Способ повышения критических тепловых потоков в тепловыделяющей сборке с трубчатыми твэлами
METHOD FOR INCREATING CRITICAL HEAT FLUXES IN A FUEL ASSEMBLY WITH TUBULAR FUEL RODS

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева воды, например в ядерных энергетических установках.
Известен способ повышения критических тепловых потоков (КТП) в тепловыделяющей сборке заключающийся в подаче теплоносителя на вход тепловыделяющей сборки, пропускании теплоносителя вдоль выпуклых теплоотдающих поверхностей тепловыделяющих элементов (твэлов), выделении тепла в твэлах, отводе тепла с выпуклых теплоотдающих поверхностей твэлов (Ф.Я. Овчинников, В.В. Семенов Эксплуатационные режимы ВВЭР. М. Энергоатомиздат.1988 г. С. 149, [1]).
Основной недостаток способа работы ТВС в том что, он не позволяет получить высокую энергонапряженность сборки. Последнее обусловлено следующим. Поскольку запасы до кризиса теплообмена определяются по среднесмешанным параметрам сборки (по сечению), расчетные значения критических тепловых потоков (КТП) могут значительно отличаться от тех, которые имеют место в реальной ситуации. Это обусловлено тем, что в ТВС всегда присутствуют необогреваемые элементы (ПЭЛ, стержни СУЗ), наличие которых приводит к значительному снижению КТП, по сравнению с теми КТП, которые имеют место в ТВС с теплогидравлически равноценными ячейками. В настоящее время практически отсутствуют методики расчета КТП в ТВС с теплогидравлически неравноценными ячейками. Методики, используемые для оценок запасов до кризиса, несовершенны и определяют КТП с большой погрешностью. (Pometko R.S., Boltenko Е.А. et all. The critical Heat Flux in WWER Fuel Subassembly Model with Nonuiform Crossectional Parameters Distubution / NURETH -8, September 30-October, 1997, Japan, [2]). Для того чтобы избежать аварийных ситуаций, связанных с неверным определением КТП, допустимые значения КТП (запасы до кризиса теплоотдачи) в сборках занижают, тем самым снижая энергонапряженность и, соответственно, экономичность ТВС.
Одна из причин низких значений КТП в ТВС такой конструкции в том, что теплоноситель по сечению ТВС слабо перемешивается. Последнее приводит к тому, что в ячейках ТВС теплоноситель имеет различные параметры (температуры, скорости и т.д.). Любое возмущение на входе передается практически на выход сборки. В связи с этим локальное ухудшение теплогидравлической обстановки в ячейке ТВС приводит к локальному ухудшению температурного режима твэла (при соответствующих тепловых потоках) и как следствие к кризису теплосъема, выходу его и, соответственно, ТВС из строя.
3
В работе (Патент РФ на изобретение 2680175 С1, МПК F28F 13/12. Способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях теплопередающих устройств и устройство для его осуществления /Э.А. Болтенко // Заявка №2016142832/28, от 31.10.2016, опубликовано 03.05.2018, Бюл. №13/ Опубликовано: 18.02.2019. Бюл. №5, [3].) решена задача значительного повышения интенсивности теплосъема и критического теплового потока на выпуклых теплоотдающих поверхностях заключающаяся в разделении потока, поданного на выпуклую теплоотдающую поверхность на два, и закрутке верхнего потока. Интенсификация теплосъема достигается за счет взаимодействия верхнего закрученного и транзитного потока, движущегося по выпуклой поверхности.
н
н
в
Повышение интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности достигается также за счет того, что нижний поток, движущийся вдоль выпуклой теплоотдающей поверхности, закручивают.Повышение интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности достигается также за счет того, что на выпуклой поверхности размещено закручивающее устройство, причем шаг закрутки закручивающего устройства, размещенного на выпуклой поверхности лежит в диапазоне 0<Т<∞с, а угол закрутки нижнего закручивающего устройства ϕ направлен противоположно углу закрутки верхнего закручивающего устройства ϕ. Повышение интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности достигается также за счет того, что верхний закрученный поток, удаленный от выпуклой поверхности, предварительно делят на ряд потоков, сдвинутых по фазе, [3].
3
В работе (Патент России 2359346 MПKG21С 3/322 (2006.01). Способ работы тепловыделяющей сборки /Э.А. Болтенко // Заявка №2006111371/06 от 10.04.2006. Бюл.№17. 2009 г. [4]) решена задача повышения интенсивности теплосъема и критического теплового потока на вогнутой теплоотдающей поверхности твэл с помощью закрутки теплоносителя и последующего перераспределения тепловых потоков по толщине твэла за счет тепловых обратных связей.
3
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ работы тепловыделяющей сборки заключающийся в том, что подают теплоноситель на вход тепловыделяющей сборки, распределяют теплоноситель между межтвэльным пространством и внутренними полостями тепловыделяющих элементов (твэлов), пропускают теплоноситель вдоль выпуклых и вогнутых теплоотдающих поверхностей твэлов, выделяют тепло в твэлах, перераспределяют выделяемое тепло по толщине твэла, отводят выделяемое тепло за счет теплосъема с вогнутых и выпуклых теплоотдающих поверхностей твэлов (Патент России 2220464 MKMG21С3 /00, 3/30, 3/32. Тепловыделяющая сборка / В.Н. Блинков, Э.А. Болтенко // Заявка №2002104121 от 20.02.2002. Открытия. Изобретения. 2003. №36, [5]).
Основной недостаток способа заключается в том, что этот способ работы не позволяет достичь высокой энергонапряженности тепловыделяющей сборки. Например, в случае отклонения режима работы ТВС от номинального расход через ТВС начнет снижаться и ТВС будет работать в нерасчетном режиме. В этом случае на выходе сборки будет иметь место кипение теплоносителя, т.е. сборка будет работать в кипящем режиме. В этом случае как на вогнутой, так и выпуклой теплоотдающих поверхностях может наступить, так называемый, кризис теплоотдачи «второго рода», значения КТП снизятся значительно (до 2-3 раз). Поскольку на сборке тепловые потоки достаточно велики достижение кризиса приведет к значительному повышению температуры стенок (2000-3000°С) и выходу сборки из строя.
Предлагается способ повышения критических тепловых потоков в тепловыделяющей сборке с трубчатыми твэлами заключающийся в том, что подают теплоноситель на вход тепловыделяющей сборки, распределяют теплоноситель между межтвэльным пространством и внутренними полостями тепловыделяющих элементов (твэлов), пропускают теплоноситель вдоль выпуклых и вогнутых теплоотдающих поверхностей твэлов, выделяют тепло в твэлах, перераспределяют выделяемое тепло по толщине твэлов и отводят выделяемое тепло за счет теплосъема с вогнутых и выпуклых теплоотдающих поверхностей отличающийся тем, что перераспределение и отвод тепла с теплоотводящих поверхностей осуществляют за счет того, что поток, поступающий в межтвэльное пространство, предварительно делят, по крайней мере, на два потока, подают на выпуклую теплоотдающую поверхность твэла, закручивают удаленный от выпуклой поверхности поток (верхний), проводят взаимодействие транзитного потока, текущего по выпуклой теплоотдающей поверхности твэл, и закрученного потока, проводят взаимодействие потоков образованных закручивающими устройствами и потоков, проходящих в зазорах между закручивающими устройствами, проводят взаимодействие закрученного потока, возникающего при прохождении теплоносителя через отверстия в стенке твэла и транзитного потока.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении критических тепловых потоков в тепловыделяющей сборке с трубчатыми твэлами, что обеспечивается тем, что перераспределение и отвод тепла с теплоотводящих поверхностей осуществляют за счет того, что поток поступающий в межтвэльное пространство, предварительно делят, по крайней мере, на два потока подают на выпуклую теплоотдающую поверхность твэл, закручивают удаленный от выпуклой поверхности поток (верхний), проводят взаимодействие транзитного потока, текущего по выпуклой теплоотдающей поверхности твэла, и закрученного потока, проводят взаимодействие потоков образованных закручивающими устройствами и потоков, проходящих в зазорах между закручивающими устройствами, проводят взаимодействие закрученного потока, возникающего при прохождении теплоносителя через отверстия в стенке твэла и транзитного потока, текущего по выпуклой теплоотдающей поверхности твэла.
Достижение технического результата обеспечивается за счет поступления потока теплоносителя в межтвэльное пространство, предварительного разделения, по крайней мере, на два потока теплоносителя и подачи на выпуклую теплоотдающую поверхность твэла, закручивания удаленного от выпуклой поверхности потока (верхнего), проведения взаимодействия транзитного потока, текущего по выпуклой теплоотдающей поверхности твэла, и закрученного потока, проведения взаимодействия потоков образованных закручивающими устройствами и потоков, проходящих в зазорах между закручивающими устройствами, проведения взаимодействия закрученного потока, возникающего при прохождении теплоносителя через отверстия в стенке твэла и транзитного потока.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены электрообогреваемые сборки с трубчатыми твэлами, в которых на выпуклой теплоотдающей поверхности образованы транзитные и закрученные потоки. На фиг. 1 транзитный поток образован с помощью продольных ребер, установленных на выпуклой поверхности, закрученный поток образован с помощью закручивающих устройств. На фиг. 2 транзитный поток образован с помощью проставок (проволочек), установленных на выпуклой поверхности, закрученный поток образован с помощью закручивающих устройств. На фиг. 3 представлен трубчатый тепловыделяющий элемент с двухсторонним теплосъемом. На фиг. 4, 5 показаны схемы трубчатых твэлов, реализующих взаимодействие транзитного и закрученного потоков. На фиг. 6 показан качественный характер зависимости критического теплового потока от паросодержания на выпуклой теплоотдающей поверхности кольцевого канала.
Тепловыделяющая сборка, ТВС, работает следующим образом Теплоноситель, поданный на вход тепловыделяющей сборки, распределяется между внутренними полостями твэлов и межтвэльным объемом, омывая выпуклые и вогнутые теплоотдающие поверхности твэлов. Теплоноситель, подаваемый в межтвэльный объем, предварительно делят, по крайней мере, на два потока, подают теплоноситель на выпуклую теплоотдающую поверхность трубчатых твэлов, закручивают удаленный от выпуклой поверхности поток (верхний). Проводят взаимодействие транзитного потока, текущего по выпуклой теплоотдающей поверхности твэла, и закрученного потока, проводят взаимодействие потоков образованных закручивающими устройствами и потоков, проходящих в зазорах между закручивающими устройствами, проводят взаимодействие закрученного потока, возникающего при прохождении теплоносителя через отверстия в стенке твэла и транзитного потока.
Распределение расходов теплоносителя происходит в соответствии с гидравлическими сопротивлениями внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема. Далее теплоноситель проходя через межтвэльный объем и внутренние полости твэлов за счет тепловыделения в твэлах нагревается до требуемого значения и выходит из ТВС.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны семистержневые сборки с трубчатыми твэлами. На фиг. 3 показан трубчатый твэл. На фиг. 4 транзитный поток образован путем установки (приварки) пуклевок (проставок, проволочек) на выпуклой поверхности, закрученный поток образован путем установки закручивающих устройств на пуклевках. На фиг. 5 для образования транзитного потока установлено 4 продольных ребра, на которых приварено закручивающее устройство. Продольный зазор, фиг. 4 и продольные ребра, фиг. 5 выполняют следующие функции - во-первых, образуют каналы для прохождения транзитного потока, во-вторых, образуют ячейки, имеющие общую границу по жидкости с закрученным потоком, который создается закрученным устройством.
Благодаря взаимодействию закрученного и транзитного потоков на выпуклой теплоотдающей поверхности значительно возрастает коэффициент теплоотдачи. В связи с этим благодаря тепловой обратной связи часть тепла, которое отводилось с выпуклой теплоотдающей поверхности будет передано на вогнутую поверхность. В случае аварийного процесса (ухудшение теплоотдачи) все тепло будет передано с выпуклой поверхности, а максимальная температура твэла будет равна температуре со стороны выпуклой поверхности.
На выпуклой поверхности участки с закруткой и транзитным потоком размещены на длине 50-100 мм. Между этими участками расположены участки с гладкой поверхностью длиной 100 мм. Закручивающие устройства установлены с зазором относительно выпуклой поверхности твэл. Дистанционирование твэлов выполнено с помощью дистанционирующих решеток.
Благодаря взаимодействию транзитного и закрученного потока происходит значительное возрастание коэффициента теплоотдачи и критического теплового потока на выпуклой теплоотдающей поверхности. Использование закрученного и транзитного потоков на выпуклой поверхности позволяет повысить критические тепловые потоки в тепловыделяющей сборке с трубчатыми твэлами.
2
Повышение критических тепловых потоков в тепловыделяющей сборке с трубчатыми твэлами происходит за счет ряда эффектов. За счет наличия жидкой границы между транзитным потоком и закрученным потоком центробежные ускорения g*, создаваемые микровихрями, значительно выше g основного закручивающего потока g*>>g (d>>h), g*=U/r. Благодаря наличию жидкой границы окружные скорости в ячейках равны окружной скорости, образованной закручивающим устройством 2, фиг. 4, фиг. 5.
вн
2
где d - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности, Т - шаг закрутки, W - средняя скорость набегающего потока. Наличие твердых границ и жидкой границы, имеющей окружную скорость, способствует образованию микровихрей с центрами вращения в межреберном пространстве, радиус вращения которых порядка высоты транзитного потока, (зазора, высоты ребер h). Так как h=0,1÷0,5 мм, что значительно меньше d, центробежные ускорения g*, создаваемые микровихрями, значительно выше g основного закручивающего потока g*>>g (d>>h), g*=U/r.
Благодаря значительному увеличению g* усиливаются эффекты, связанные с выбросом влаги на выпуклую теплоотдающую поверхность и отсоса пара с поверхности. Взаимодействие транзитного потока с закручивающим устройством приводит к дополнительной турбулизации потока и выбросу влаги на теплоотдающие поверхности. В результате этого имеет место значительное повышение критических тепловых потоков и интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности.
Повышение критических тепловых потоков и интенсивности теплосъема происходит также благодаря взаимодействию потоков, образованных закручивающими устройствами и потоков, проходящих в зазорах между закручивающими устройствами, повышение критических тепловых потоков происходит также за счет возникающего при прохождении теплоносителя через отверстия в твэле, и транзитного потока. На фиг. 6 показаны значения критических тепловых потоков на выпуклой теплоотдающей поверхности от паросодержания для кольцевого канала, в котором происходит взаимодействие закрученного и транзитного потока, [6, 10]. Как видно из фиг. 6 взаимодействие транзитного и закрученного потоков на выпуклой теплоотдающей поверхности приводит к значительному повышению критического теплового потока.
Отверстия в стенке твэла обеспечивают гидравлическую обратную связь между внутренними полостями твэла и межтвэльным пространством. В этом случае закрутка кроме управления тепловой обратной связью и перераспределением теплоносителя на входе в твэл будет также изменять и перетоки теплоносителя по длине твэла за счет гидравлической обратной связи.
Пример конкретного выполнения. Определение запасов до кризиса теплоотдачи. В настоящее время запасы до кризиса в ТВС определяются следующим образом, фиг. 7:
1. На основании геометрических, режимных, входных и других параметров определяются локальные параметры в ячейках сборки или усредненные параметры по сечению.
2. Определяются критические тепловые потоки КТП для локальных параметров, и находятся запасы до кризиса как отношения КТП к локальному тепловому потоку с поверхности твэла.
3. Из всех возможных значений запасов для различных кассет, различных ячеек и сечений по длине выбирается минимальное, которое и принимается в качестве лимитирующего фактора по уровню энерговыделения в реакторе.
кр
лок
Такому подходу, основанному на сопоставлении КТП при данных локальных параметрах, локального потока с поверхности твэла, свойственен некоторый недостаток. Недостаток связан с тем, что коэффициент запаса, определенный как q/q, имеет смысл для фиксированных переменных локальных параметров и не может быть реализован как в нормальных условиях активной зоны, так и в переходных или аварийных ситуациях.
кр
3
На фиг. 8 показан общий вид зависимости критического теплового потока от паросодержания q(x). Как видно, при достаточно высоких локальных запасах до кризиса реальный запас может быть весьма мал -возможна аварийная ситуация. Действительно высокие запасы создают видимость больших резервов установки (К=3-4) в номинальных режимах. Между тем, повышение теплового потока в 1,5-2 раза приводит к возникновению кризиса вследствие повышения паросодержания и резкого снижения КТП (переходная область фиг. 8. В связи с этим, определение запаса до кризиса теплоотдачи по критической мощности (до пересечения линий баланса и КТП) дает более объективную картину о реальных возможностях установки.
В ТВС с трубчатыми твэлами, где имеет место двухсторонний теплосъем, оценка запасов до кризиса выполнена на основе известных корреляций для выпуклых (наружная поверхность) и вогнутых (внутритвэльная поверхность) теплоотдающих поверхностей и с учетом обратных тепловых связей. Экспериментальные данные по запасам до кризиса в твэлах с двухсторонним теплосъемом отсутствуют.Известны расчетные работы по оценке запасов до кризиса в ТВС с трубчатыми твэлами с различным количеством твэлов, [7]. Запасы до кризиса в этих работах определены традиционным методом, т.е. по сравнению локального теплового потока и КТП в этом сечении. Запасы до кризиса составили 3,4 для выпуклой и 2,9 для вогнутой теплоотдающих поверхностей трубчатого твэла, что более чем в два раза выше запасов до кризиса обычных стержневых твэлов.
к
тр
ствп
ствп
м
тр
вп
вх
мах
мин
cp
2
2
В работах [8, 9] разработана методика расчета теплогидравлических характеристик РУ (реакторной установки) с трубчатыми твэлами (одностержневая модель), на основе методики реализована программа FUTEI (Fuel Tube with External and Internal Cooling). В результате расчета определяются следующие величины: расход теплоносителя в кольцевой щели G и трубе G, потери давления на канале, температуры вогнутой t и выпуклой t теплоотдающих поверхностей, максимальная температура твэла при номинальном режиме t. Полученные в результате расчета расходы воды в кольцевой щели и трубе, а также профиль теплового потока на выпуклой и вогнутой теплоотдающих поверхностях служат исходными данными для расчета запасов до кризиса теплоотдачи на соответствующих теплоотдающих поверхностях. На основе модели эквивалентного кольцевого канала по программе FUTEI выполнен расчет запасов до кризиса теплоотдачи для трубчатого твэла. На основе расчета показано, что запасы до кризиса теплоотдачи для трубчатого твэла значительно (более чем в 2 раза) превышают таковые для стержневого твэла. Показано, что результаты расчета сопоставимы с теми, которые получено при расчетах в сборках. На основе программы FUTEI (одностержневая модель) выполнен расчет запасов до кризиса теплоотдачи применительно к 7-ми стержневой сборке. Параметры одностержневой модели: вогнутая поверхность - d - труба диаметром - 8 мм, кольцевая щель выпуклая поверхность - d труба диаметром - 12 мм, кольцевой зазор 1.5 мм. Обогревая длина 3 м. Режимные параметры: массовая скорость 1000 кГ/мс, давление Р=12 МПа, Т=290 С.Мощность номинальная 67кВт. й q/q=1,8. Тепловой поток q=0,36 МВт/м.
з
з
Выполнен расчет запасов до кризиса теплоотдачи для одностержневой модели. Вогнутая поверхность -труба K=3,6; Выпуклая поверхность -кольцевая щель К=5,4.
з
з
Расчет запасов до кризиса теплоотдачи для одностержневой модели с учетом взаимодействующих закрученного и транзитного потоков составил для вогнутой поверхности -труба К=3,6, для выпуклой поверхности с учетом взаимодействия транзитного и закрученного потоков К=7,2.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить критические тепловые потоки в сборке с трубчатыми твэлами и, соответственно, повысить запасы до кризиса теплоотдачи.
Повышение критического теплового потока достигается за счет взаимодействия транзитного потока, текущего по выпуклой теплоотдающей поверхности твэла, и закрученного потока, проведения взаимодействие потоков, образованных закручивающими устройствами и потоков, проходящих в зазорах между закручивающими устройствами, проведения взаимодействия закрученного потока, возникающего при прохождении теплоносителя через отверстия в стенке твэла и транзитного потока.
Литература
1. Ф.Я. Овчинников, В.В. Семенов Эксплуатационные режимы ВВЭР. М. Энергоатомиздат.1988 г. С. 149.
2. Pometko R.S., Boltenko Е.А. et all. The critical Heat Flux in WWER Fuel Subassembly Model with Nonuiform Crossectional Parameters Distubution / NURETH-8, September 30-October, 1997, Japan.
3
3. Патент РФ на изобретение 2680175 С1, МПК F28F 13/12. Способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях теплопередающих устройств и устройство для его осуществления / Э.А. Болтенко // Заявка №2016142832/28, от 31.10.2016, опубликовано 03.05.2018, Бюл. №13/ Опубликовано: 18.02.2019. Бюл. №5).
3
4. Патент России 2359346 MIIKG21С 3/322 (2006.01). Способ работы епловыделяющей сборки /Э.А. Болтенко // Заявка №2006111371/06 от 10.04.2006. Бюл. №17. 2009 г.
3
5. Патент России 2220464 MKMG21С 3/00, 3/30, 3/32. Тепловыделяющая сборка/ В.Н. Блинков, Э.А. Болтенко // Заявка №2002104121 от 20.02.2002. Открытия. Изобретения. 2003. №36.
6. Болтенко Э.А. Исследование кризиса теплоотдачи на теплоотдающих поверхностях кольцевых каналов с закруткой и транзитным потоком / Теплоэнергетика, 2016, №10 с. 42-47.
7. Zhao J., No Н.С., Kazimi M.S. Mechanical Analysis of High Power Internally Cooled Annular Fuel // Nucl. Technology, 2004, Vol. 84. 146.
8. Болтенко Э.А., Тарасевич С.Э., Шпаковский A.A. Методика расчета кризиса теплоотдачи в области дисперсно-кольцевого режима на теплоотдающих поверхностях твэла с двухсторонним теплосъмом /Тепловые процессы в технике, 2010, т. 2, №6 с. 256-262.
9. Шпаковский А.А. Разработка методики расчета теплогидравлических характеристик тепловыделяющих сборок с трубчатыми твэлами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань 2014 г.
10. Э.А. Болтенко Кризис теплоотдачи и распределение жидкости в парогенерирующих каналах.- М.: Радуга, 2015 г. 280 с.