УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована в ядерных реакторных установках (ЯРУ) для отвода тепла из активной зоны атомного реактора.
Известно, что одним из путей повышения энергоэффективности и безопасности ядерных реакторных установок (ЯРУ) и различных устройств по выработке тепла является использование средств и возможностей интенсификации отвода тепла от источника тепловой энергии. Интенсификация отвода тепла или теплосъема позволяет увеличить рабочий и критический тепловой поток и, соответственно, пороговые критические значения при не штатной работе ядерной реакторной установки (ЯРУ). Одним из основных способов интенсификации теплосъема является создание турбулизации или закрутка потока теплоносителя. (Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П., «Справочник по теплогидравлическим расчетам. (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы. М. Энергоатомиздат 1990).
В патенте РФ 2495347 описан способ интенсификации съема тепловой энергии от ТВС за счет применения устройств в виде проволоки осуществляющей процесс завихрения потока теплоносителя в пространстве, контактирующем с ТВС. Недостатком является наличие конструктивных элементов в активной зоне атомного реактора и препятствие создающее сопротивление прохождению теплоносителя.
Известен так же патент РФ 2495347, в котором для интенсификации тепломассообмена в канале или внутритрубном пространстве, где циркулирует теплоноситель, используется скрученная плоская лента, осуществляющая перемешивание теплоносителя. Перемешивание пограничного слоя и центральной части теплоносителя за счет размещения скрученной ленты увеличивает гидравлическое сопротивление и, соответственно, снижает КПД и ресурс безаварийной работы ядерной реакторной установки (ЯРУ). Как в первом, так и во втором случае в среде теплоносителя присутствуют конструктивные элементы, влияющие на надежность работы ядерной реакторной установки (ЯРУ).
Предлагаемое устройство отличается тем, что тепловая энергия от ТВС (ТВЭЛов) (1) отводится без турбулизации первым теплоносителем (2) состоящий из металла с низкой температурой плавления (свинец, натрий), а закрутка потока (создание турбулизации) осуществляется вторым теплоносителем, состоящим из инертного газа (гелий, азот), циркулирующим в трубопроводе (3). Трубопровод помещен в активную зону (4) атомного реактора. Отведение тепла от источника тепловой энергии, осуществляемое первым теплоносителем производится без применения, каких либо устройств или конструктивных элементов, тем самым снижается гидравлическое сопротивление, и жидкий металл перемещается от более горячего участка к менее горячему за счет конвективного тепломассообмена. Второй теплоноситель находится в трубопроводе выполненный в виде змеевика. Змеевик находится в среде заполненной первым теплоносителем и располагается конструктивно вблизи от ТВС (ТВЭЛов). Змеевик конструктивно выполнен из колец предпочтительно одного диаметра. Змеевик расположен снизу вверх, опоясывая активную зону атомного реактора. Змеевиков может быть больше одного, предпочтительно большего, чем диаметр первого змеевика. Первый змеевик, находящийся вблизи от ТВС (ТВЭЛов), имеет наименьший диаметр, а последующие змеевики, имея больший диаметр относительно предыдущего, радиально расходятся от участка, где находятся источники тепловой энергии ТВС (ТВЭлы). Змеевики соединены между собой стыковочными катушками (5) или собраны в технологическую схему (6), образующими циркуляционный контур второго теплоносителя. Количество колец одного змеевика, расположенных в высоту, определяется с учетом предпочтительно полного погружения змеевика в первый теплоноситель. Трубопровод змеевика имеет в сечении овальную форму с целью интенсивного перемешивания второго теплоносителя и отрыва более горячего пограничного слоя от стенок трубопровода и создания турбулизации и соответственно, осуществление эффективного отведения тепла от первого теплоносителя.
Овальная форма трубопровода змеевика со вторым теплоносителем, выполненная горизонтально, способствует увеличению конвективного тепломассопереноса первого теплоносителя в радиальном направлении. Радиальное направление определяется, как направление от центра активной зоны, где расположены источники тепловой энергии ТВС (ТВЭЛы) к периферии в которой технически проще осуществить теплосъем за счет увеличения поверхности нагрева трубопровода. Овальная форма трубопровода, выполненная вертикально, способствует увеличению конвективного тепломассопереноса в вертикальном направлении. Способ выбора расположения овала трубопровода принимается от постановки проектно-конструкторских задач при проектировании ядерный реакторной установки (ЯРУ). Металл, из которого сделан змеевик, всегда должен иметь больший коэффициент теплопроводности, чем первый теплоноситель. Соответственно расположение овала трубопровода является направляющей линией, по которому происходит более быстрый и более интенсивный отвод тепла из активной зоны, формируя, радиальную или вертикальную направленность, позволяя рассредоточить тепловой поток, идущий из активной зоны атомного реактора.
Отсутствие устройств, повышающих гидравлическое сопротивление, как в первом теплоносителе, так и во втором теплоносителе приводит к повышению надежности ядерной реакторной установки (ЯРУ) и стабильным рабочим параметрам в активной зоне атомного реактора.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение эффективности отвода тепла от ТВС (ТВЭЛов) за счет размещения в пространстве активной зоны в первом теплоносителе циркуляционного трубопровода, выполненного в виде змеевика расположенного вокруг источников тепловой энергии ТВС (ТВЭЛов).
Диапазон температур в активной зоне атомного реактора составляет 350÷850°С, (ссылка 1) соответственно первый теплоноситель состоящий из метала с низкой температурой плавления (до 320÷350°С) всегда будет находиться в расплавленном (жидком) состоянии. Изготовление змеевика для транспортирования второго теплоносителя из металла с большой теплопроводностью (например, из меди) возможно с применением лекал и раскроя с последующим соединением заготовок при помощи сварки или скрепления «внахлест».
Таким образом, предлагаемое устройство в виде змеевика для передачи тепловой энергии позволяет получить следующие конструктивные преимущества:
- обеспечить конвективный тепломассообмен первого теплоносителя в непосредственной близости от источников тепловой энергии ТВС (ТВЭЛов);
- первый теплоноситель, состоящий из жидкого металла, обладая большой теплоемкостью, позволяет снизить объем активной зоны;
- постоянный отбор тепла через циркуляционный трубопровод со вторым теплоносителем (гелий, азот), выполненный в схеме единого трубопровода или в технологической схеме подключения змеевиков, позволяет работать ядерной реакторной установки (ЯРУ) в штатном режиме при увеличении теплового потока от источника тепловой энергии за счет подключения дополнительных змеевиков;
- наличие конвективности и тепломассопереноса первого теплоносителя, сформированного овалом трубопровода змеевика в объеме активной зоны, позволяет избежать перегрева источников тепловой энергии ТВС (ТВЭЛов) и снизить риск возникновения нештатных ситуаций в ядерной реакторной установке (ЯРУ);
- применение гелия, обладающего высокой теплоемкостью по сравнению с другими инертными газами, позволяет осуществить подачу гелия непосредственно в турбину для выработки электроэнергии;
Перечень чертежей:
1. Фиг. 1. - Расположение двух змеевиков в среде первого теплоносителя.
2. Фиг. 2. Варианты подключения змеевиков в среде первого теплоносителя.
3. Фиг 3. - Пояснение по расположению сечений трубопровода.
1. Ссылка:
http://go.mail.ru/search?fm=1&q=http%3A%2F%2Fvant.kipt.kharkov.ua%2FARTICLE%2FVANT_2009_4%2Farticle_2009_4_247.pdf