ИМИТАТОР ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

Имитатор тепловыделяющего элемента
Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использована для имитации температурного режима тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, при исследовании запасов до кризиса теплообмена и исследовании различных аварийных режимов работы ТВЭЛ на электрообогреваемых стендах, а также в промышленности и исследовательской практике при проведении тепловых испытаний.
Известна конструкция имитатора тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) ядерного реактора, имитирующего тепловые условия в ядерных реакторах - имитатор твэл прямого нагрева (Болтенко Э.А. Электрообогреваемые тепловыделяющие элементы для исследования теплогидравлических характеристик энергоустановок. Атомная энергия, 2009, т. 107., вып. 3, стр. 173-177). В имитаторах прямого нагрева выделение тепла достигается пропусканием тока через оболочку.
При проведении ряда экспериментов необходимо выполнить имитатор твэл таким образом, чтобы подвод к источнику тока был односторонним. При этом на оболочке необходимо иметь высокую плотность теплового потока. Основной недостаток имитатора прямого нагрева заключается в том, что в случае имитатора прямого нагрева довольно сложно обеспечить одностороннее подключение к источнику тока.
Известна конструкция имитатора тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) ядерного реактора, имитирующего тепловые условия в ядерных реакторах - имитатор твэл косвенного нагрева (Болтенко Э.А. Электрообогреваемые тепловыделяющие элементы для исследования теплогидравлических характеристик энергоустановок. Атомная энергия, 2009, т. 107., вып. 3, стр. 173-177). Имитатор ТВЭЛ состоит из корпуса имитатора-оболочки, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т.п.. Между корпусом имитатора ТВЭЛ и нагревательным элементом располагают электроизолирующий материал. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации. На фиг. 1 показана упрощенная схема имитатора твэл косвенного нагрева
Имитатор ТВЭЛ косвенного нагрева включает в себя оболочку 1, электрообогреваемый стержень (проволока) и электроизолятор 3.
Основные недостатки:
1. Невозможно выделить большую мощность (получить на оболочке высокий тепловой поток)
Известна конструкция патронного нагревателя (Elektrische CSN Patronenheizkorper - патронные электронагреватели. Фирма SCHMEWINDT Gmbh & Co. KG Шенталер Ber, 46, а/я 136058805 Нойенраде. Германия) На фиг. 2 показана упрощенная схема патронного нагревателя Патронный нагреватель включает в себя оболочку 1, электрообогреваемый стержень (проволока) и электроизолятор 3.
Основной недостаток:
1. Невозможно выделить большую мощность (получить на оболочке высокий тепловой поток).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является имитатор твэл косвенного нагрева (патронный нагреватель), включающий в себя оболочку и электрообогреваемый стержень, подключенный к источнику питания, разделенных электроизолятором. Основной недостаток:
1. Невозможно выделить большую мощность (получить на оболочке высокий тепловой поток).
Предлагается имитатор тепловыделяющего элемента, включающий в себя оболочку и электрообогреваемый стержень, подключенный к источнику питания, разделенных электроизолятором, отличающийся тем, что оболочка и электрообогреваемый стержень с одной стороны электрически соединены, а с другой стороны оболочка и электрообогреваемый стержень подключены к источнику питания, причем электрообогреваемый стержень выполнен из меди, а оболочка выполнена из нержавеющей стали.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении плотности теплового потока на оболочке что достигается тем, что оболочка и электрообогреваемый стержень с одной стороны электрически соединены, а с другой стороны оболочка и электрообогреваемый стержень подключены к источнику питания, причем электрообогреваемый стержень выполнен из меди, а оболочка выполнена из нержавеющей стали.
Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что оболочка выполнена из нержавеющая стали толщиной 1 мм (материал с высоким коэффициентом электрического сопротивления).
Достижение технического результата обеспечивается также за счет того, что электрообогреваемый стержень выполнен из меди (материал с низким коэффициентом электрического сопротивления). На рис. 3 показана схема имитатора тепловыделяющего элемента. Имитатор твэл включает в себя оболочку 1, выполненную из нержавеющей стали, электрообогреваемый стержень 2, выполненный из меди и электроизолятора 3, разделяющего оболочку и электрообогреваемый стержень. Оболочка и стержень с одной стороны электрически соединены, а с другой стороны подключены к источнику питания.
Имитатор тепловыделяющего элемента работает следующим образом. Ток от источника питания проходит последовательно через электрообогреваемый стержень 2 (медь) и оболочку 1 (нержавеющая сталь). За счет прохождения тока выделяется тепло в оболочке (значительное) и в стержне (незначительное). В результате достигается основная цель - повышение плотности теплового потока на оболочке, подключение к источнику питания одностороннее.
Пример конкретного выполнения.
На фиг. 4 показан имитатор твэл с односторонним выходом токоподводов. Мощность имитатора до 150 кВт, выход односторонний. Внутренний электрод 2 (медь d=7-8 мм), наружная оболочка 1 (нержавейка) служат проводниками тока. В электроизоляторе 3 размещены термопары 4. Термопары служат для измерения температуры оболочки. Напряжение источника питания 5 - 115 В. Толщина наружной оболочки 1 мм. Токоподводы включены в систему охлаждения (8-10 кВт). Имитатор включен в сборку (18 шт), моделирующую работу тепловыделяющей сборки реакторной установки типа РБМК. Исследуется кризис теплоотдачи и распределение жидкости в ячейках сборки. Общая мощность сборки до 3000 кВт. Суммарный ток через сборку до 25000-30000 А. Ток через один имитатор до 1400-1500 А. Имитаторы с односторонним выходом позволяют удобно разместить оборудование для отбора проб из ячеек сборки.
Имитатор твэл работает следующим образом. При подключении имитатора к источнику тока и прохождении тока выделяется тепло в оболочке 1 и центральном стержне 2. Основное тепло выделяется в оболочке. Отвод тепла, выделяемого в оболочке, осуществляется за счет омывания водой со стороны выпуклой теплоотдающей поверхности. В электрообогреваемом стержне выделяется при максимальной мощности сборки 5-6 кВт. В токоподводах, которые подключают оболочку и стержень к источнику питания 5, при максимальной мощности выделяется 40-50 кВт. Для отвода тепла от токоподводов используется специальная система охлаждения. Максимальная плотность теплового потока на выпуклой теплоотдающей поверхности оболочки ограничивается кризисом теплоотдачи и составляет примерно 1-1,5 МВт/м. Использование предлагаемых имитаторов твэл с односторонним выходом позволило получить данные по кризису теплоотдачи и распределению жидкости по сечению сборки.