Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с взаимодействующими потоками

Захаренков, Александр Валентинович

Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с взаимодействующими потоками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Захаренков, Александр Валентинович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с взаимодействующими потоками»

Автореферат диссертации на тему "Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с взаимодействующими потоками"

На правах рукописи

ЗАХАРЕНКОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В КАНАЛАХ С ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИМИ

ПОТОКАМИ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Москва 2013

005536703

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" на кафедре общей физики и ядерного синтеза

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Варава Александр Николаевич

Тарасевич Станислав Эдуардович доктор технических наук, профессор, директор института авиации, наземного транспорта и энергетики ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева»

Яковлев Игорь Васильевич кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник кафедры Тепломассообменных процессов и установок ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский университет "МЭИ"

ОАО «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля» (НИКИЭТ).

Защита состоится «15» ноября 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ" по адресу 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, кор. Т, кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Автореферат разослан « » октября 2013 года.

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим высылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Ведущая организация:

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04 к.т.н.

А.К. Ястребов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Для современной энергетики и энергетических объектов промышленности характерен рост энергонапряженности, при значительном увеличении технологических параметров - прежде всего температур и давлений. При этом энергетические установки должны удовлетворять современным требованиям надежности и безопасности. Повышение энергонапряженности теплопередающих устройств и реакторных установок (РУ) современных АЭС определяет использование средств интенсификации теплосъема. Интенсификация теплообмена привлекает внимание мирового научного сообщества в течение многих лет. Любой новый энергетический объект, который предназначен для передачи тепла от горячей стенки к теплоносителю, прорабатывается с точки зрения увеличения коэффициента теплоотдачи и критических тепловых потоков (КТП).

Известно большое число методов интенсификации теплообмена [1, 2]. Наиболее распространенные методы интенсификации теплосъема — турбулизация и закрутка потока. Вместе с тем до настоящего времени не удалось разработать надежный экспериментально обоснованный метод интенсификации теплообмена с выпуклой обогреваемой поверхности. В зависимости от режимных параметров эффективность методов интенсификации на выпуклой теплоотдающей поверхности различна. В конвективной области некоторые методы при благоприятном сочетании геометрических и режимных параметров показывают высокую эффективность. В двухфазной области (поверхностное кипение) возможен отрицательный результат (микрооребрение) - снижение КТП по сравнению с гладкой поверхностью. Использование закрутки потока на выпуклой теплоотдающей поверхности в области двухфазного потока нецелесообразно

[3,4].

Для повышения интенсивности теплосъема в конвективной области на выпуклой теплоотдающей поверхности предложено использовать взаимодействующие потоки. Интенсификация теплообмена на выпуклой теплоотдающей поверхности достигается за счет взаимодействия закрученного и транзитного потоков, кроме того, дополнительное повышение теплоотдачи возникает при взаимодействии закрученного потока с продольными ребрами и транзитного потока с кромками ребер, образующих закрученный поток [5].

В работе [6] показано, что использование взаимодействующих потоков (закрутка и транзитный поток) для интенсификации теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности весьма эффективно.

Цель работы

Разработка и теплогидравлическое обоснование метода интенсификации теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности твэла, основанного на использовании взаимодействующих потоков.

Задачи исследования

1. Подготовка экспериментальной базы для исследования интенсификации теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в широком диапазоне технологических параметров: а) подготовка всех систем экспериментального стенда, б) разработка рабочих участков, системы сбора и обработки информации, в) разработка конструкции интенсификаторов теплообмена, г) проведение тестовых испытаний и сравнение экспериментальных данных с известными расчетными соотношениями. '

2. Получение систематизированного массива экспериментальных данных о коэффициентах теплоотдачи и гидравлического сопротивления на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в режиме однофазной конвекции в условиях интенсификации теплообмена методом взаимодействующих потоков.

3. Определение характеристик потока теплоносителя и геометрических параметров интенсификатора для оптимального соотношения роста т'еплоотдачи и гидравлического сопротивления.

4. Получение уравнений для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления в исследованном диапазоне технологических параметров.

5. Исследование структуры потока и изучение механизма теплообмена вблизи выпуклой обогреваемой поверхности при наличии интенсификаторов.

Методологическая база исследования

Методологическую основу данной работы составляют: - новый теплогидравлический стенд, с надежными и современными системами управления, сбора и обработки информации, позволяющими проводить исследования теплообмена и гидравлики в широком диапазоне режимных параметров (массовых расходов, температур и давлений);

- надежные высокоточные методы измерения и обработки экспериментальных данных при различных режимных параметрах;

- методы экспериментального определения коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи в условиях проведения экспериментальных исследований.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод интенсификации теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала. Методики проведения экспериментов и обработки экспериментального материала о гидродинамике и теплообмене в кольцевом канале при наличии интенсификаторов теплообмена.

2. Конструкции рабочих участков и интенсификаторов теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала.

3. Результаты исследования коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в условиях взаимодействующих потоков в режиме однофазной конвекции.

4. Результаты определения характеристик потока теплоносителя и геометрических параметров интенсификатора при оптимальном соотношении роста теплоотдачи и гидравлического сопротивления.

5. Уравнения для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в условиях взаимодействующих потоков.

Научная новизна

1. Впервые проведены систематизированные исследования эффективности интенсификации теплообмена методом взаимодействующих потоков на выпуклой обогреваемой поверхности рабочего участка в условиях однофазного течения теплоносителя. Получен массив новых экспериментальных данных о коэффициенте теплоотдачи и гидравлическом сопротивлении на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала. Полученные экспериментальные данные представляют несомненный научный интерес, поскольку дают обширную информацию по механизму взаимодействия закрученного и транзитного потоков, взаимодействию возмущенного пристеночного потока теплоносителя с обогреваемой стенкой и механизму теплообмена в данных условиях.

2. Впервые для выпуклой теплоотдающей поверхности определены области режимных и геометрических параметров взаимодействующих

потоков с превалирующим увеличением числа N11 по сравнению с ростом коэффициента гидравлического сопротивления.

3. Разработаны рекомендации по оптимальным параметрам интенсификатора.

Научная и практическая ценность работы

1. На базе используемого метода получено существенное увеличение коэффициента теплоотдачи на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала.

2. Предложенный в работе способ интенсификации теплообмена на выпуклой поверхности обогреваемого кольцевого канала направлен, прежде всего, на увеличение интенсивности теплосъема с выпуклой тепловыделяющей поверхности трубчатого твэла, а также стержневого твэла, используемого на современных АЭС.

3. Результаты работы могут быть использованы при создании новых конструкций теплообменных аппаратов.

Апробация результатов- исследований

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 10 печатных работах, 2 из которых в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ. В процессе работы получено 3 патента РФ на изобретение. Список основных публикаций по теме исследований представлен в конце реферата. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- 4-й международной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках" (Москва, "НИУ "МЭИ", 2011);

- международной научной школе "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях" (Москва, "НИУ "МЭИ", 2011);

- конференции-школе молодых атомщиков Сибири (Томск, ТПУ,

2011);

- 16-й Всероссийской научно-методической конференции "Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах" (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012);

- 3-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Теплофизические основы энергетических технологий" (Томск, ТПУ, 2012);

- 18-й, 19-й школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева (Москва, 2012-2013).

Личный вклад автора

1. Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Личный вклад автора для достижения полученных результатов заключается в:

- а) наладке и освоении всех систем стенда в целом, модернизации его основных узлов, проведении тестовых испытаний на гладком кольцевом канале;

- б) разработке и создании рабочих участков, системы сбора и обработки информации для экспериментального стенда;

- в) получении массивов экспериментальных данных по гидродинамике и теплообмену на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала при наличии интенсификаторов в широком диапазоне режимных параметров и геометрических характеристик интенсификатора;

- г) обработке и обобщении полученных результатов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 160 страниц, 8 таблиц, 80 рисунков. Список литературы включает 88 наименований.

Содержание диссертации

Введение содержит обоснование выбора темы диссертации, ее актуальности и область применения результатов работы.

Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертации. В начале главы приведено описание конструкции трубчатого твэла, как возможной альтернативы стержневым твэлам, используемым на современных АЭС. Принципиальное отличие заключается в том, что в трубчатом твэле теплоноситель прокачивается не только с внешней стороны твэла, но и во внутреннем канале. Это позволяет получить более равномерное распределение температуры в твэле и понизить ее значение на (700 1000) °С по сравнению со стержневыми [7].

В последние годы в некоторых странах уделяется пристальное внимание возможности применения трубчатых твэлов в атомной энергетике [8 - 10]. Расчеты показывают, что переход от стержневых твэлов к трубчатым (при сохранении массы топлива и теплоносителя в зоне), практически удваивает поверхность теплообмена, что и приводит к значительному увеличению энергонапряженности и существенному уменьшению температуры внутри твэла.

В случае применения конструкции трубчатого твэла в современной атомной энергетике актуальны вопросы детального изучения гидродинамики и теплообмена на его выпуклой поверхности, впрочем, как и для традиционных стержневых твэлов и другого теплообменного оборудования.

Далее рассмотрены основные закономерности гидродинамики и теплообмена в кольцевом канале, а также способы интенсификации теплообмена на выпуклой поверхности. Известно, что для увеличения коэффициента теплоотдачи в каналах существует два принципиально отличающихся подхода: развитие поверхности теплообмена и турбулизация потока теплоносителя.

В заключительной части главы описан метод интенсификации теплообмена основанный на взаимодействии закрученного и транзитного потоков.

Вторая глава содержит описание теплогидравлического стенда, на котором были проведены экспериментальные исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в кольцевом канале при наличии интенсификатора. Теплогидравлический контур включает в себя циркуляционный насос, теплообменники, термокомпенсатор, сосуд высокого давления с рабочим участком, запорную и регулирующую арматуру.

Стенд оснащен системой сбора и обработки информации, созданной совместно с "Центром автоматизации теплофизических исследований" (ЦАТИ). Представлено описание датчиков давления, перепада давления, расхода теплоносителя, которыми оснащен стенд, а также датчиков тока и напряжения технологии ЬЕМ,. впервые установленных на подобных стендах.

Представлены конструкции рабочих участков и интенсификаторов. Рабочий участок является нагревательным элементом с системой медных токоподводов. Нагревательный элемент рабочего участка - трубка, выполненная из стали 08Х18Н10Т, наружным диаметром 12,9 мм и толщиной стенки 1,5 мм. Длина нагревательного элемента составляет 700 мм. По длине нагревательного элемента установлены 8 термопар, закрепленных на внутренней поверхности трубки, которые позволяют измерять температурное поле по длине исследуемого образца. Рабочий участок, помещенный в сосуд высокого давления (СВД), вместе с внутренним диаметром канала СВД (с1свд = 16,3 мм) образуют кольцевой канал.

Была проведена оценка погрешности измерения всех прямо и косвенно измеренных величин. Установлено, что относительная погрешность

коэффициента гидравлического сопротивления не превышает 10 %, а коэффициента теплоотдачи - 8 %.

В конце главы представлены результаты тестовых испытаний на гладком кольцевом канале, которые подтвердили высокую воспроизводимость прямо измеряемых величин (в пределах 1,5%), взаимную согласованность измеряемых параметров и надежность работы стенда в целом.

Третья глава посвящена исследованию теплообмена на выпуклой поверхности обогреваемого рабочего участка в условиях взаимодействующих закрученного и транзитного потоков в режиме однофазной конвекции.

Экспериментальные исследования коэффициента теплоотдачи на рабочем участке проводились при следующих режимных параметрах: массовая скорость pw = (1000-^6500) кг/(м2,с), абсолютное давление р = (3,0 -^7,0) МПа, температура теплоносителя на входе в рабочий участок во всех экспериментах составляла Г^ЮО °С.

Для каждого режима экспериментальные точки усреднялись после выхода на стационарный режим.

Для расчета коэффициента теплоотдачи по данным эксперимента использовался закон Ньютона-Рихмана:

а = (1)

где qc— плотность теплового потока на внешней поверхности трубы, Тс, Тж — температура выпуклой поверхности стенки и среднемассовая температура жидкости в сечении установки термопар, соответственно.

В экспериментах выполнялось условие qc = const, поэтому расчет проводился по формуле:

¿е

где U„ - напряжение на рабочем участке, определяемое по потенциометрическим отводам, I - сила тока, Se = nd^ - площадь боковой поверхности рабочего участка со стороны теплоносителя, I = 700 мм - длина нагревательного элемента.

В экспериментах определялась температура внутренней поверхности трубы. Пересчет на наружную поверхность осуществлялся аналитически с учетом внутреннего тепловыделения в трубе и зависимости коэффициентов теплопроводности к и удельного электрического сопротивления р от

температуры. Поскольку в условиях qc = const (за исключением начального участка) температура стенки изменяется по линейному закону, то проводилась линейная аппроксимация зависимости TC(Z). Среднемассовая температура жидкости в каждом сечении определялась по значению энтальпии потока теплоносителя.

По формуле (1) рассчитывались как локальные значения a(z), так и среднее значение а для данного режима. Опыты показали, что в условиях однофазной конвекции разница между a(z) и а не превышала погрешности измерений.

Для оценки эффективности применения того или иного типа интенсификатора необходимы данные о теплообмене в гладком кольцевом канале того же поперечного сечения. Для этого была проведена серия экспериментов на гладком кольцевом канале. При этом сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи проводилось по формуле Исаченко-Галина [1]:

Nu0 = 0,017Re°'8 Р (3)

cm 1

где Re - число Рейнольдса, Ргст и РгЖ1Щ - числа Прандтля, определенные по температурам стенки и жидкости соответственно, d2 п d1 - диаметры вогнутой и выпуклой поверхностей кольцевого канала, соответственно.

Отклонение экспериментальных точек от рассчитанных по соотношению (3) не превышает ± 4 %. Погрешность измерения коэффициента теплоотдачи не превышает 8 %.

Конструкция интенсификатора представлена на рис 1.

Рис. 1 - Схема организации взаимодействующих закрученного и транзитного

потоков: 1 - обогреваемый участок, 2 - продольное ребро, 3 -закручивающий элемент, 4 - стенка сосуда высокого давления, 5 - кольцевой канал, 6 - направление закрученного потока, 7 - направление транзитного потока, I - шаг закрутки

Данная конструкция интенсификатора позволяла разделить набегающий поток на два потока: осевой (транзитный), омывающие выпуклую обогреваемую поверхность кольцевого канала и закрученный, создаваемый проволочной навивкой. Проволочная навивка монтировалась на ребрах или проставках.

Соотношение расходов закрученного и транзитного потоков может быть выражено безразмерным параметром:

А =---, (4)

где А - высота ребра (проставки). В опытах значение /¡изменялось от О до 1. Значение А = 0 соответствовало случаю, когда всю ширину канала занимала скрученная проволока, А = 1 соответствовало гладкому кольцевому каналу без ребер.

Экспериментальные данные в виде зависимости теплоотдачи от числа Рейнольдса для различных значений безразмерной высоты ребра представлены на рис. 2. Аналогичные эксперименты были проведены и для проставок.

Ни/А ................. .............................................

103

П ♦

Д #>л •

и с о

• Оо__

Д •

> .............. о

« ь

1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 Не

Рис. 2 - Зависимость теплоотдачи от числа Рейнольдса (ребра,р = 7 МПа):

• - А = 0, ♦ - А = 0,18, ■ - А = 0,23, Д - А = 0,29, □ — А = 0,35, 0 - А = 0,58, о

л г>_ 0,4/РГж\0,25 ,-^2 40,18 - гладкии канал, А = Ргж (——) (—)

ст 1

Анализ экспериментальных данных показал:

1. С ростом И.е теплоотдача возрастает, как и для гладкого кольцевого канала.

2. При всех значениях 0 < А < 1 коэффициент теплоотдачи выше, чем для гладкого кольцевого канала (А =1).

3. Зависимость № = f (А) носит неоднозначный характер. И на ребрах и на проставках при к„_а = 0,35 наблюдается максимум теплоотдачи.

4. Опыты, проведенные на проставках, показали существенно меньшую эффективность по теплоотдаче.

Положительный эффект интенсификации показан на рис. 3, где представлена зависимость №/N110 для разных чисел Яе. Здесь №0 -

рассчитывается по формуле (3), Ии - число Нуссельта для кольцевого канала с интенсификатором.

ГЧи£ои| 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0

АКе=30000_реб -ДКе=30000_пр ♦ 11е=45000_реб -С>Яе=45000_пр ■ Яе=60000_реб -□ 11е=60000_пр

~ ж . ♦

▲

I1 в

■ в

п Я 8 □

л 5

! д д

--1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8 к

1,0

Рис. 3 - Зависимость относительного коэффициента теплоотдачи №/№10 от параметра к (р = 7,0 МПа) при различных числах Ле

Превышение коэффициента теплоотдачи на проставках по сравнению с гладким каналом составляет (30 - 35) %, тогда как с ребрами - до 80 %.

Для определения влияния шага закрутки на коэффициент теплоотдачи были проведены дополнительные серии измерений при = 0,35. Было установлено, что с увеличением шага закрутки коэффициент теплоотдачи снижается и приближается к теплоотдаче на выпуклой поверхности гладкого кольцевого канала.

Для обобщения полученных экспериментальных данных была предложена формула:

= 0,93(1 + 0,05£°'8)(1,7 - 2,8(й - 0,4)2),

71(1

где к=- коэффициент закрутки.

Зависимость (5) описывает данные в следующем диапазоне: 30 мм < I < 100 мм, 0 < к < 0,4, 15000 < Ые < 75000.

В указанном диапазоне режимных параметров максимальное отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по формуле (5) не превышает 10%.

Четвертая глава посвящена исследованию гидравлического сопротивления в кольцевом канале с предложенным интенсификатором теплообмена. В начале главы представлены экспериментальные данные, полученные на гладком кольцевом канале. Опыты проводились при различных температурах теплоносителя на входе в рабочий участок вплоть до 200 °С. Все опыты проводились в изотермических условиях. Теоретическое значение коэффициента гидравлического сопротивления рассчитывалось по известной формуле для кольцевых каналов [10].

В результате проведения экспериментов установлено, что разброс опытных точек по £ относительно усредняющей линии во всем исследованном температурном диапазоне не превышает ±4%. Различие экспериментальных данных и результатов расчета по формуле не превышает 10%.

Параллельно с исследованием теплоотдачи в канале с интенсификатором при тех же геометрических параметрах интенсификатора проводились исследования гидравлического сопротивления. На рис. 4 представлены экспериментальные данные о гидравлическом сопротивлении в зависимости от числа Рейнольдса для гладкого кольцевого канала и двух значений безразмерного параметра к.

3— -

■ ,

Iй ■ г

о -Ч

• о □ 3

N ■ ■ и пп

• .0° ■ ■ ■

• о п

♦ ♦ • • • ь и

♦ > ► • »---------.

Рис. 4 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса (р = 7,0 МПа): ♦ - гладкий кольцевой канал, • - к - 0,58, проставки, о - к = 0,58, ребра, ■ - И = 0,23, проставки, □ - к = 0,23, ребра

Введение интенсификатора привело к значительному повышению коэффициента гидравлического сопротивления. При этом £ на ребрах существенно превышает £ на проставках. Для обобщения экспериментальных данных была предложена методика учета изменения геометрии кольцевого канала при наличии интенсификаторов, в частности, эквивалентного диаметра и площади проходного сечения. Рассчитанные значения эквивалентного диаметра и площади проходного сечения кольцевого канала используются в дальнейшем для расчета значений чисел Рейнольдса Яе и коэффициента гидравлического сопротивления ^ в соответствии с формулой Дарси.

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных представлены на рис. 5. Удовлетворительное соответствие этих данных позволяет в дальнейшем пользоваться уравнением Дарси для гладкого кольцевого канала с учетом поправок на эквивалентный диаметр и площадь проходного сечения кольцевого канала для расчета гидравлического сопротивления в кольцевых каналах с предложенной конструкцией интенсификатора.

о ♦

< } п

4 О * ог

> О

<о-ф О ♦ < Ь ♦о"

О 10 20 30 40 50 60 Яе-Ю"3

Рис. 5 - Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса с учетом поправки (ребра, р = 7,0 МПа): о - к = 0,35, ♦ - гладкий

канал

На рис. 6 представлен характерный вид зависимости = {(к) при фиксированных режимных параметрах для ребер и проставок.

1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1.4 1,3 1,2 1,1 1,0

АЯе=30000_реб ДКе=30000 пр ♦ Яе=45000_реб ОКе-45000 пр ■ Яе=60000_реб СЖе=60000 по

♦ ■щ-

й ® А

¡1 ~ Й А Ш

® Д 9

И А

А ?

--1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

'г 1,0

Рис. 6 - Зависимость гидравлического сопротивления от безразмерного параметра к (ребра, р — 7,0 МПа)

Из данных графика видно, что в некоторой области изменения к относительный коэффициент гидравлического сопротивления ниже такового для канала с закруткой и незначительно превышает & для гладкого кольцевого канала. Предположительно такой характер кривой обусловлен тем, что образующиеся вихревые структуры довольно устойчивы, а потери давления на границе взаимодействия закрученного и транзитного потоков ниже, чем на границе закрученного потока и выпуклой поверхности в канале с закруткой. Также можно предположить, что основные потери давления происходят не на стенке, а в самом потоке. Установлено, что в пределах погрешности эксперимента не зависит от числа Рейнольдса. Максимальное значение ¿У£0 = 1,95 для ребер и = 1,75 для проставок.

Дм обобщения экспериментальных данных предложено соотношение:

-¿ = 1 + 0,67А2'2(еиз(^)-1) (6)

¿о

где £,о - коэффициент гидравлического сопротивления гладкого кольцевого канала.

Соотношение (6) удовлетворительно описывает данные в следующем диапазоне:

30 мм < г < 100 мм, 0,23 < А < 1, 15000 < Яе < 75000, 1,6 МПа <р < 7,0

МПа.

Результаты сравнения экспериментальных данных и расчета по соотношению (6) представлены на рис. 7.

Рис. 7 - Зависимость гидравлического сопротивления от параметра А (ребра, р = 7,0 МПа, Яе = 30000) ♦ - эксперимент,--расчет по соотношению (6)

Как следует из графиков, соотношение (6) дает удовлетворительное согласие с экспериментом. В указанном диапазоне режимных параметров относительная погрешность не превышает 8 %.

В пятой главе выполнен анализ результатов экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики, описанных в главах 3 и 4. В результате анализа выявлены области оптимальных геометрических параметров интенсификатора. На рис. 8 представлены результаты использования интенсификаторов теплообмена в кольцевом канале для ребер.

* о ° о

о $ ♦ ♦

♦ ♦ о %

-О

0,0 0,2 0,4 0,6_0,8 к 1,0

-----—-— - —

Рис. 8 - Зависимость теплоотдачи и гидравлического сопротивления от безразмерного параметра А (ребра,р = 7,0 МПа, Яе = 30000): 0 -

♦ - №1инт/№1о

Анализируя данные графика видно, что в диапазоне И = (0,35 н- 1) рост гидравлического сопротивления сопоставим с ростом теплоотдачи, что позволяет говорить о положительном эффекте интенсификатора. Стоит заметить, что максимальное значение по теплоотдаче достигается при /гта =0,35 в то время как максимум по гидравлическому сопротивлению при =0,23.

Сравнение результатов экспериментов при различных шагах закрутки ? представлено на рис. 9-10.

ГЧи/А

200 180 160 140 120 100

к.

"■а ^----

мм

Рис. 9 - Зависимость теплоотдачи от шага закрутки ? (ребра, р = 7,0 МПа): ♦ - Яе = 30000, А - Яе = 45000, ■ - Яе = 60000

Рис. 10 - Зависимость гидравлического сопротивления от шага закрутки г1 (ребра, р = 7,0 МПа): ♦ - Яе = 30000, А - Яе = 45000, ш - Яе = 60000

Анализ данных рис. 9 и 10 показывает, что с ростом шага закрутки и коэффициент теплоотдачи и гидравлическое сопротивление убывают. При этом гидравлическое сопротивление убывает быстрее коэффициента теплоотдачи.

В заключении сформированы выводы и основные результаты исследования:

1. Экспериментально реализован метод интенсификации теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала. Изготовлены рабочие участки для исследования гидродинамики и теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала. Создана и введена в эксплуатацию автоматизированная система сбора и обработки информации.

2. Проведены тестовые испытания по определению гидравлического сопротивления и коэффициента теплоотдачи на гладком кольцевом канале. Установлено, что отклонение экспериментальных значений от расчетных для коэффициента гидравлического сопротивления не превышает 10%, а для коэффициента теплоотдачи не более 8%.

3. Выполнены систематизированные исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в условиях взаимодействующих закрученного и транзитного потоков в режиме однофазной конвекции в широком диапазоне режимных параметров. Исследования проводились для двух типов интенсификаторов: проволочная навивка с ребрами или проставками при различных геометрических параметрах.

4. Экспериментально установлено, что значения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления значительно зависят от параметра И. Получено заметное расслоение значений коэффициентов гидравлического сопротивления (<£) и теплоотдачи (а) от безразмерного параметра А. Экспериментально установлено, что для шага закрутки закручивающей проволоки г - 50 мм максимум по £ наблюдается при = 0,23, а по а - при й*_« = 0,35.

5. Установлены области геометрических параметров интенсификатора, в которых увеличение теплоотдачи сопровождается приемлемым ростом гидравлического сопротивления (А = 0,35 + 1 для коэффициента закрутки к = 0,92).

6. Получены уравнения для расчета по коэффициенту теплоотдачи и гидравлическому сопротивлению в исследуемом диапазоне режимных и геометрических параметров.

Список цитируемой литературы

1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Яхро С.А., Интенсификация теплообмена в каналах, М. Машиностроение, 1981, 208

2. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980.

3. Болтенко Э.А., Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока. Теплоэнергетика, 2003, №11, с. 25-30

4. Вилемас Ю., Чесна Б., Сурвила В., Теплоотдача в газоохлаждаемых кольцевых каналах, Вильнюс, Мокслав, 1977, С. 253

5. Патент России 1540426 MKH3F28F13/12. Теплопередающее устройство /Э.А. Болтенко// Заявка №4423162/24-06 от 07.05.88. Открытия. Изобретения. 1992. №31.

• 6. Boltenko Е.А. Heat Removal Augmentation in Steam Generating Channels With Swirled Flows. Fourth International Conference on Compact heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. September 28-October 3,2003. Crete, Greece

7. Ибрагимов M.X. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. М.: Атомиздат, 1987. 296 с

.8. В.Н. Блинков, Э.А. Болтенко Патент России 2220464 MKH3G 21СЗ/00, 3/30, 3/32. Тепловыделяющая сборка. Заявка № 2002104121 от 20.02.2002. Открытия. Изобретения. 2003. № 36

9. D. Fing, P. Hejzlar, M.S. Kazimi Thermal Hydraulic Design of High Power Density Fuel for PWRs, NURETH-10, Seoul, Korea, 2003.

10. J. Zhao, H.C. No, M.S. Kazimi Mechanical Analysis of High Power Internally Cooled Annular Fuel, Nucl. Technology, 2004. 146.

Изобретения по теме диссертации

1. Болтенко Э.А., Комов А.Т., Дедов А.В., Варава А.Н., Захаренков А.В. Патент РФ на изобретение №2458414 "Способ работы тепловыделяющей сборки на входном участке и устройство для его осуществления". Приоритет изобретения 23.12.2010

2. Комов А.Т., Болтенко Э.А., Варава А.Н., Мясников В.В., Захаренков А.В., Ильин А.В. Патент РФ на изобретение №2473986 "Технологический пароперегревательный канал прямоточного водо-водяного ядерного реактора". Приоритет изобретения 14.09.2011

3. Комов А.Т., Варава А.Н., Мясников В.В., Ильин А.В., Захаренков А.В. Патент РФ на изобретение №2485460 "Термопарный датчик". Приоритет изобретения 06.02.2012

Список основных публикаций по теме диссертации

1. А.В. Захаренков, А.Т. Комов, А.Н. Варава и др., Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических

характеристик модельных элементов тепловыделяющих сборок // Вестник МЭИ, 2013. №2. с. 39-45

2. A.B. Захаренков, А.Т. Комов, Э.А. Болтенко, А.Н. Варава, A.B. Дедов Исследование теплогидравлическкх характеристик закрученного однофазного потока в кольцевых каналах с продольными ребрами // Вестник МЭИ, 2013. №4. с.55-62

3. Болтенко Э.А., Варава А.Н., Захаренков A.B., Дедов A.B., Комов А.Т. Интенсификация теплосъема в каналах с взаимодействующими закрученными потоками. // Тезисы докладов четвертой международной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках". Москва, "НИУ "МЭИ", 2011. С. 136-137.

4. Захаренков A.B., Варава А.Н., Комов А.Т. Экспериментальное исследование тепло гидравлики на модельных элементах трубчатого твэла. // Тезисы докладов международной научной школы "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях". Москва, "НИУ "МЭИ", 2011. С. 152-154.

5. Захаренков A.B., Комов А.Т., Варава А.Н., Дедов A.B. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в модельных элементах трубчатого твэла. // Конференция-школа молодых атомщиков Сибири "Перспективные направления развития атомной отрасти".Томск, ТПУ, 2011. С. 113-117.

6. Б.Ю. Агишев, A.B. Бороздин, A.B. Захаренков, А.Т. Комов, А.Н. Варава Визуализация течения жидкости через кольцевой канал при наличии интенсификаторов теплообмена на выпуклой поверхности. // Тезисы 19 Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках". Орехово-Зуево, 2013. С. 155-156

7. A.B. Захаренков, Б.Ю. Агишев, A.B. Бороздин, А.Т. Комов, A.B. Дедов Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с взаимодействующими закрученными потоками. // Тезисы 19 Школы-семинара молодых, ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках". Орехово-Зуево, 2013. С. 319-320

Подписано в печать AOtb Зак. ЗЧХ Тир. ЮО П.л. !t'Lb Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Захаренков, Александр Валентинович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ"

на правах рукописи

04201363665

ЗАХАРЕНКОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

«Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с

взаимодействующими потоками»

Специальность — 01.04.14

Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доц. Варава А.Н.

Москва 2013

ОБОЗНАЧЕНИЯ

() - тепловой поток, Вт;

q - плотность теплового потока, Вт/м ; а- коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м -К);

Т, АТ - температура, разность температур, К; р - плотность жидкости, кг/м ; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); /1- динамическая вязкость, Па-с; с - изобарная удельная теплоемкость, Дж/(кг-АГ);

р - давление, Па;

рм? - массовая скорость, кг/(м2-с);

м? - тангенциальная скорость теплоносителя, м/с;

С - массовый расход теплоносителя, кг/с;

с1 - диаметр канала, м;

51- площадь проходного сечения кольцевого канала, м2;

/ - длина рабочего участка, м;

Ь - общая длина рабочего участка, м;

к — высота ребра, м;

И - безразмерная высота ребра;

£ - гидравлическое сопротивление;

¡3 — угол закрутки потока теплоносителя;

Р - смоченный периметр, м;

/ - шаг закрутки, мм;

а - коэффициент температуропроводности, м /с; V — осевая скорость теплоносителя, м/с; п - число ребер;

/- сила тока, А;

и - напряжение, В;

V - объем, м3;

И—мощность, Вт;

В — магнитная индукция, Тл;

/- частота образования вихрей Кармана;

е - заряд электрона, Кл;

Е - напряженность электрического поля, В/м;

у - плотность тока, А/м ;

к — удельная энтальпия, кДж/кг;

к = ^ - коэффициент закрутки потока;

Я о — электрическое сопротивление проводника при температуре / = О °С. ЧИСЛА ПОДОБИЯ

N11 = - число Нуссельта;

Рг =--число Прандтля;

Яе = - число Рейнольдса;

БЬ = — - число Струхаля.

ПОДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ

вх - вход; вых - выход; в - насыщение; о - гладкий канал; ж - жидкость;

тр — транзитный; зак - закрученный; эл — электрическая; тепл - тепловая; п - потери; э - эквивалентный;

1 - внутренний;

2 - внешний;

* - эффективная.

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

РУ - реакторная установка;

ТВС - тепловыделяющая сборка;

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор;

РБМК — реактор большой мощности канальный;

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка;

PWR - pressurized water reactor (ядерный реактор с водой под давлением); В WR - boiling water reactor (кипящий ядерный реактор); HTTR - High Temperature engineering Test Reactor (высокотемпературный тестовый реактор);

MIT - Массачусетский технологический институт;

СВД - сосуд высокого давления;

ТК - термокомпенсатор;

ЭН - электронагреватель;

ИУ - измерительное устройство;

ШУ - шкаф управления;

РОТ - регулятор однофазный тиристорный;

ШАС - шкаф автоматической системы;

СУ - суживающее устройство;

ИТ - измерительный трубопровод;

ЦЭН - циркуляционный электонасос;

КТХАС - кабельный термоэлектрический преобразователь с хромель-алюмелевыми термоэлектродами;

КТХКС - кабельный термоэлектрический преобразователь с хромель-копелевыми термоэлектродами;

АСНИ - автоматизированная система научных исследований;

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;

МПУ - местный пульт управления;

ПРА - пускорегулирующая аппаратура;

ПЛК - программируемый логический контроллер;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ВП - виртуальный прибор.

Оглавление

ОБОЗНАЧЕНИЯ 2

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 10

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ 15

1.1 Трубчатые твэлы 15

1.2 Гидродинамика и теплообмен в кольцевых каналах 27

1.2.1 Гидродинамика в кольцевых каналах 27

1.2.2 Теплообмен в кольцевых каналах 29

1.3 Интенсификация теплообмена 3 8

1.3.1 Интенсификация теплосъема с помощью оребрения, поперечных и продольных выступов 39

1.3.2 Интенсификация теплообмена путем закрутки потока 45

1.3.3 Интенсификация путем организации на поверхности теплообмена взаимодействующих потоков 51

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА 54

2.1 Гидравлический контур 54

2.2 Электротехническое оборудование 58

2.3 Система измерений 61

2.3.1 Измерение давления и перепада давления 61

2.3.2 Измерение расхода 63

2.3.3 Измерение температуры 66

2.3.4 Измерение электрических параметров 69

2.4 Автоматизированная система управления технологическим процессом 70

2.5 Автоматизированная система сбора и обработки информации 77

2.6 Конструкция рабочих участков 80

2.7 Оценка погрешности результатов исследований 85

2.8 Наладочные (тестовые) испытания 90

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА НА ВЫПУКЛОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЬЦЕВОГО КАНАЛА С ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ 95

3.1 Методика проведения экспериментов по определению коэффициента теплоотдачи 95

3.2 Методика обработки первичных экспериментальных данных по теплообмену 97

3.3 Результаты экспериментальных исследований по теплообмену 104

3.4 Обобщение экспериментальных данных. Анализ полученных результатов

115

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛООБМЕНА НА ВЫПУКЛОЙ ОБОГРЕВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ 124

4.1 Методика проведения экспериментов и обработки первичных экспериментальных данных по гидродинамике 125

4.1.1 Методика проведения экспериментов 125

4.1.2 Методика обработки первичных экспериментальных данных 125

4.2 Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике 126

4.2.1 Эксперименты на гладком кольцевом канале 126

4.2.2 Эксперименты с использованием интенсификаторов теплообмена 129

4.3 Анализ и обсуждение полученных результатов 134 ГЛАВА 5. К ВОПРОСУ ОБ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРАХ ИНТЕНСИФИКАТОРА 147

5.1 Сравнение теплоотдачи и гидравлического сопротивления при различных параметрах Ъ и коэффициентах закрутки к 147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 153

ПРИЛОЖЕНИЕ А - ОСНОВНЫЕ АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ ФУНКЦИИ СИСТЕМЫ АСНИ 162

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - ПЕРЕЧЕНЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ АСНИ 164

ПРИЛОЖЕНИЕ В - СБОРОЧНЫЙ ЧЕРТЕЖ РАБОЧЕГО УЧАСТКА 167

ПРИЛОЖЕНИЕ Г - ПЕРВИЧНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО ТЕПЛООБМЕНУ НА ГЛАДКОМ КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ 168

ПРИЛОЖЕНИЕ Д - НЕКОТОРЫЕ ЭКСЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ 169

БЛАГОДАРНОСТИ 173

ВВЕДЕНИЕ

Для современной энергетики и энергетических объектов промышленности характерен рост энергонапряженности, при значительном увеличении технологических параметров — прежде всего температуры и давления. При этом энергетические установки должны удовлетворять современным требованиям надежности и безопасности. Повышение энергонапряженности теплопередаю-щих устройств и реакторных установок (РУ) современных АЭС может быть достигнуто за счет использования средств интенсификации теплосъема [1-3] или применения новых конструкций тепловыделяющих элементов [4-7]. Вопросы интенсификции привлекают внимание мирового научного сообщества в течение многих лет. Любой новый энергетический объект, который предназначен для передачи тепла от горячей стенки к теплоносителю, прорабатывается с точки зрения увеличения коэффициента теплоотдачи и критических тепловых потоков (КТП).

Известно большое число методов интенсификации теплообмена [1-3]. Наиболее распространенные методы интенсификации теплосъема — турбулиза-ция и закрутка потока. Вместе с тем до настоящего времени не удалось разработать надежный, экспериментально обоснованный метод интенсификации теплообмена с выпуклой обогреваемой поверхности. Это относится и к тепловыделяющим сборкам со стержневыми твэлами, которые используются в РУ реакторов типа ВВЭР. Для повышения энергонапряженности в TBC используют дистанционирующие решетки (ДР), которым наряду с функцией обеспечения проектного положения твэлов, передаются функции гидродинамического воздействия на поток, направленного на повышение интенсивности теплосъема с обогреваемой поверхности твэла, а также создания поперечного потока в пучке твэлов. Однако создание таких ДР является достаточно сложной задачей, требующей значительных финансовых затрат, а также экспериментальной провер-

ки в условиях сборки с большим числом стержней. Реализация всех известных в настоящее время конструктивных элементов ДР предположительно позволяет повысить тепловую мощность сборки на (18-22) % [8]. К настоящему времени интенсивность интенсификации теплообмена и увеличение КТП остаются под вопросом. Известны сборки, в которых дистанционирование и интенсификация теплосъема достигается с помощью закручивающих поток устройств, смонтированных непосредственно на поверхности твэла. Однако как показали эксперименты [8] эффективность прямой закрутки либо очень мала, либо приводит к отрицательным результатам. При этом значения КТП значительно снижаются по сравнению с гладкой поверхностью.

Таким образом, разработка и обоснование новых эффективных методов интенсификации теплосъема применительно к выпуклой теплоотдающей поверхности является весьма актуальной задачей.

Цель работы

Задачи исследования

конвекции в условиях интенсификации теплообмена методом взаимодействующих потоков.

3. Определение характеристик потока теплоносителя и геометрических параметров интенсификатора для оптимального соотношения роста теплоотдачи и гидравлического сопротивления.

Методологическая база исследования

Методологическую основу данной работы составляют:

- новый теплогидравлический стенд, с надежными и современными системами управления, сбора и обработки информации, позволяющими проводить исследования теплообмена и гидравлики в широком диапазоне режимных параметров (массовых расходов, температур и давлений);

Основные положения, выносимые на защиту

Научная новизна

2. Впервые для выпуклой теплоотдающей поверхности определены области режимных и геометрических параметров взаимодействующих потоков с превалирующим увеличением числа N11 по сравнению с ростом коэффициента гидравлического сопротивления.

3. Разработаны рекомендации по оптимальным параметрам интенсификатора.

Научная и практическая ценность работы

3. Результаты работы могут быть использованы при создании новых конструкций теплообменных аппаратов.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Среди различного типа энергогенерирующих предприятий атомная энергетика занимает все более значимые позиции. Дальнейшее развитие атомной энергетики связано с повышением энергонапряженности (удельной мощности) РУ при одновременном обеспечении роста их безопасности.

Атомные электростанции — это теплоэнергетические установки, мощность которых с точки зрения нейтронной физики может быть теоретически неограниченной. Лимитирующим фактором роста мощности является достижимая интенсивность теплоотвода из активной зоны. Если отвод теплоты не будет достаточно интенсивным, то топливо может расплавиться и произойдет выброс радиоактивных материалов в окружающую среду. Температура топлива и аккумулированная в активной зоне энергия являются определяющими при оценке надежности и безопасности АЭС. Основные недостатки TBC со стержневыми твэлами заключаются в относительно низких значениях удельной объемной мощности и высоких значениях температур в центре твэла.

В этой связи повышение энергонапряженности РУ современных АЭС может быть достигнуто либо за счет использования средств интенсификации теплосъема [1-3], либо применения новых конструкций тепловыделяющих элементов.

В настоящее время, как в России, так и за рубежом прорабатываются различные альтернативные схемы теплосъема. В частности, повышение энергонапряженности и снижение температуры топлива (повышение безопасности) возможно на основе использования TBC с трубчатыми твэлами [4-7].

1.1 Трубчатые твэлы

Идея двухстороннего охлаждения ядерного топлива появилась около 2030 лет назад. Тепловыделяющие сборки (TBC) с трубчатыми твэлами нашли применение в судовой ядерной энергетике [9-10]. Для подобных ядерных энер-

гетических установок (ЯЭУ) характерны жесткие ограничения по габариту и весу, близость к размещению обслуживающего персонала, ограничения на его численность, специфические особенности внешних воздействий. В такой ситуации необходимы тепловыделяющие элементы, которые позволили бы уменьшить габариты и массу ядерной установки, существенно повысить ее безопасность, а также увеличить мощность, что улучшает скоростные качества судов и их автономность.

Сегодня ядерные установки такого типа широко используются на подводных лодках, военных кораблях, ледоколах [11-12]. Принципиальная схема трубчатого твэла представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1- Принципиальная схема твэла: а) стержневого, б) трубчатого

Трубчатый твэл - это тот же цилиндрический твэл, но немного больших размеров. Принципиальное же отличие заключается в возможности прокачки теплоносителя не только снаружи, унося тепло с наружной поверхности твэла, но и внутри (теплосъем осуществляется с внутренней поверхности).

В TBC с трубчатыми твэлами повышение энергонапряженности и снижение максимальной температуры топлива достигается за счет:

- увеличения поверхности теплосъема - теплосъем осуществляется как с наружной (выпуклой), так и с внутренней (вогнут�