Инжиниринговый центр


Новости

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КАПЕЛЬ ПРИ ОТВОДЕ ТЕПЛА ОТ СТЕНКИ ТВЭЛА ПРИ ПОВТОРНОМ ЗАЛИВЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ВВЭР

  • 02.06.2019

А.Е. Молоскин, И.Л. Парамонова

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КАПЕЛЬ ПРИ ОТВОДЕ ТЕПЛА ОТ СТЕНКИ ТВЭЛА ПРИ ПОВТОРНОМ ЗАЛИВЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ВВЭР

Введение. При проектировании ядерной энергетической установки и обосновании её безопасности требуется рассмотрение полного спектра возможных аварий. В список таких аварий входят аварии типа «малая течь», характеризующиеся низкими параметрами тепло- носителя, а также возникновением свободного уровня в активной зоне. При таком режиме происходит рост температуры оболочек твэлов в зоне осушения, проявляющийся из-за ухудшенного теплообмена между твэлами и пароводяным потоком. Если рост температуры будет продолжаться, то это может привести к разрушению стенок твэлов и выходу радиоактивных продуктов деления в теплоноситель.

Режим повторного залива реализуется в активной зоне ВВЭР при авариях с потерей теплоносителя первого контура. При наступлении этого режима твэлы сначала смачиваются пароводяной смесью, а затем и водой с перемещающимся фронтом смачивания. Скорость перемещения этого фронта будет характеризовать продолжительность ухудшенного тепло- обмена, а соответственно и максимальные температуры оболочек. В процессе охлаждения существенное влияние на теплообмен оказывают капли, находящиеся в потоке пара, служа- щие стоками тепла и понижающие температуру стенки.

Цель работы. Оценить влияние, оказываемое каплями на теплосъем с поверхности твэлов. Определить температуру стенок твэлов с учетом наличия капель в потоке.

Согласно нормативной документации, при проектных авариях с течами теплоносителя первого контура до Dу 100 допускается температура стенки твэла на отметке 600 оС не дольше 1200 с. Для оценки температуры стенки используют различные расчетные коды (РК), одним из которых является РК КОРСАР [1]. В ходе работы РК определяются параметры двухфазного потока, что позволяет рассчитать температуру стенки твэла, однако для пра- вильного ее определения необходим учет всех возможных особенностей течения. В частно- сти, капли, находящиеся в паровом потоке, являются стоками тепла, что понижает темпера- туру потока и, следовательно, реальная температура стенки оказывается ниже расчетной, по- лученной с завышением.

В работе выполнена обработка результатов эксперимента ЦКТИ [2]. В эксперименте использован стенд, моделирующий тепловыделяющую сборку ВВЭР из 7 стержней, находя- щуюся в режиме повторного залива. В экспериментах использовался электрический обогрев потока, движущегося с малым расходом. При этом фиксировались параметры по высоте сборки. В частности, фиксировались высота физического уровня теплоносителя (зеркала ис- парения), температура поверхности имитаторов твэлов и температура пара.

Для расчетов в качестве характерного размера выбран эквивалентный диаметр – произведена замена ячейки кассеты на круглую трубу.

Согласно уравнению теплового баланса, на длине трубы от стенки потоку передано 2228 Вт теплоты. С другой стороны, по результатам эксперимента эта величина составила 2155 Вт. Разность между двумя значениями вызвана тем, что в балансовом уравнении (пред- полагающим термодинамическое равновесие фаз) не учитывается теплообмен с каплями, присутствующими в перегретом паре и являющимися стоками тепла.

Для расчета массы капель над фронтом смачивания использована дифференциальная функция распределения [3]. По скорости витания капель, был определен максимальный диа- метр капель, уносимых паром, т.е. определена граница между транспортным уносом и осадительной сепарацией. Полученный результат показан на рисунке 1.

2

Рис.1. Функция распределения капель по массе [3] с отмеченным предельным диаметром уноса

Кривые испарения капель по высоте канала показаны на рисунке 2.

3

Рис.2. Испарение капель различных диаметров по высоте паровой области канала

По оценкам, выполненным на основе интегрирования функции распределения, на ис- парение всех уносимых капель (транспортного уноса) понадобится 213 Вт теплоты. Согласно расчетам (рис. 2) видно, что капли с диаметрами, близкими к максимально возможному для уноса паром (308 мкм), не успевают полностью испариться к отметке 3 м. Так как число та- ких капель достаточно велико, что следует из близости предельного диаметра уноса к пику кривой распределения, то они вносят существенный вклад в унос теплоты из области.

Предполагая, что обозначенная выше разность балансовой и экспериментальной тепло- ты приходится на капли, можно сказать, что на капельный теплообмен приходится порядка 8% теплоты в паровой фазе, что является существенной величиной.

Температура пара, полученная по балансовому уравнению гораздо выше, чем получен- ная экспериментально (приблизительно на 50 градусов), что вносит существенное завышение в расчетную температуру стенки.

Выводы:

  1. По данным эксперимента капельный теплообмен составил 8% от общей величины переданной теплоты.
  2. Процесс теплообмена с учетом капель имеет существенно неравновесный характер. Таким образом, при расчете по балансу происходит сильное завышение температуры стенки, что недопустимо при требуемой точности рассчитываемой температуры стенки твэл.
  3. Расчет параметров перегретого пара достаточно сложен. Учет наличия капель в нем усложняет расчет, т.к. капли влияют на температуру пара и коэффициент теплоотдачи, увеличивая последний. Для учета влияния капель необходимо знание их количества и степени дисперсности потока – функции распределения. Используемые при расчетах дисперсных по- токов функции распределения требуют наличия конкретных экспериментальных данных, однако экспериментов с требуемыми параметрами практически нет. Использование функции распределения [3] дало хороший результат, близкий к полученному в эксперименте.

Необходимо продолжение исследования, что позволит предложить зависимости для внесения в систему замыкающих соотношений расчетных кодов таких, как КОРСАР.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Мигров Ю.А. и др. РК КОРСАР. Руководство пользователя, Сосновый Бор. 2006. 268 с.
  2. Гурьянов С. В. Диссертация «Экспериментальные исследования и методика расчета тепловых по- токов частичноосушенных тепловыделяющих сборок реакторов с водяным теплоносителем в условиях аварии типа «малая течь» ». СПБГТУ, 1992 г. – 183 стр.
  3. Агеев А.Г., Васильева Р.В., Белов В.И. Экспериментальное и аналитическое исследование предельных нагрузок при гравитационной сепарации. Теплогидродинамические процессы в элементах энерго- оборудования электростанций: Сб. науч. Тр. ЭНИН им. Г.М. Кржижановского. М. С. 41-51.
  4. Kuo K.K. Principles of Combustion. 2nd ed. — John Wiley & Sons, Inc., 2005 – 732 p.