 рисунка, 9 таблиц. Список литературных источников содержит 60 наименование (без трудов автора). Общий объем диссертации 149 страниц.
Методика обработки экспериментальных данных
Таким образом, все системы пассивного отвода остаточных тепловыделений можно дифференцировать по нескольким признакам: — по типу подключения системы относятся на подключаемые к первому или второму контуру. Подключение непосредственно к первому контуру выбрано разработчиками как одноконтурных установок типа BWR (ABWR-JI, AHWR, ESBWR, RMWR, SBWR, S WR 1000), так и двухконтурных PWR: APG0Q( 1000) и интегральный CAREM. Большинство же реакторов типа PWR. (Российские ВВЭР-640П000/В392, 1200), ВБЭР-ЗОО(бОО), КЛТ-40С и зарубежные APWR+, интегральные iMR, IRIS, SMART) отводят тепло от активной зоны используя второй контур, Достоинством первого варианта является высокая эффективность, так как тепло остаточных тепловыделений отводится непосредственно к конечному поглотителю, а при течи мерного контура отсутствует необходимость расхолаживания второго контура до температуры ниже температуры первого контура, чтобы система начала работать {в РУ типа PWR). Главным же достоинством второй схемы является наличие дополнительного барьера между радиоактивным теплоносителем и конечным поглотителем тепла, что является обязательным условием для Российских ЯЭУ. В то же время при такой схеме система должна также расхолодить парогенератор и часть второго контура, которые обладают высокой теплоёмкостью (й реакторах не интегральной компоновки), что заметно снижает её эффективность. - по конечному поглотителю системы делятся па охлаждаемые воздухом или водой. Воздухоохлаждасмы схемы (ВВЭР-1000/В392, ВВЭР-1200(НВАЭС-2)) являются скорее исключением, поскольку, несмотря на явное преимущество практически неограниченное время автономной работы, связанное с отсутствием расходования конечного поглотителя - они обладают высокой материалоёмкостью. Теплоотдача при естественной тяге воздуха на два - три порядка ниже, чем к кипящей воде+ Это обуславливает большую тешюобменную поверхность и высокие тяговые грубы для организации воздушного потока в подобных системах. Поэтому большинство рассматриваемых систем используют в качестве конечного поглопгтеля коду атмосферного давления. Существенным недостатком такой системы является ограничение во времени автономной работы, связанное с выпариванием воды и необходимостью её пополнения, что не всегда возможно даже через несколько суток после аварии. Отдельно стоит отметить два проекта: SCOR и TMR, реализующие комбинированную схему, но существенно отличающиеся друг от друга. Общей их чертой является возможность отводить тепло как к выпаривающейся воде, так и к воздуху. Это обеспечивает высокую эффективность теплоотвода в начальный период, когда мощность остаточних тепловыделений высока, а по мере ей снижения и выкипания запасённой воды -в работу вступают воздушные теплообменники окончательно расхолаживающие РУ. Принципиальным же их различием является схема комбинирования. В проекте SCOR предпочтение отдано распараллеливанию теплообменников: имеется 4 петли с водяным охлаждением и 12 - с воздушным. В то же время в IMR применён последовательный подход: имеется U-образная емкость, предварительно заполненная водой, одна часть которой выше другой, и в нижней части ее расположен теплообменник аварийного расхолаживания. После выкипания имеющегося запаса воды, оба канала емкости соединяются. Более высокая часть ёмкости над теплообменником образует тяговый участок, интенсифицирующий ноток воздуха через теплообменник. Данная идея не нова, в СССР она защищена авторским свидетельством №1632245. за 1990г и принадлежит коллективу (авторы Валунов Б.Ф., Благовещенский А.Я., Таранов Г. С. и др.). - по расположению аварийных теплообменников системы разделяются на схемы с наружным и внутренним размещением относительно защитной оболочки. Очевидно, что воздухоохлаждаемые теплообменники должны иметь наружное размещение. В то же время во многих водоохлаждаемых схемах запас воды расположен внутри здания. Это связано с компоновочными решениями и стремлением минимизировать число проходок сквозь стенку контейнмента или реакторного здания, а также с использованием одного большого бассейна расположенного в верхней ЧИСТИ гермообъёма (ГО) для различных аварийных систем. Однако такое расположение ємкостей имеет весьма существенные недостатки. Так, при невозможности .запустить системы резервного питания или подвести электричество извне, при полном обесточивай и и станции. додал и о этих ёмкостей может быть затруднен, тогда как время автономной работы данных систем варьируется от 24 до 72 часов. В то же время, при работе эти системы генерируют большое количество пара, что приводит к запариванию помещений реакторного здания или дополнительному повышению давления внутри ГО и увеличивает нагрузку на системы снижения давления в нем. При внешнем же расположении баков аварийного запаса воды возможно их заполнение даже при невозможности запустить станционные насосы, например с пожарных машин или сбросом с авиационной техники.
Таким образом, видно, что проектные организации всех стран участниц ядерного клуба ведут работу в поправлении повышения уровня безопасности за счёт внедрения в проекты пассивных систем безопасности включающихся в работу в аварийных режимах при отсутствии электропитания собственных нужд и позволяющих либо выиграть время, необходимое дли принятия экстренных мер, либо уменьшить ущерб станции и смягчить последствия запроектпой аварии. С другой стороны заметен излишний консерватизм н предлагаемых решениях, отсутствие оригинальных идей, а иногда и число формальный подход к обоснованию подобных систем.
Определение условий ухудшения охлаждения высоко теплонагруженной зоны нагрева наклонного термосифона. Определение минимально допустимой степени водяного заполнения ТС.
При наличии "острой кромки" (резкого уменьшения проходного сеченин на входе Б г.к.) его критическая мощность соответствует расчету по (4,2 при А=0,45) и участок 1 практически отсутствует; на участке 2 (zMlxn z z„) наблюдается барботажиая конденсация, описанная выше; - на участке 3 (zc z zfS) находится: недогретая вода. Степень ее нелогрева увеличивается по высоте. Этот участок является паразитным, т.е. увеличение его длины не приводит к росту расхода конденсируемого пара, а лишь увеличивает степень переохлаждения конденсата у верхнего торца і.к. Последнее было продемонстрировано пониженными показаниями термопар tg„; tjjB (см рис 2.1) по сравнению с температурой насыщения.
В термосифоне, особенно вертикальном, где yxyfliiieFiHe охлаждения з.н, происходит лишь при малой степени её заполнения пароводяной смесью (см выше, подраздел 4.1), при достаточной степени общего заполнения ТС в относительно широком диапазоне изменения его мощности (N), стационарный режим "захлебывания" при G G2 устанавливается автоматически, но па разном уровне давления. Он не связан с ухудшением охлаждения з,н, и характеризуется кольцевым противоточным режимом течения вне а.у. и наличием областей пузырькового течения в з.к. и злі.
Динамика перехода от пленочного режима к конденсации при "захлебывании" следующая: при превышении, по различным причинам, мощностью конденсатора значения NKp нарушается баланс между противоточным и расходами пара и конденсата в сторону G3 GL. В з.к. происходит накапливание конденсата, его охлаждение ниже температуры насыщения в верхней части B.K.J ЧТО ведет к снижению её мощности до стационарного значения, соответствующего NK]n (с возможным повышением давления в ТС), что приводит и к росту температурного перепада между теплоабмеїшвающими средами.
В рассматриваемой работе недостаточная длина а.у. и необходимость полного заполнения з.н пароводяной смесью в режиме «захлёбывание» не позволила организовать стационарные режимы «захлебывания» с малым переохлаждением конденсата у верхнего торца з.к. Малый угол наклона ТС не позволял и организовать режим барботажпой конденсации па всей длине з.к. Поэтому рассматривалась лишь плёночная конденсация, для её осуществления при отсутствии ухудшении охлаждения з.н. масса воды и ТС составляла 0,9-0,95кг, и ургшеш. пароводяной смеси не доходи;? до з.к.
Интенсивность теплоотдачи при пленочной конденсации и заглушённых сверху вертикальных каналах исследовалась в работах [36; 45: 46] для вертикальных труб и ь [47; 48] для труб, наклоненных па 45. В работах [36; 45] эксперименты проводились на немодерншированноЙ модели 2 (отсутствие циркуляционной вставки и меньшая на 0,36м высота а.у), имеющей три отрезка з.к. с замером перепада статического давления по высоте каждого отрезка Это позволяло определить высоту физического уровня в з.к. ns располагая его над верхней Границей з-к, определять на основе опытных данных среднее значение коэффициента теплоотдачи при полной барботажной конденсации пара в з.к, Поэтому в настоящей работе рассматривалась лишь плёночная конденсация, Масса воды в ТС составляла 0,9-0,95кг и при полном заполнении з.н. пароводяной смесью её уровень не доходил до з.к. В работах [36; 45] рассмотрена и интенсивность теплоотдачи при этом виде конденсации в вертикальном ТС. Восходящий паровой поток деформирует профиль скоростей стекающей пленки конденсата, утолщая ее, что, согласно Предположения Кутателадзе С.С. [44], ведет к снижению значения а. Однако, согласно данным [49; 50], при значительных скоростях пара, помимо SM утолщения водяной пленки, инициируется значительное волнообразование на ее поверхности, распространяющееся в глубь пленки, что вызывает дополнительную турбулизацню пленки с возможным ростом а. При определенном значении скорости пара пленка роды теряет устойчивость, и наблюдается описанное выше явление "захлебывание". В связи с изложенным в работе [45] обобщение экспериментальных данных по средним значенням коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации в вертикальных ТС проводилось в ииде зависимости —= f(K;), где н0 - коэффициент ее, теплоотдачи, рассчитанный по соотношению (4.9) Величина ац использовалась в качестве масштаба интенсивности теплоотдачи, а значение К2 = , характеризует влияние встречного потока пара иа гидродинамику стекающей пленки конденсата. Па рис. 4.4 представлены результаты обработки опытных данных [45], которые обобщаются следующими соотношениями:
Определение коэффициента теплоотдачи при плёночной конденсации пара на внутренней поверхности наклонного ТС
Выход потока осуществлялся в гранитационный сепаратор с резким увеличением диаметра канала. Этот выход с потерей динамического напора потока являлся "генератором возмущения", который разрушал мстастабилъное состояние воды (ликвидировал ее перегрев) в пределах тягового участка на определенном расстоянии z от его выходного сечения. С увеличением перегрева воды относительно температуры насыщения при давлении в сепараторе (С,"7) происходило увеличение значения , т.е. удаление сечения срыва перегрева от выходного сечения вниз гго тяговому участку. Приведенное объяснялось ослаблением влияния "генератора возмущения1 при удалении от него вверх по потоку. Максимальные величины Stllcp = lif ", на основе которых и были разработаны расчетные рекомендации [3], достигались при z = 0.6 н. В настоящем исследовании "генераторами возмущения" являлись: - расположенная ниже з.н., в пределах которой имело место поверхностное кипение воды, тогда как в [3] з.н. была расположена ниже сечения срыва перегрева на 15-20 мив пределах нес поверхностное кипение воды не происходило. В настоящем исследовании з.н. удалена от сечения срыва перегрена не более чем на 0.5-0.6 м) - верхняя часть а.у., где происходило вскипание воды и з.к., в пределах которой происходила конденсация паровых включении в потоке воды, охлажденной на внешней теплоотдаюшен поверхности канала. Данный процесс, согласно данным [63; 64], характеризуется высокой степенью турбулизации потока. З.к. удалена от сечения срыва перегрева не более чем на 1м. Сочетание действия приведенных "генераторов возмущения" нв позволяло здесь достичь таких высоких перегревов воды, как в экспериментах [3], Расход ЕЦ теплоносителя соответствовал скорости циркуляции в подъемном кольцевом зазоре w,, = 0.2-0.5 м/с. Он увеличивался при снижении степени заполнения модели (увеличении доли объема подъемного кольцевого зазора, занятого парам) и росте давления, происходящем при увеличении мощности з«н. (и сохранении расхода и входной температуры охлаждающей воды). Последнее связывается со снижением гидросопротнвленип двухфазной смеси при росте давления в рассмотренных здесь пределах.
Расход ЕЦ теплоносителя также соответствовал расчётной величине при определении гидросопротивлепия пароводяного потока по рекомендациям [32], принятии перегрева поды на а.у. кольцевого зазора, равным otjrep=:2K, и определении объёмного паросодержания пароводяного потока (tp) по предложенным ниже соотношениям (5.6-5.13).
Практически во всех опытах как при дисперснокольцевой (ф=0,8-],0), так и с дискретными (ф 0 8) структурами двухфазного потока и верхней части а.у. наблюдалась устойчивая ЕЦ. Подобное имело место в опытах с крупномасштабной моделью контура ЕЦ реактора ЛСТ-500 [65] и в экспериментах [55] с расположением конденсатора в верхней части подъемной ветви отдельного контура ЕЦ высотою 18 м. Во всех этих работах устойчивость ЕЦ обеспечивалась при организации конденсации пара в верхней части подъемной ветви контура ЕЦ и не обеспечивалась при конденсации пара в опускной ветви КЕЦ (отдельные серии экспериментов [66]) или за пределами КЕЦ а расположенном выше паровом сепарационном объеме (серия экспериментов [65]). При этом шайбованис опускной ветви контура ЕЦ не устраняло данный вид неустойчивости.
Настоящее исследование, в отличие от [65; 6й] выполнена при существенно более низком давлении пароводяной смеси, что должно было ухудшить устойчивость, Однако, нарушение устойчивости ЕЦ имело место лишь двух случаях;: при умеренной мощности з.н., когда кипении воды лишь в верхней части а.у. Этот режим характеризовался пульсациями давления pucpi = 50±3 кПа (абс); скорости циркуляции в кольцевом зазоре Wo - 0.06-0.17 м/с; паросодержания на верхнем отрезке а-у, р,= [0- (0.1-0J8)] и температуры теплоносителя ±1.5 К практически по всей высоте подъемного кольцевого зазора. Длина участка с двухфазной смесью и а.у. изменялась от 0 до 0.4І м. Период пульсаций составлял 75-90 с. При этом большую часть периода пульсаций имели место минимальные значения щ; Ц; ?,. Максимальные значения этих параметров, а также давления достигались практически одновременно, т.е. без сдвига по фазе. Подобные пульсационные режимы при таких же давлениях (р№цф!, — 45-100 кПа. абс) наблюдались в экспериментах с контуром ЕЦ модели охлаждения вакуумной камеры ИТЭР [3], сведения о которой приведены выше. — при промежуточной степени заполнения контура ЕЦ подой ( u=Vt/Vy =0,76, что соответствовало начальному её расположению ниже верхней кромки внутренней цилиндрической вставки на 0,26м) в некоторых экспериментах, проведенных при низких мощностях з.тт. (см таблшгу 5,2), имел место тгульсационный режим с переходом от барботажа пара к ЕЦ теплоносителя. Период пульсаций 180с. Пульсации характеризовались изменением параметров теплоносителя в следующих пределах: давление 22-29кПа: расход ( 0,08Н0,22кг/с; [wQ=(-0,U8) -н0,21)м/с]; р; -0-0,3; р2 ="0-0,1. Переходы от ЕЦ к барботажу (и обратно) вызывали большие амплитуды пульсаций температур теплоносителя, особенна значительные, в районе з.к. Так термопара tj, расположенная под з.к., фиксировала изменения в пределах (44-69)C.
Группа опытов со средним и высоким давлением теплоносителя
Для обоснования надёжности и эффективности работы промежуточного контура предлагаемой системы и для разработки методики теплогидравлнческого расчёта этого контура созданы три экспериментальных установки сТТ разной конструкции: - слабоотклонённая от горизонтали полая ТТ - термосифон натурных размеров, работающая при высоких удельных тепловых потоках в зонах нагрева и конденсации; - вертикальная ТТ с внутренней концентрической трубной вставкой, позволяющем организовать внутри ТТ контур ЕЦ и повысить сё максимальную мощность по сравнению с термосифоном. На приведённых двух установках проведены экспериментальные исследования теплогидравлнческнх характеристик указанных ТТ в широком диапазоне давления пароводяного теплоносителя (0,02-11,7 МПа, абс) и высоких удельных тепловых потоках на внутренней поверхности зон нагрева (q 366 кВт/м2) и конденсации (q 687 кВт/м2); - установка для ресурсных испытаний, включающая 20 термосифонов натурных размеров, при изготовлении которых использованы разные методики пассивации их внутренней поверхности, разные пассивирующие добавки к воде, частично заполняющей объем термосифонов, (ТС) разные степени начального вакуумироваїшя ТС. Установка непрерывно находится в режиме высокотемпературных (250-270С) испытаний в течение 15 лет (125,3-132 тысячи часов). 4. На основе обобщения результатов проведенного экспериментального исследования теплогндравлических характеристик наклонного термосифона и ТТ с циркуляционной вставкой: - обоснована надёжность и эффективность работы обоих видов ТТ, включая режимы 80% вакуума внутри ТТ; - определены условия нормального охлаждения з.н. наклонного ТС при пузырьковом кипении на его внутренней поверхности: - нахождение всей з.н. ТС под физическим уровнем пароводяной смеси; не превышение мощностью з.н. значений, вызывающих кризис сепарации пара у верхней образующей ТС с образованием заметной паровой прослойки или кризис «захлёбывания» - гидродинамический кризис противоточных потоков пара и воды. Предложены соотношения для определения значений тепловых потоков, вызывающих эти кризисные явления; - предложено соотношение для расчёта среднего значения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара внутри заглушённого сверху наклонного канала; - определено влияние степени вакуум ирования ТС на интенсивность теплопереноса в его зоне конденсации. Для эффективной работы предлагаемого промежуточного контура СПОТ со снижением давления в РУ ниже атмосферного значения, необходимо 96 процентное предварительного вакуумирование ТС; - продемонстрирована возможность «некипящей работы» зоны нагрева (з.н.) вертикального термосифона значительной высоты (п=3м) при весьма высоких значениях коэффициента эффективной аксиальной теплопроводности (Хэф 5,7 МВт м-К), если над этой «некипящей» з.н. расположен участок с барботажем пара, а на теплоотдающей поверхности з.н. имеет место даже неразвитое поверхностное кипение воды; - продемонстрированы высокие циркуляцнонно-мощностные характеристики и устойчивая ЕЦ пароводяного теплоносителя в вертикальной ТТ с центральной циркуляционной вставкой при расположении зон нагрева и конденсации., соответственно, в нижней и верхней части концентрического кольцевого зазора, т.е. в подъёмной ветви контура ЕЦ. Приведённое справедливо и для области относительного вакуума (Рверх 22 кПа, абс); - предложены соотношения, для расчёта истинного объемного паросолержання ( р) в вертикальных концентрических кольцевых каналах. охватывающие область низких избыточных давлений и «умеренного вакуума» (р 22 кПа, абс.) практически для всего возможного диапазона значений р=0.22 0,92. 5. впервые в мировой практике проведены 15 летние (125,3-132 тысячи часов) ресурсные испытания 20 термосифонов (ТС). Уникальными являются натурные размеры ТТ (диаметр 45мм; длина 5м), повышенные температура пароводяного теплоносителя в ТС (250-270 С), а также применение разных сочетаний методов предварительной химической, механической и термической обработки внутренней поверхности ТС, а также состава водного раствора, заливаемого в ТС. Уникальным является и разработанный термический метод определения степени вакуумирования штатной ТТ без её разгерметизации. На основе анализа результатов проведенных испытаний отмечается следующее: - из 20 ТС, прошедших после изготовления контроль вакуума, все сохраняют высокий вакуум (87-97%). Изменение вакуума в ТС за период испытаний, в основном, находится в пределах погрешности определения величины вакуума используемым методом (±1%).. Столь незначительные изменения вакуума ни в коей мере не сказывается на тепловых характеристиках ТС; - предложен оптимальный вариант технологии изготовления ТС: зона конденсации выполняется из труб (Сталь20), выполненных по ТУ І4-3-І90. Эти трубы имеют плотную тёмную поверхность (Fe203) и не требуют её пассивации. Сталь 20 обладает повышенной диффузионной проницательностью для ворода и обеспечивает при низком водородоеодержании ( 0,3%) в паровом обьёме ТС динамическое равновесие между массой водорода, выделившейся при коррозийных процессах внутри ТС и массой водорода, продиффундировавшей наружу через стенку ТС. Частичное заполнение ТС рекомендуется проводить дистиллятом с добавкой к нему хроматов: (К2СЮ4 ) -0.5г/л + аммиак (NH3) - 1мг/л.
