Содержание к диссертации
Введение
1. Задачи исследования теплообмена и гидродинамики в элементах оборудования вертикального контейнера.. 16
1.1. Описание вертикального контейнера и процессов теплообмена в условиях естественной циркуляции теплоносителя 16
1.2. Основные положения методики расчета водоза-полненного контейнера 19
1.3. Основные особенности расчета газонаполненного контейнера 21
1.4. Обзор исследований и анализ вязкостно-гравитационного течения около вертикальных поверхностей и в вертикальных каналах 24
2. Анализ естественной циркуляции теплоносителя в системе вертикальных каналов 44
3. Измерение перепада давления в вертикальных каналах при естественной циркуляции газового теплоносителя 52
3.1. Особенности измерения перепада давления в системах с естественной циркуляцией 53
3.2. Экспериментальное исследование "адиабатического" канала 56
3.3. Методика обработки опытных данных и оценка погрешности измерения перепада давления
4. Описание экспериментальных установок 66
4.1. Конструкция экспериментальных установок и измерительных устройств 116
4.2. Анализ и методы обработки экспериментальных данных
4.3. Погрешности измеряемых и расчетных величин 119
5. Результаты исследования процессов теплообмена и гидродинамики в условиях естественной циркуляции газового теплоносителя 126
5.1. Анализ изменения профилей температуры в кольцевых каналах в условиях вязкостно-гравитационного течения газа 127
5.2. Теплообмен в вертикальных каналах 132
5.3. Гидравлическое сопротивление вертикальных каналов 143
6. Методика теплового расчета вертикального контейнера с газовым теплоносителем 158
6.1. Основные положения 158
6.2. Расчет циркуляционного контура 160
6.3. Расчет средних по высоте температур теплоносителя 163
6.4. Расчет расхода теплоносителя и максимальной температуры оболочек твэл 165
6.5. Расчет теплопередачи через крышку контейнера 168
6.6. Расчет лучистого теплового потока от сборок к корпусу контейнера 170
6.7. Алгоритм теплового расчета контейнера 171
6.8. Расчет максимальной температуры наружной поверхности корпуса контейнера 174
6.9. Сравнение результатов расчета контейнера ТК-6 с данными натурных испытаний 179
Заключение 190
Литература 194
Приложение I. Тепловой расчет контейнера ТК-6 200
Приложение 2. Таблицы основных экспериментальных данных 211
- Описание вертикального контейнера и процессов теплообмена в условиях естественной циркуляции теплоносителя
- Анализ естественной циркуляции теплоносителя в системе вертикальных каналов
- Особенности измерения перепада давления в системах с естественной циркуляцией
- Конструкция экспериментальных установок и измерительных устройств
- Анализ изменения профилей температуры в кольцевых каналах в условиях вязкостно-гравитационного течения газа
Введение к работе
Народнохозяйственными и целевыми программами развития науки и техники [J,2] предусмотрено ускоренное развитие атомной энергетики, которая в ближайшие 2*3 пятилетки внесет существенный вклад в прирост энергетических мощностей страны. В настоящее время в СССР сооружаются и проектируются новые мощные атомные электрические станции, а также станции, предназначенные для выработки технологического и бытового тепла. Большая часть этих станций будет построена в Европейской части СССР, где сосредоточено 70% населения и где недостаток энергии ощущается особенно остро.
Увеличение масштабов производства энергии на атомных электростанциях требует развития соответствующей топливной базы. До сих пор для производства ядерного топлива использовался в основном природный уран, запасы которого ограничены. В то же время во всех действующих реакторах протекают ядерные реакции с образованием новых радиоактивных веществ, которые наряду с невыгоревшей частью основного делящегося вещества ( U ) могут быть использованы при производстве ядерного топлива. Для этого отработавшее в реакторе топливо должно быть подвергнуто радиохимической переработке на специальных заводах [3]. Таким образом, появляется возможность создания замкнутого ядерного топливного цикла, в частности, с использованием реакторов на быстрых нейтронах, способного обеспечить атомные станции топливом в течение многих столетий [4] .
Отработавшее ядерное топливо, выгруженное из реактора и помещенное во временное хранилище, обладает высоким уровнем радиоактивности и тепловыделения. После выдержки, определяемой временем распада большей части коротко живущих радионуклидов, это топливо может быть отправлено для переработки.
В настоящее время отработавшее топливо выдерживается на станции до 3-х лет, хотя оптимальный срок выдержки для реакторов на тепловых нейтронах составляет примерно 100 суток [5J. Трехлетняя выдержка увеличивает длительность внешнего топливного цикла и количество используемых делящихся материалов, но облегчает задачу транспортирования отработавшего ядерного топлива с пониженным уровнем радиоактивности и остаточного тепловыделения. С вводом в строй реакторов на быстрых нейтронах и созданием замкнутого топливного цикла планируется уменьшить время выдержки отработавшего ядерного топлива до I года и меньше [3] , что приведет к необходимости транспортирования отработавших сборок с высоким уровнем радиоактивности и тепловыделения.
Для целей транспортирования создаются специальные контейнеры, которые должны обеспечить: ядерную безопасность; радиационную защиту от всех видов ионизирующего излучения; герметичность как в нормальных, так и в аварийных (столкновение транспортных средств, падение с высоты, попадание в очаг пожара и т.д.) условиях транспортирования; сохранность сборок как в нормальных, так и в аварийных условиях (температура оболочек твэлов должна быть ниже предельно-допустимой) ; безопасный уровень температур (для обслуживающего персонала) на наружных поверхностях транспортного средства.
В нашей стране применение получили контейнеры, ориентированные на..перевозку по железным дорогам. Контейнер представляет собой толстостенный (350 мм) стальной сосуд, вес которого приближается к 100 тоннам, поэтому для его перевозки пригодны только специальные многоосные вагоны. Во внутреннюю полость контейнера устанавливается чехол, загруженный отработавшими сборками, после чего контейнер закрывается крышкой.
Для транспортирования сборок длиной свыше 3,6 м используются горизонтальные контейнеры. Остальные типы сборок (сборки реактора ВВЭР-440 и половинки сборок реакторов типа РБЖ) транспортируются в вертикальных контейнерах, которые позволяют загрузить большее количество топлива [3] , что определяется особенностями конструкции сборок и способом расположения их в чехле.
При транспортировании сборок с кожухами в горизонтальном контейнере тепло, выделившееся в твэлах, сначала должно быть передано кожуху каждой сборки, а затем от кожухов сборок -корпусу контейнера (см.рис.І). В вертикальном контейнере в процессе переноса тепла участвует один контур естественной циркуляции с подъемным движением в сборках и опускным - в кольцевом зазоре между чехлом и внутренней поверхностью корпуса.Поэтому в вертикальном контейнере термическое сопротивление процессу передачи тепла от твэлов к корпусу несколько меньше. К другим достоинствам вертикальных контейнеров можно отнести хорошую технологичность изготовления продольного оребрения и простоту обслуживания, поскольку контейнеры этого типа не нужно кантовать при проведении погрузо-разгрузочных операций.
В настоящее время вертикальные контейнеры обеспечивают весь объем перевозок отработанного топлива от реакторов ВВЭР-440, работающих как в нашей стране, так и за рубежом. Начато производство усовершенствованного вертикального контейнера ТК-П, рассчитанного на транспортирование сборок от реакторов ВВЭР-440 и РБЖ.
В качестве теплоносителя внутри контейнера может приме-
Рисі. Схемы естественной циркуляции теплоносителя: а) вертикальный контейнер ТК-6; б) горизонтальный контейнер ТК-10. няться вода или газ, причем, согласно Правилам МАГАТЭ Сб], допустима только естественная'циркуляция теплоносителя внутри контейнера.
Вода обеспечивает высокую эффективность передачи тепла остаточного тепловыделения от твэлов к корпусу контейнера. Однако, при попадании в очаг пожара термическое расширение воды может привести к чрезмерному увеличению давления ( Р> 1,0 МПа), следствием чего будет разгерметизация контейнера и утечка радиоактивной воды.
В условиях "сухой" транспортировки при заполнении контейнера газом последствия аварийных ситуаций, связанных с попаданием в очаг пожара, как правило, значительно менее опасны. Недостатком "сухой" транспортировки является пониженная эффективность теплообмена в условиях естественной циркуляции газового теплоносителя, что даже при сравнительно низком суммарном остаточном тепловыделении сборок (І2-Ї-І5) кВт может привести к перегреву оболочек твэлов в нормальных условиях транспортирования. По существующим нормам температура циркониевых оболочек не должна превышать 300С, а из нержавеющей стали - 6500.
Тенденция развития ядерной энергетики состоит в увеличении глубины выгорания топлива и сокращении времени выдержки сборок на АЭС, поэтому в скором времени возникнет необходимость перевозки сборок с большим остаточным тепловыделением C3J . В целях снижения уровня температуры твэл следует обеспечить интенсификацию процессов теплообмена внутри контейнера. Одним из путей решения этой задачи может быть повышение давления газа, чему способствует конструкция контейнеров, рассчитанных на обеспечение герметичности внутренней полости при давлении теплоносителя Р< (0,7*1,0) МПа.
Повышение давления газа сопровождается усилением влияния - ІЗ - гравитационных сил, что в условиях теплообмена среды со стенками каналов приводит к развитию вязкостно-гравитационного режима течения, характеризующегося не только интенсификацией процессов теплообмена, но и увеличением гидравлического сопротивления каналов. Необходимость учета этих эффектов затрудняет проведение теплогидравлического расчета контейнера, целью которого является определение максимальной температуры оболочек твэл, корпуса и крышки контейнера.
На температурные условия в газонаполненном контейнере наряду с процессами конвективного теплообмена оказывают влияние процессы радиационного теплообмена между сборками и внутренними поверхностями корпуса и крышки контейнера. Таким образом, создание методики теплового расчета газонаполненного контейнера требует решения задачи сложного радиационно-конвективного теплообмена.
В процессе теплового расчета кроме максимальной температуры оболочек твэл необходимо определить максимальную температуру наружной поверхности контейнера, величина которой, сог- -ласно Правилам МАГАТЭ,не должна превышать 355 К (82С). Расчет максимальной температуры наружной поверхности связан с решением задачи теплопроводности в толстостенном цилиндрическом корпусе при неравномерном по высоте теплоподводе за счет конвекции и теплового излучения.
Таким образом, разработка методики теплового расчета газонаполненного контейнера, являющаяся основной целью настоящей работы, связана с решением нескольких теплофизических задач. Из них можно выделить задачу расчета естественной циркуляции теплоносителя, как наиболее трудную и требующую специального исследования.
В первой главе диссертации рассмотрены особенности про- - 14 -цессов теплообмена и гидродинамики, присущие вертикальному газонаполненному контейнеру, а также приведен обзор работ, посвященных исследованию такого рода процессов.
Во второй главе дано математическое описание циркуляции теплоносителя в системе параллельных каналов и проанализированы характерные особенности естественной циркуляции газа внутри вертикального контейнера.
В третьей главе рассматриваются особенности измерения перепада давления по высоте вертикального канала в условиях естественной циркуляции газового теплоносителя и приводится описание предложенного в настоящей работе метода измерения перепада давления с помощью "адиабатического" канала, а также результаты экспериментальных исследований и оценка погрешности измерения.
Четвертая глава посвящена.описанию конструкций экспериментальных установок, анализу экспериментальных данных и методам их обработки.
В пятой главе приведены результаты измерений температурных профилей в поперечном сечении вертикальных каналов при вязкостно-гравитационном течении газа, а также соответствующие экспериментальные зависимости по местной и средней теплоотдаче и по средним гидравлическим сопротивлениям вертикальных каналов с различной геометрией поперечных сечений и условиями теплообмена .
В шестой главе излагается методика расчета вертикального газонаполненного контейнера, включающая расчет циркуляционного контура, определение средних и максимальных температур корпуса, теплоносителя и оболочек твэл. Проводится сравнение расчетов, выполненных по предложенной методике, с результатами натурных испытаний вертикального контейнера ТК-6 на Кольской АЭС, проведенных совместно ВНИГМЭТ, 101 и 103 лабораториями 10 отдела НПО ЩТИ.
В приложении к диссертации приведен пример теплового расчета вертикального газонаполненного контейнера ТК-6.
Описание вертикального контейнера и процессов теплообмена в условиях естественной циркуляции теплоносителя
Вертикальный контейнер для транспортирования отработавшего топлива представляет массивный цилиндрический сосуд с герметически закрывающейся крышкой (см.рис.1.1). Во внутреннюю полость его устанавливается чехол, служащий для размещения сборок и их дистанционирования. Мзжду наружной поверхностью чехла и внутренней поверхностью корпуса контейнера имеется узкий кольцевой зазор, обеспечивающий условия для естественной циркуляции теплоносителя и свободное перемещение чехла при загрузке-выгрузке. Наружная поверхность корпуса имеет продольное оребре-ние для улучшения условий отвода тепла.
После загрузки в контейнер сборок с временем выдержки, обеспечившим снижение радиоактивности и остаточного тепловыделения до необходимого уровня, в его полость подается теплоноситель (вода или газ), после чего контейнер герметизируется.
Спустя некоторое время внутри контейнера устанавливается стационарный режим, при котором все тепло остаточного тепловыделения передается корпусу и крышке и отводится в окружающую среду. В передаче тепла принимает участие теплоноситель, т.к. в контейнере возникает контур естественной циркуляции. Подъемной ветвью этого контура является внутрисборочное пространство, а опускной - кольцевой зазор между корпусом и чехлом.
При использовании в качестве теплоносителя воды обеспечивается эффективный теплосъем остаточного тепловыделения сборок и передача этого тепла корпусу. Поэтому температура твэлов в водозаполненном контейнере всегда остается значительно ниже, чем их рабочая температура в активной зоне реактора.
В газонаполненном контейнере естественная циркуляция теплоносителя обеспечивает перенос только части тепловыделения сборок. Остальная часть передается за счет теплового излучения от твэлов кожухам сборок, затем чехлу, играющему роль теплового экрана, и корпусу контейнера. Некоторая часть тепла передается радиацией на крышку контейнера.
Суммарная теплоотдающая поверхность твэл во много раз превышает тепловоспринимающую поверхность корпуса. Поэтому основная часть термического сопротивления (температурного перепада) процессу естественно-конвективного теплообмена между сборками и корпусом сосредоточена в кольцевом зазоре, играющем роль опускного канала. Проходное сечение кольцевого зазора также много меньше суммарного проходного сечения сборок и, следовательно, основная часть движущего напора расходуется на потери в опускном канале. Таким образом, расчет процессов, протекающих в опускном канале, является ключевым в тепловом расчете контейнера. В связи с этим исследованию теплообмена и гидродинамики в вертикальном кольцевом канале было уделено большое внимание.
Анализ естественной циркуляции теплоносителя в системе вертикальных каналов
Сборки и кольцевой зазор между чехлом и корпусом контейнера образуют систему вертикальных каналов, по которой циркулирует теплоноситель. Роль раздающего коллектора системы играет межсборочное пространство в окрестности днища, а собирающего -свободное пространство под крышкой контейнера.
Естественная циркуляция теплоносителя в такой системе характеризуется некоторыми особенностями, которые следует учитывать при проведении теплогидравлического расчета.
Рассмотрим систему, состоящую из /Z вертикальных каналов (один опускной, а остальные /1-і - подъемные) одинаковой длины /і и двух горизонтальных коллекторов, имеющих по сравнению с каналами большое проходное сечение. Стационарное течение теплоносителя в любом вертикальном канале с постоянным поперечным сечением ( F-COttst(X)) описывается с помощью уравнения.
Особенности измерения перепада давления в системах с естественной циркуляцией
Исследования естественной циркуляции газового теплоносителя на установке, имеющей один опускной и два подъемных канала (см.главу 4), позволили экспериментально проверить выполнение условия (2.6). На рис.2.2 приведено сравнение температурных режимов двух подъемных каналов одинаковой конструкции (см. рис.4.4), но с различным тепловыделением. В первом канале теплоноситель получал примерно в 3 раза больше тепла, чем во втором. Несмотря на это, температуры теплоносителя / по высоте каналов возрастали почти одинаково (см.кривые 4 и 8):
На выходе из каналов температуры теплоносителя также отличались незначительно.
В вертикальном контейнере типа ТК-6 основная доля сопротивления естественно-циркуляционному движению теплоносителя сосредоточена в опускном канале, представляющем узкую щель между чехлом и корпусом контейнера. Следовательно, условие (2.6) может быть использовано при проведении теплогидравличе-ского расчета контейнера. Подтверждением этого могут служить результаты натурных испытаний контейнера ТК-6 на Кольской АЭС, которые показали, что температуры теплоносителя на выходе из сборок разных рядов близки (см.главу 7).
На основании проведенного анализа естественной циркуляции теплоносителя в системе, состоящей из одного опускного и нескольких подъемных каналов можно сделать следующие выводы:
- перепад давления по высоте является общим параметром для всех каналов циркуляционной системы. Определение его величины необходимо как при расчете, так и при экспериментальном исследовании системы с естественной циркуляцией теплоносителя;
- в качестве определяющей температуры в каналах с естественной циркуляцией следует использовать среднюю по сечению канала температуру теплоносителя;
- в каналах одинаковой конструкции величина расхода теплоносителя прямо пропорциональна мощности, расходуемой на его нагрев, если потери на трение в таких каналах много меньше потерь в остальной части естественно-циркуляционного контура.
Конструкция экспериментальных установок и измерительных устройств
Движущий напор в контуре расходуется на преодоление потерь на трение в каналах и на местные сопротивления в верхнем и нижнем коллекторах. Величину потерь на трение отдельно для каждого канала не определяли, т.к. измерить с достаточной точностью величину перепада давления по высоте одноконтурной модели не удалось.
Геометрия и характер течения теплоносителя в опускном канале одноконтурной модели были близки к условиям, имевшим место в опускном канале трехканальной установки, для которого получена зависимость, позволяющая рассчитывать величину среднего коэффициента гидравлического сопротивления (ом.главу 5):
С использованием этой зависимости расчетным путем определялась величина потерь на трение в опускном канале ЬР0 для конкретных условий каждого опыта. Кроме того, рассчитывались потери в местных сопротивлениях по формуле (4.9) с использованием данных [45] . В верхнем коллекторе было выделено два местных сопротивления:
- поворот в пучке на 90 с расширением (А = 130; = 1,0);
- внезапное сужение на входе в опускной канал (А = 30; = 0,4).
В нижнем коллекторе выделено три местных сопротивления:
- внезапное расширение на выходе из опускного канала (А =30; =0,4);
- внезапное сужение при входе в 12 отверстий (ф 18 мм), просверленных в шестигранной трубе (А = 30; = 0,4);
- поворот на 90 в пучке (А = 130; = 1,0).
Таким образом, потери на трение в пучке стержней определялись, как разность между величиной движущего напора и расчетными значениями потерь в местных сопротивлениях коллекторов и опускном канале.
Анализ изменения профилей температуры в кольцевых каналах в условиях вязкостно-гравитационного течения газа
Наличие экспериментальных данных по поперечным профилям температур в подъемном и опускном каналах трехканальной установки позволило проанализировать характер изменения этих профилей при повышении давления газа. Обработка данных позволила по результатам замеров поперечного профиля температур рассчитать средние по сечению канала температуры теплоносителя Т (см. ур. (4.1) и (4.3)) и определить температурные напоры:
Для возможности сравнения профилей температур в подъемном и опускном каналах введены следующие безразмерные температуры:
Расчет профилей безразмерных температур проводился в сечении X = 1,625 м подъемного канала и в сечении X - 0,866 м опускного канала.
Сравнение профилей безразмерных температур в подъемном канале при различном давлении газа (см. рис. 5.1) показало, что с повышением давления газа возрастает пристенный градиент температуры, а поперечный профиль становится более заполненным. Аналогичные результаты получены и для опускного канала (см. рис. 5.2). Следствием этого было увеличение экспериментальных чисел Ащ, характеризующих интенсивность конвективного теплообмена (см. раздел 5.2).
