СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
PASSIVE NUCLEAR REACTOR HEAT REMOVAL SYSTEM

Изобретение относится к вентиляционной теплообменной технике и может использоваться в разных отраслях промышленности для пассивного отвода тепла от источников тепловой энергии, в том числе, в качестве системы аварийного отвода тепла от водоводяных и других ядерных реакторов.
Известны подобные устройства, например, по патенту РФ № 2067720, МПК G21 C 15/18 авторов Смирнова М. В, Голонцева В. А, Осипова Л. П. «Система пассивного отвода тепла ядерного реактора» [1].
Данная система пассивного отвода содержит корпус теплоносителя, включающий парогенератор, теплообменник, поверхность которого водой атмосферного бака, а на линии отвода пара из теплообменника установлен воздушный теплообменник для конденсации пара.
Недостатком данной системы является необходимость в дополнительном теплообменнике, установленном на линии отвода пара из теплообменника конденсатора, и - в атмосферном баке воды, причем дополнительный теплообменник необходимо располагать выше уровня воды в атмосферном баке. Кроме того, подобная система требовательна к наличию значительных запасов воды.
Известно так же «Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной станции» авторов Бумагина В. Д., Широкова-Брюхова Е. Ф, Хаустова И. М. и Макарова М. Н.  по патенту РФ № 2450375, МПК G21C 9/00, G21 C 15/18 [2].
Данное устройство содержит торообразный воздушный коллектор с радиально расположенными на куполе защитной оболочки воздуховодами, покрытыми кровлей, и теплообменники, один из которых установлен внутри защитной оболочки, а другой снаружи, соединенные между собой подающим и отводящим трубопроводами. Кроме того, наружный теплообменник установлен на куполе между воздуховодами и кровлей, при этом на верхней поверхности коллектора имеется отверстие для забора воздуха, а на кровле укреплена вытяжная труба, причем внутренний теплообменник закреплен под куполом ниже уровня расположения наружного теплообменника. Имеется так же у выходного участка наружного теплообменника поворотная заслонка с пневматическим механизмом, подключенным к подающему трубопроводу.
Недостатком этого устройства является его сложность в технической реализации, обусловленная необходимостью усилить теплоотвод из внутренней оболочки реактора путем установки дополнительного внутреннего теплообменника, системы трубопроводов, выполнение условий по взаимному расположению теплообменников и механических узлов: поворотной заслонки и пневматического механизма.
Известна так же «Система пассивного отвода тепла от водоводяного энергетического реактора через парогенератор» авторов Безлепкина В.В, Сидорова В.Г. и др. по патенту РФ № 2595640, МПК G21C 15/00 [3].
Данная система представляет собой еще более сложную конструкцию для решения вопроса эффективного отвода тепловой энергии из внутренней оболочки реактора. В системе применяется совокупность контуров циркуляции теплоносителя, как правило, из четырех полностью независимых один от другого каналов, в каждом из которых установлено по одному контуру циркуляции. Каждый контур циркуляции содержит парогенератор и секционный теплообменник, размещенный выше парогенератора внутри емкости запаса охлаждающей воды. Секции теплообменника соединены с парогенератором, подводящим и отводящим трубопроводами таким образом, что внутренний объем теплообменника сообщается с паровым объемом парогенератора, а контур циркуляции системы замыкался на его внутренний объем. Кроме того, теплообменник разделен на шестнадцать параллельных теплообменных секций, каждая из которых состоит из двух полусекций, выполненных по расчетным данным как к их длине, так и к диаметру коллектора. Так же задаются специальные требовании к наклонам трубопроводов относительно горизонтали, расположению секций теплообменников в шахматном порядке и т.д.
Недостатком данной системы является ее громоздкость и сложность в практической реализации для решения задачи пассивного отвода тепловой энергии от какого-либо объекта. Наличие значительного числа трубопроводов, секций, коллекторов и т.д. снижает общую надежность системы из-за возникновения возможных дефектов в металлоконструкциях.
Таким образом, решение задачи по увеличению интенсивности пассивного отвода тепловой энергии от объектов в атмосферу приводит к постоянному усложнению конструкций устройств и увеличению их стоимости. В основном решение данной задачи сводится к увеличению теплоотдачи теплообменником, расположенным в вытяжном канале объекта.
Известна «Система пассивного отвода тепла АЭС – 2006 (РУ В-392М)», представленная на Рис. 2. 11, стр. 68 в книге «Схемные решения и принципы работы пассивных систем аварийного охлаждения различных типов ЯЭУ» (копия 2-х страниц приложена к описанию настоящей заявки, приложение 1).
По мнению, авторов настоящей заявки данная система является обобщением подобных технических решений и может быть выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа) [4].
Система содержит источник тепловой энергии – реактор, преобразователь тепловой энергии – парогенератор, подключенный к теплообменнику, расположенному в вытяжной трубе станции.
Недостатком данной системы является так же слабый теплообмен теплообменника с омываемым его воздухом без принудительной вентиляции. В качестве источников тепловой энергии могут являться любые другие промышленные объекты, от которых необходимо отводить избыточное тепло в пассивном режиме без дополнительного контроля и управления ими со стороны обслуживающего персонала.
Технической проблемой, которую решает предлагаемое изобретение является упрощение конструкции системы и повышение эффективности отвода тепловой энергии от теплообменника, находящегося в потоке воздуха, вытяжного канала объекта.
Технический результат заключается в следующем:
- использован эффект от нагрева теплообменника для срабатывания датчика теплового привода с выдвигающимся силовым штоком для включения клапана баллона с газом высокого давления;
- применены двухфазные распылительные форсунки, подключенные к баллону высокого давления и к резервуару с водой или другой жидкостью;
- в качестве датчика теплового привода применен тепловой привод с термобиметаллом с памятью формы;
- в качестве датчика теплового привода применено устройство с газовым приводом;
- в качестве датчика теплового привода применен сильфон с выдвигающимся штоком;
- в качестве рабочей жидкости использована незамерзающая при отрицательных температурах жидкость.
Технический результат достигается за счет того, что в систему пассивного отвода теплоты, содержащую теплообменник, размещенный в потоке воздуха в воздушном канале и соединенный с источником избыточной тепловой энергии объекта, например, парогенератором АЭС, дополнительно введены датчик теплового привода с выдвигающимся силовым штоком, баллон с газом высокого давления, резервуар с водой или другой жидкостью и двухфазные форсунки, причем датчик теплового привода размещен на теплообменнике, его приводной шток подключен к клапану баллона с газом, выходы с баллона газа и с резервуара жидкости подключены через трубопроводы и вентили к входам двухфазных форсунок, а форсунки размещены с направлением их выходного потока на теплообменник.
Технический результат достигается так же за счет того, что в качестве пассивного теплового привода может быть использован либо термобиметалл с памятью формы, либо газовый привод, либо сильфонный привод, а в качестве рабочей жидкости в зимних условиях использована незамерзающая при отрицательных температурах жидкость.
На чертеже представлена «Система пассивного отвода ядерного реактора».
Система содержит объект 1 с источником избыточной энергии от реактора 2 и парогенератора 3, подключенного к теплообменнику 4, размещенному в воздушном канале 5. Датчик 6 теплового привода имеет выдвигающийся силовой шток 7, подключенный к клапану 8 баллона 9 с газом высокого давления. Резервуар 10 с водой или с другой жидкостью через трубопровод 11 и вентиль12 подключен к одному входу двухфазной (атомайзер) форсунки 13 для пневматического распыления жидкости, другой ее вход подключен через вентиль 14 и трубопровод 15 к баллону с газом высокого давления, причем последний так же через трубопровод 16 и вентиль 17 соединен с резервуаром, содержащем жидкость.
«Система пассивного отвода тепла ядерного реактора» работает следующим образом. Например, требуется отводить избыточную тепловую энергию от объекта 1, содержащего реактор 2 АЭС с парогенератором 3. Перегретый пар с парогенератора 3 поступает на турбину и проходит так же через теплообменник 4, размещенный в воздушном канале(трубе) 5. В случае нештатной ситуации при чрезмерной тепловой энергии, проходящей через теплообменник 4, последний нагревается до допустимой температуры, при этом нагревается от него датчик теплового привода 6 и выдвигается его силовой шток 7, открывающий частично или полностью клапан 8 баллона 9 газа высокого давления. Газ через трубопровод 15 и вентиль 14 поступает на один вход двухфазной форсунки 13, на другой ее вход через трубопровод 11 и вентиль 12 подается вода или другая жидкость. Для создания избыточного давления в резервуаре 10 его вход через вентиль 17 и трубопровод16 так же подключен к баллону 9 высокого давления.
Факел распыленной жидкости от форсунок 13, направленный на поверхность теплообменника 4, эффективно охлаждает его. При пневматическом распылении определяющим фактором разрушения сплошности жидкости является воздействие скоростного потока газа, который служит для дополнительного расщепления более медленной жидкости на мельчайшие капли [5]: «Техника распыления. Компания Иримэкс» [электронный ресурс]. Режим доступа www.c-irimex.ru/catalog/forsunki.
Мелкодисперсное распыление достигается за счет повышения давления воздуха и/или понижения давления жидкости в соплах. Это приводит к увеличению соотношения количества воздуха к количеству жидкости, что регулируется вентилями 12 и 14. Жидкость может подаваться в форсунку 13 под давлением при включенном вентиле 17, всасыванием или самотеком.
Возможность эффективного охлаждения объектов мелкодисперсным распылением жидкости обосновано в работах кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского энергетического института УрФУ и Институтом теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.
В статье [6] сотрудников УрФУ «Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена при охлаждении сферы с использованием потока воздушно-водяного тумана» показано, что «Коэффициент энергетической эффективности при охлаждении сферы в канале потоком воздушно-водяного тумана существенно выше (до 300%), чем применение воздушного охлаждения».
В статье [7] сотрудников Института теплофизики «Влияние спутного газового потока в импульсном аэрозоле на процесс испарительного охлаждения» утверждается, что переход от капельного орошения к аэросмеси при небольших расходах жидкости (6-30 г/м2с) приводит к увеличению теплообмена более чем в два раза по сравнению с чисто капельным орошением. Показано, что присутствие спутного потока в газокапельном потоке существенно интенсифицирует теплообмен. Эффективность повышается за счет того, что воздушный поток дестабилизирует пленку жидкости, осажденную на поверхности каплями спрея, усиливает испарительные процессы жидкости на поверхности».
В предлагаемом изобретении интенсивность охлаждения теплообменника 4 зависит от производительности и величины факела форсунки 13, которые взаимосвязаны с регулировкой датчика теплового привода и его силового штока, открывающего на определенную величину клапан 8 баллона 9 с газом высокого давления. В составе теплового привода, не требующего вмешательства дежурного персонала, могут быть использованы разные вещества, расширяющиеся при изменении температуры теплообменника в устройстве и толкающие силовой шток, например, «Рабочее тело» по патенту №2132469 автора Дочкина В.Г. [8].
В качестве датчика теплового привода может использоваться так же «Механизм с термочувствительным приводом» по патенту РФ № 2188966 авторов Огнева Г.Л., Челяева В. Ф., Гамерова Т. Н. с чувствительным элементом из материала с эффектом памяти [9] или «Датчик температуры сильфонный ТФ-2-С, ТФ-3-С», обеспечивающий преобразование изменения температуры среды в перемещение штока чувствительного элемента [10], газовый термопривод фирмы UNIVENT, торговая марка i.Orbesen Teknik (Дания) [11], или гидроцилиндр УФОПАР, развивающий в качестве термопривода усилие до 110 кг. Выпускается ООО «Контакт», г. Королев М.О., сайт: www. arka-green.ru [12].
При работе предлагаемой системы в зимних условиях в резервуар 10 заливается незамерзающая при отрицательных температурах жидкость. Предлагаемая система охлаждения, в отличие от существующих подобных систем, используя мелкодисперсное распыление жидкости, не нуждается в больших запасах жидкости (воды), что актуально для АЭС, строящихся в странах Африки и Азии.
Системы вентиляции АЭС проектируются с учетом естественной тяги. Более влажный, а значит более тяжелый воздух, может ухудшить тягу. С помощью регулирующих вентилей 12, 14, 16 представляется возможность регулировать распыление жидкости и влажность потока с форсунки 13, подаваемого в воздушный канал 5 (вытяжную трубу).
Таким образом, в настоящей заявке предложено новое направление охлаждения теплообменников мелкодисперсным распылением жидкости. В работе данной системе обеспечивается пассивный принцип, то есть без участия персонала и без использования активных элементов, таких как насосы, электрически управляемые задвижки и другие элементы. Использование данного технического решения на АЭС повысит безопасность атомной станции, так как в случае маловероятного электрического обесточивания, позволит пассивно отводить избыточную тепловую энергию из внутренней оболочки объекта. Предлагаемое техническое решение может найти так же применение на любых других промышленных объектах с теплообменными агрегатами в качестве пассивной, резервной или аварийной системы расхолаживания.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Смирнов М. В., Голонцов В. А., Осипов Л. П. Система пассивного отвода тепла ядерного реактора. Патент РФ № 2067720, МПК G21C 15/18; F22B1/06 (аналог).
2. Бумагин В. Д. и др. Устройство для воздушного охлаждения системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки атомной электростанции. Патент РФ № 2450375, МПК G21C 9/00; G21C 15/18 (аналог).
3. Безлепкин В. В., Сидоров В. Г. и др. Система пассивного отвода тепла от водоводяного энергетического реактора через парогенератор. Патент РФ № 2595640, МПК G21C 15/00 (аналог).
4. Морозов А. В., Ремизов О.В. и др. Схемные решения и принципы работы пассивных систем аварийного охлаждения различных типов ЯЭУ: учебное пособие, М, НИЯУ МИФИ, 2015, с. 68, рис. 2.11 «Система пассивного отвода тепла АЭС-2006 (РУ В-392М)» (прототип).
5. Техника распыления. Продукция компании Иримэкс [электронный ресурс]. Режим доступа: www. c-irimex. ru/catalog/forsunki.
6. Щеклеин С.Е., Пахалуев В. М., Абед А. Х. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена при охлаждении сферы с использованием потока воздушно-водяного тумана. Энергетические системы. 3-я Междунар. Науч.-техн. конф: сб. трудов, Белгород, 29-30 нояб. 2018г. / Белгор. Гос. технол. Ун-т, с. 52-58.
7. Назаров А. Д., Серов А. Ф., Терехов В. И. Влияние спутного газового потока в импульсном аэрозоле на процесс испарительного охлаждения /Теплофизика высоких температур, 2014, том 52, № 4, с. 605-608.
8. Дочкин В. Г. Рабочее тело. Патент РФ № 2132469, МПК F01K 25/06.
9. Огнев Г. Л., Челяев В. Ф., Гамеров Т.Н. Механизм с термочувствительным приводом. Патент РФ № 2188966, МПК F03G 7/06; E05F 15/20.
10.Датчик температуры сильфонный ТФ-2-С, ТФ-3-С. ООО ПКФ ТАУРУС. [электронный ресурс]. Режим доступа: www.tau-rus.com/datchik_ТФ-2-С.
11. Газовый термопривод фирмы UNIVENT, Дания, торговая марка i. Orbesen Teknik.
12. Гидроцилиндр УФОПАР, ООО «Контакт», г. Королев М.О., режим доступа сайт: www. arka-green.ru.