ИНТЕНСИФИКАТОР ТЕПЛООТДАЧИ
HEAT OUTPUT INTENSIFIER

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предполагающих наличие в своем составе устройств и средств для интенсификации теплообмена с поверхности твэла, и может быть использовано, в частности, в действующих реакторах водо-водяного типа с тепловой мощностью более 2600 МВт (например, ВВЭР-1000) или в реакторах с аналогичными особенностями в конструкции твэлов.
Известны конструкции твэлов (патент РФ №2417462, Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, опубл. 27.04.2011), содержащие топливные таблетки, помещенные в циркониевую оболочку, фиксирующие пружины, осуществляющие поджимание столба таблеток, верхнюю и нижнюю пробки.
Недостатком известной конструкции является неэффективный теплосъем с гладкой цилиндрической поверхности твэла, связанный с образованием пленочного режима кипения, т.е. образованием тонкого парового слоя, отделяющего нагреваемую поверхность твэла от жидкого теплоносителя. Уменьшение теплоотдачи вызывает локальное повышение температуры оболочки и образование микротрещин, которые могут привести к разгерметизации. Попадание воды в трещины приводит к разрушению оболочки и попаданию радиоактивного топлива (продуктов деления) в контур циркуляции теплоносителя. Эти процессы снижают ресурс твэлов и эксплуатационную надежность реактора.
Наиболее близким по технической сущности является интенсификатор теплоотдачи (см. Патент США, №3361640, МПК G21C 3/32, опубл. 2.01.1968), содержащий топливные таблетки, помещенные в циркониевую оболочку, фиксирующие пружины, осуществляющие поджимание столба таблеток, верхнюю и нижнюю пробки, на внешней поверхности оболочки выполнены косые ребра, осуществляющие закрутку потока теплоносителя относительно продольной оси твэла, а также дистанционирование твэлов друг от друга в сборке.
Однако такое решение дает существенное ухудшение гидравлических параметров прохождения потока теплоносителя вдоль твэлов. Выступающие ребра уменьшают гидравлический диаметр канала, а косое положение ребер удлиняет длину канала, что в совокупности значительно увеличивает гидравлическое сопротивление прохождению теплоносителя через активную зону.
Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотдачи с поверхности твэлов при минимальном увеличении гидравлического сопротивления, характерного для гладкой поверхности твэлов.
Технической задачей является использование для целей перемешивания и турбулизации потока теплоносителя не внешних, по отношению к теплоносителю, элементов (ребра, накрутка проволочных спиралей, введение закручивающих решеток и пр.), а самого теплоносителя.
Это достигается тем, что известный интенсификатор теплоотдачи, содержащий металлическую ленту в виде спирали, навитую на внешнюю поверхность стержневого тепловыделяющего элемента и дополнительно закрученную относительно собственной продольной оси.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 показан интенсификатор теплоотдачи, а на фигуре 2 приведена фотография экспериментальной установки, иллюстрирующая образование микровихрей при взаимодействии транзитного и закрученного потоков.
Интенсификатор теплоотдачи содержит спиральную навивку металлической ленты 1 на внешнюю поверхность стержневого тепловыделяющего элемента 2, внутри которого находятся топливные таблетки 3, при этом металлическая лента 1 интенсификатора закручена относительно собственной продольной оси.
Интенсификатор теплоотдачи работает следующим образом. Прокачиваемый вдоль внешней поверхности оболочки твэла теплоноситель достигает первого витка металлической ленты 1 интенсификатора на внешней поверхности твэла и за счет закрученности относительно собственной продольной оси разделяется на два потока. Первый поток в местах, где закрученность металлической ленты 1 образует как бы мостики над внешней поверхностью твэла, образует транзитную составляющую, имеющую вектор скорости, направленный вдоль образующей стержневого твэла, а вторая составляющая формируется за счет спиральной намотки интенсификатора на поверхности твэла и образует закрученный поток теплоносителя. Очевидно, что взаимодействие двух вязких потоков с векторами скоростей, расположенными под некоторым углом, приводит к образованию микровихрей (фиг.2), которые и вызывают перемешивание теплоносителя между слоями над поверхностью твэла.
Таким образом, в предлагаемом интенсификаторе теплоотдачи поток теплоносителя нагревается от контакта с внешней поверхностью твэла, как это происходит в традиционных стержневых твэлах, и, кроме того, эффективно перемешивается микровихрями в удаленной от пристеночной зоны твэла, не позволяя образовываться пленочным режимам кипения. По сути микровихри многократно увеличивают поверхность теплообмена, не внося в поток теплоносителя внешних элементов, например оребрения внешней оболочки, и, тем самым, не внося дополнительного гидравлического сопротивления потоку теплоносителя.
Использование изобретения обеспечивает улучшение теплоотдачи с поверхности твэлов при минимальном увеличении гидравлического сопротивления, характерного для гладкой поверхности твэлов.