авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»

ВОПРОСЫ

АТОМНОЙ

НАУКИ

И

ТЕХНИКИ

СЕРИЯ:

Обеспечение

безопасности АЭС

ВЫПУСК 25

Реакторные

установки с ВВЭР

2009 1

ПРОЕКТ ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС»

Государственная Корпорация по атомной энергии «Росатом»

Открытое акционерное общество «Ордена Трудового Красного Знамени и ордена труда ЧССР опытное конструкторское бюро «ГИДРОПРЕСС»

(ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС») Открытое акционерное общество «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля»

(ОАО НИКИЭТ) ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ СЕРИЯ:

«Обеспечение безопасности АЭС»

Научно-технический сборник ВЫПУСК Реакторные установки c ВВЭР Подольск УДК 621. Настоящий выпуск подготовлен в OAO ОКБ «ГИДРОПРЕСС»

Редакционная коллегия серии:

С.Б. Рыжов (главный редактор), Б.А. Габараев (главный редактор), А.С. Зубченко, И.Н. Васильченко, С.Р. Сорокин, М.Н. Михайлов, Б.П. Стрелков, С.В. Европин, В.А. Тищенко, В.А. Мохов, Г.Ф. Банюк, Д.Н. Ермаков, Н.Б. Трунов, А.В. Селезнев, В.М. Махин, Н.Н. Климов, С.Л. Соловьев, Ю.М. Никитин, Т.Н. Астахова, Н.В. Козлачкова Редакционная коллегия выпуска:

С.Б. Рыжов (главный редактор), А.С. Зубченко, С.Р. Сорокин, Н.В. Козлачкова Составитель:

А.С. Зубченко, Н.В. Козлачкова Научно-технический сборник серии «Обеспечение безопасности АЭС»

ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» выпускает с целью наиболее полного и оперативного информирования специалистов атомной науки и техники о научно-исследовательских и опытно конструкторских работах, проводимых на предприятиях отрасли по обеспечению безопасности действующих и проектируемых АЭС.

ISBN 978-5-94883-109- © Издательство ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2009 г.

© Издательство ОАО НИКИЭТ, 2009 г.

© Авторы, 2009 г.

СОДЕРЖАНИЕ Рыжов С.Б., Мохов В.А., Васильченко И.Н., Никитенко М.П., Махин В.М., Лапин А.В., Четвериков А.Е., Чуркин А.Н., Аникеев Ю.А., Шмелев С.В.

Проблемные вопросы по активной зоне корпусного реактора со сверхкритическими параметрами теплоносителя (ВВЭР-СКД).................................................................................................................................... Филиппов Г.А., Л.Э.Меламед, Фальковский Л.Н., Тропкина А.И.

Экспериментальное исследование гидродинамики одно- и двухфазных потоков в конструкциях с распределенными сопротивлениями................................................................................................................... Филиппов Г.А., Денискин В.П., Курбаков С.Д., Гришанин Е.И., Фальковский Л.Н., Фонарев Б.И., Трубачев В.М., Момот Г.В.

Исследование коррозионной стойкости и целостности оболочек микросферических топливных элементов с покрытиями из карбида кремния и пироуглерода применительно к условиям работы легководных реакторов АЭС при нормальных и аварийных режимах.................................................................................. Васильченко И.Н., Кушманов С.А., Махин В.М.

Задачи исследований ПЭЛов для ВВЭР-1200...................................................................................................... Перевезенцев В.В., Солонин В.И.

Гидродинамическое и гидромеханическое возбуждение вибраций пучков твэлов ТВС ВВЭР-440........... Чуркин А.Н., Мохов В.А., Васильченко И.Н., Щекин И.Г. Рябов И.Д., Харитонов В.С.

Вычислительная программа ТЕМПА-ДФС: описание методики расчета...................................................... Пономаренко Г.Л., Быков М.А., Москалёв А.М.

Использование метода BEPU для исследования запроектных аварийных режимов с захолаживанием в ВВЭР-1000................................................................................................................................................................ Алиев Т.Н., Евдокимов И.А., Лиханский В.В., Махин В.М.

Оценки влияния радиолиза на коррозионную стойкость оболочек твэлов ВВЭР в условиях поверхностного кипения теплоносителя............................................................................................................. Зубченко А.С., Банюк Г.Ф.

Перспективные для теплообменного оборудования аустенитно-ферритные хромоникелевые стали (краткий обзор)..................................................................................................................................................... Юрчевский Е.Б., Первов А.Г., Андриянов А.П., Пичугина М.А.

Перспективное оборудование для водоподготовительных установок электростанций с ядерными энергетическими реакторами............................................................................................................................. Садулин В.П.

Турбинно-нейтронный метод измерения расхода теплоносителя в тепловыделяющих сборках корпусного кипящего реактора ВК-50.................................................................................................................................... Махин В.М., Цофин В.И., Комолов В.М., Джаландинов А.Д.

Оценка повреждающей дозы в различных условиях облучения конструкционных материалов.............. Журбенко Е.А., Цофин В.И.

Радиоактивные отходы при выводе из эксплуатации РУ с ВВЭР.................................................................. Разыграев А.Н.

Методика ультразвукового контроля узла приварки коллектора к парогенератору реакторной установки ВВЭР-1000.............................................................................................................................................................. Пажетнов В.В., Семишкин В.П., Чуркин А.Н., Локтионов В.Д., Долганов К.С., Томащик Д.Ю., Филиппов А.С., Дробышевский Н.И.

Рассмотрение условий длительного воздействия кориума на корпус реактора ВВЭР-440 при тяжелых аварияx.................................................................................................................................................................... CONTENTS S.B. Ryzhov, V.A.Mokhov, I.N.Vasilchenko, M.P.Nikitenko, V.M.Makhin,A.V.Lapin, A.E.Chetverikov, A.N.Churkin, Yu.A.Anikeev, S.V.Shmelev.

Problems in the core of supercritical water-cooled water-moderated power reactor (VVER-SCP)......................... G.A.Philippov, L.E.Melamed, L.N.Falkovskey, A.I.Tropkina.

Experimental study of one- and two-phase ow hydrodynamics in the distributed resistance structures............. G.A.Philippov, V.P.Deniskin, S.D.Kurbatov, E.I.Grishanin, L.N.Falkovskey, B.I.Fonarev,V.M.Trubachev, G.V.Momot.

Study of corrosion resistance and integrity of claddings of the micro-spherical fuel elements with silicon carbide and pyrocarbon layer in the operational environment of LWR nuclear power plants under normal and accident conditions................................................................................................................................................................ I.N.Vasilchenko, S.A.Kushmanov, V.M.Makhin.

Research tasks for VVER-1200 absorbing rods....................................................................................................... V.V.Perevezentsev, V.I.Solonin.

Hydrodynamic and hydromechanical vibration excitation of VVER-440 fuel rod bundles................................... A.N.Churkin, V.A.Mokhov, I.N.Vasilchenko, I.G.Schekin,I.D.Ryabov, V.S.Kharitonov.

Computer code TEMPA-DFS: description of calculation procedure....................................................................... G.L.Ponomarenko, M.A.Bykov, A.M.Moskalev.

Application of BEPU method for beyond design accidents with VVER-1000 cooldown....................................... T.N.Aliev, I.A.Evdokimov, V.V.Likhanskey,V.M.Makhin.

Evaluation of radiolysis inuence on corrosion resistance of VVER fuel rod claddings under coolant surface boiling conditions..................................................................................................................................................... A.S.Zubchenko, G.F.Banyuk.

Advanced austenite-ferritic chrome-nickel steels for heat-exchange equipment (a brief review)......................... E.B.Yurchevskey, A.G.Pervov, A.P.Andriyanov, M.A.Pichugina.

Advanced equipment for NPP water-treatment facilities...................................................................................... V.P.Sadulin.

Turbine-neutron method for coolant ow rate measurement in fuel assemblies of vessel-type boiling reactor VK-50.................................................................................................................................................................... V.M.Makhin, V.I.Tson, V.M.Komolov, A.D. Dzhalandinov Evaluation of damage dose under different irradiation conditions of structural materials................................... E.A.Zhurbenko, V.I.Tson.

Radioactive wastes from VVER reactor plant decommissioning......................................................................... A.N.Razygraev.

Procedure for ultrasonic examination of header-to-steam generator welded joints of VVER-1000 reactor plant V.V.Pazhetnov, V.P.Semishkin, A.N.Churkin, V.D.Loktionov, K.S.Dolganov, D.Yu.Tomaschik, A.S.Philippov, N.I.Drobyshevskey.

Consideration of long-term corium effect on VVER-440 reactor vessel under severe accidents......................... УДК 621.039. С.Б.Рыжов, В.А.Мохов, И.Н.Васильченко, М.П.Никитенко, В.М.Махин, А.В.Лапин, А.Е.Четвериков, А.Н.Чуркин, Ю.А.Аникеев, С.В.Шмелев (ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС») ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПО АКТИВНОЙ ЗОНЕ КОРПУСНОГО РЕАКТОРА СО СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ (ВВЭР-СКД) Приведены сведения по проектам активных зон инновационных корпусных водоохлаждаемых реакто ров, показаны преимущества реакторов с водой сверхкритических параметров, изложены технические решения по корпусу и проблемные вопросы по активной зоне.

Введение топлива каменного угля (проект RPP NRW, пуск 2008г.), имеющий параметры свежего «Реакторы с водяным замедлителем соеди- пара : 28,5 МПа, 600С и КПДнетто=46% [3]. В няют высокий коэффициент воспроизводства тепловой энергетике с прогнозируемым пере ядерного горючего с простотой и компактно- ходом на Ni-сплавы возможно дальнейшее стью конструкции. По нашему мнению, они увеличение температуры пара до 700 С и дав являются перспективными для большой атом- ления до 37,5 МПа с повышением КПД допол ной энергетики ближайшего будущего» (из нительно на 6% [3]. Таким образом, по КПД доклада И.В. Курчатова в Харуэлле, Англия в АЭС с ВВЭР существенно отстают от передо апреле 1956г.) [1]. Эти пророческие слова ака- вых блоков тепловой энергетики с углеводор демика Курчатова И.В. предопределили как одным топливом. Повышение КПД с 33% развитие ВВЭР в 20 веке, так и направления поэтапно до 36% (проект АЭС-2006) и далее их совершенствования в 21 веке. до 45% - уровня современных котлотурбин В настоящее время корпусные водоохлаж- ных установок может быть решено переходом даемые реакторы ВВЭР, PWR и BWR зани- на водяной теплоноситель сверхкритических мают и будут занимать, по крайней мере, до параметров или применением натриевого, 2030-2050гг. ведущее положение в мировой свинец-висмутового, свинцового, газового ядерной энергетике. Достигнуты высокие по- теплоносителя в проектах БН-реакторов, казатели по работоспособности ТВС ВВЭР[2]: БРЕСТ, ГТ-МГР, ВТГР и т.п. Существенные – не исчерпан ресурс ТВС после экс- преимущества водяного теплоносителя в плуатации в течение 7 лет с выгоранием в сравнении с перечисленными остальными те отдельных твэлах до 73 МВтсут/кг U;

плоносителями - безопасность и освоенность – уровень разгерметизации твэлов за промышленностью.

период 2004-2006гг. составляет 1·10-5…2,410-5. В настоящее время ВВЭР используются Ресурс реакторов оценивается 60 годами и в открытом топливом цикле. Коэффициент в амбициозных зарубежных проектах иссле- конверсии (КК) ВВЭР-1000 с водно-урановым дуется возможность его продления до 80 лет. отношением, равным 2, в открытом топлив К особенностям блоков с ВВЭР следует ном цикле составляет 0,3…0,5. Для реактора отнести сравнительно невысокий КПД. В эво- БН-600 на данном этапе КК также не высок и люционном проекте АЭС - 2006 КПД равен равен 0,43 [4,5]. Безусловно, у БН-реакторов 36%. Поэтому практический интерес пред- имеются потенциальные возможности по рас ставляет повышение КПД до уровня, достиг- ширенному воспроизводству с достижением нутого в тепловой энергетике. К таким пере- коэффициента воспроизводства КВ=1,4...1,7 [6].

довым и перспективным проектам тепловой Однако, эти возможности реализуются при вы энергетики можно отнести энергоблок мощ- сокой энергонапряженности активной зоны и ностью 600 MВт с применением в качестве выполнении целого ряда других условий, в т.ч.

при обеспечении повышенной радиационной – КПД примерно 45%;

стойкости конструкционных материалов [7]. – КВ более 0,8;

Имеются конкретные предложения по повы- – сохранение свойства внутренней само шению КК для БН-800, реализация которых защищенности;

приводит к новой конструкции ТВС с более – устойчивость технологических про жесткими режимами эксплуатации твэлов цессов;

[4,5]. Таким образом, реализация приемлемого – максимальное использование осво (КВ=0,8…1) или расширенного воспроизвод- енной технологии ВВЭР и котло-турбинных ства (КВ1) в БН-реакторах является непро- установок со сверхкритическими параметра стой технологической задачей, для решения ми (СКП).

которой потребуется длительный период. В статье приведены сведения по проектам В этой связи, возникает следующий во- активных зон корпусных водоохлаждаемых прос: могут ли найти применение легководные реакторов, при реализации которых могут реакторы нового поколения, а не «классиче- быть достигнуты указанные целевые пока ские» такие, как ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и др. в затели, показаны преимущества реакторов с ядерной энергетике второй половины 21 века? водой СКП, приведены технические решения Для получения ответа необходимо рассмо- по корпусу и проблемные вопросы по актив треть требования к топливоиспользованию в ной зоне.

инновационных реакторах.

В замкнутом топливном цикле с МОХ Проекты активных зон инновационных топливом инновационные легководные корпусных водоохлаждаемых реакторы должны иметь КВ не менее 0,8. В реакторов сравнении с БН-реакторами ВВЭР с КВ более 0,8 может иметь определенные экономические и технологические преимущества (меньше Активная зона реактора LWHCR (однофазный удельные капитальные затраты, безопасный теплоноситель с параметрами PWR) и освоенный теплоноситель, освоенная тех нология транспортно-технологических работ В 80-е годы показана перспективность и т.д.). использования в замкнутом топливном ци Повышение коэффициента конверсии кле корпусного водоохлаждаемого реактора (коэффициента воспроизводства КВ при ис- LWHCR с быстро резонансным спектром пользовании МОХ-топлива) с 0,3…0,4 до нейтронов и коэффициентом воспроизводства 0,8…1,0 может достигаться ужесточением (КВ) 0,9-0,96 [8]. В этом реакторе предусма спектра нейтронов путем снижения водо- тривается использование МОХ топлива с топливного отношения (ВТО), конструктивно содержанием делящихся изотопов энергети внедрением тесных или плотных решеток c ческого плутония 7- 8%, т.е. в 2…2,5 выше, уменьшением зазора между твэлами в 2…3 чем в PWR. Повышение обогащения обуслов раза, а также, возможно, плотности тепло- лено ужесточением спектра нейтронов. При носителя (режим кипения или реализация этом в LWHCR расход естественного урана сверхкритических параметров). Вместе с будет снижен в 5 раз путем применения МОХ тем, наряду с увеличением КВ должно вы- топлива. Предполагалось использование полняться требование по самозащищенно- основного оборудования PWR. Таким обра сти. В частности, при потере теплоносителя зом, модернизация заключается, в основном, в должна вводиться отрицательная реактив- изменении активной зоны: в уплощении зоны ность (отрицательный «пустотный» эффект аналогично, как в БН-реакторах, и в примене реактивности). нии тесных решеток.

Таким образом, можно сформулировать Проведено сравнение характеристик основные целевые показатели инновационно- PWR и LWHCR при одинаковой мощности го проекта ВВЭР 21 века с его применением в (3782 МВт) и близких параметрах теплоно замкнутом топливном цикле: сителя. При радиальном размере активной – сохранение достигнутого уровня по зоны: R PWR=1,82 м и R LWHCR= 1,87 м в LWHCR надежности и безопасности эволюционных предлагается снизить высоту активной зоны проектов ВВЭР поколения 3+;

до Н=2,3 м (в PWR Н=3,9 м). Это техническое решение позволяет применять насосы КВ, близкий к 1, а также приемлемое выгора PWR для прокачки теплоносителя через ние топлива. Вместе с тем, обеспечение тепло активную зону с тесной решеткой и повы- технической надежности и соответственно шенным коэффициентом гидравлического работоспособности подобных активных зон сопротивления. являются проблемными.

В LWHCR применяется ТВС с гексаго- Исследованиями также подтверждена воз нальной решеткой (квадратная ТВС в PWR), можность достижения КВ в пределах 1,0…1, c водо-топливным отношением 0,53 (в PWR при использовании технологии корпусных ВТО=2,00). Отношение шага к диаметру твэла кипящих реакторов BWR с уменьшенным за равно 1.105 (в PWR - 1,33 и в ВВЭР-1000 - 1,40). медлением (reduced-moderation water reactors Используется твэл со стальной оболочкой из RMWR). В этом случае зазор между твэлами аустенитной стали SS-304 диаметром 9,5 мм составляет 1,3 мм, т.е. больше на 30%, чем при и толщиной 0,4 мм. Дистанционирование использовании однофазного теплоносителя.

осуществляется с помощью 6 геликоновых Рассмотрены три варианта активных зон: про ребер толщиной 1 мм. В рассмотренном про- стая конфигурация без зон воспроизводства екте LWHCR решается задача повышения (КВ=1,03, материал оболочек – циркалой, КВ до приемлемого уровня 0,9-0,96. Вместе глубина выгорания – 26 МВт сут/кг т.а., дли с тем, КПД остается на уровне, достигнутом тельность кампании – 13 месяцев);

активная в современных проектах PWR (до 37%). К зона с высоким коэффициентом воспроизвод проблемным вопросам по данному проекту ства (КВ=1,1, материал оболочек – циркалой, следует отнести: глубина выгорания – 45 МВтсут/кг т.а., дли – теплотехническую надежность актив- тельность кампании –14 месяцев), активная ной зоны;

зона с большим выгоранием и длительностью – обеспечение естественной самоза- топливного цикла (КВ=1,01, материал обо щищенности (отрицательность «пустотного» лочек – нерж. сталь, глубина выгорания эффекта реактивности). 57 МВт. сут/кг т.а., длительность кампании – 22 месяца). Во всех вариантах обеспечен от Активные зоны PWR и BWR c повышенным рицательный «пустотный» коэффициент ре КВ активности. Среднее содержание делящегося плутония – 7-18%. Следует отметить высокие В конце 90-х и в начале этого века японски- значения максимальной линейной нагрузки – ми исследователями поставлен следующий 40-65 кВт/м.

вопрос: водяные реакторы с уменьшенным за- Для обеспечения внутренней самозащи медлением нейтронов являются ли будущим щенности активных зон легководных реакто легководных реакторов [9]? Рассмотрены ва- ров рекомендуются [9]:

рианты активной зоны реактора PWR с МОХ- – плоские активные зоны, чтобы уве топливом с содержанием делящихся изотопов личить утечку нейтронов при сохранении плутония 14-18%, КВ=0,98-1,05 и выгорани- общего объема зоны (аналогичное решение ем до 55 МВт сут/кг т.а. Тепловая мощность уплощение активных зон - применяется и в этих реакторов – 2900-3800 МВт, КПД-34%. БН-реакторах);

Максимальная линейная нагрузка твэлов – – введение аксиальных и/или радиаль 32-34 кВт/м. Также как в LWHCR, диаметр ных зон воспроизводства из обедненного твэла- 9,5 мм, материал оболочки – нержавею- урана, которые позволяют увеличить коэф щая сталь, водо-топливное отношение - 0,53. фициент воспроизводства. В частности, в Эквивалентный радиус активной зоны – 2,3- качестве варианта предлагается пятислойная 2,6 м, а высота – 1,6-2,0 м. Показано, что для уплощенная активная зона с нижней зоной указанной зоны обеспечивается отрицатель- воспроизводства, нижней активной частью, ный пустотный эффект реактивности. Таким внутренней зоной воспроизводства, верхней образом, на основе технологии и параметров активной частью и верхней зоной воспроиз теплоносителя PWR при использовании «тес- водства. Высота зоны – 1,21 м, а каждая из ной» решетки с расстоянием между твэлами 1 составляющих частей – по 0,2-0,3 м;

мм и «плоской» активной зоны (уменьшение – применение полых труб для увеличе высоты при сохранении диаметра) достигается ния аксиальной утечки нейтронов.

Вместе с тем, также как и в случае модер- в корпусном варианте водоохлаждаемых низации зон PWR при реальном увеличении реакторов.

КВ в BWR до требуемого значения 0,8…1, КПД остается на уровне 34-35 %. Основные разработки корпусных реакторов Следовательно, путем модернизации с СКП (российские разработки последних активных зон PWR и BWR, а именно - при- 30лет) менением тесных решеток реально повыше ние КВ до требуемого целевого показателя Достижение как высокого КПД, так и вы (более 0,8). Вариант с модернизацией актив- сокого КВ предполагается при использовании ной зоны BWR предпочтительнее, так как в паро-водяного охлаждения или воды при этом случае зазор между твэлами выше на сверхкритических параметрах по давлению и 30%, чем в модернизированной зоне PWR. температуре (установка ВВЭР-СКД) [11-14].

Поэтому несколько проще решить вопрос с В таблице 1 приведены основные харак дистанционированием твэлов. Вместе с тем, в теристики корпусных водоохлаждаемых ре этих проектах остается сравнительно низкий акторов со сверхкритическими параметрами КПД установок (на уровне 33-37%). Поэтому теплоносителя и ядерным перегревом пара в отечественных и зарубежных проработках (разработки последних 30 лет).

корпусных водоохлаждаемых реакторов де- В проработках ВВЭР-СКД при сохранении лается попытка не только увеличения КВ, но средней энергонапряженности активной зоны, и увеличения КПД путем применения воды как и в ВВЭР-1000 – 107 кВт/л, вследствие сверхкритических параметров. Имеется опыт применения более тесной топливной решетки применения ядерного перегрева пара (1 и 2 удалось снизить среднюю тепловую нагрузку блоки БАЭС с реактором канального типа, твэлов до 160 Вт/см. Как следствие, удается установка «Патфайндер» корпусного типа). снизить температуру оболочек до уровня Конструкция и режимы эксплуатации 1 температуры, характерного для твэлов БН и 2 блоков БАЭС детально изложены в лите- реакторов,- не выше 730С.

ратуре, например, в [10]. В статье приведены Конструкторскими решениями обеспечи сведения по установке корпусного типа. вается охлаждение корпуса водой при тем пературе до 300С (рис.1), что позволяет при Активная зона установки «Патфайндер» менять разработанные для ВВЭР корпусные (ядерный перегрев пара) материалы и технологию изготовления корпу сов с учетом увеличения толщины корпуса.

В опытной корпусной установке «Патфайндер» (тепловая мощность – 200 МВт, Р=3,7 - 4,3 МПа) активная зона состояла из двух частей: кольцевой с подъемным движе нием теплоносителя с его подогревом до ки пения и кипением и центральной с опускным движением и с перегревом пара с параметра ми на выходе: температура- 441С и давление 3,7 МПа [10]. Пар указанных параметров на правлялся к турбине. Сепаратор-осушитель располагался над активной зоной. В кольцевой зоне применены твэлы контейнерного типа с таблетками из диоксида урана (материал оболочки – циркалой). В центральной части применены ТВС из двух концентрично рас положенных трубчатых твэлов. Топливная композиция – частицы диоксида урана в ма трице из нержавеющей стали. Материал обо- Рис.1. Реактор ВВЭР-СКД: основные лочки – нержавеющая сталь. элементы конструкции и однозаходная Таким образом, имеется опыт ядерно- схема циркуляции (примечание - БЗТ – блок го перегрева пара как в канальном, так и защитных труб, «горячая» сборная камера) Таблица Характеристики корпусных реакторов с ядерным перегревом пара [12] Быстрый паро-водяной Быстрорезонансный ВВЭР СКД-И Параметр энергетический реактор ВВЭР-СКД (1990 г.) (БПВЭР), (1984 г.) (2007 г.) Мощность тепловая, МВт до 3450 1350 мощностной ряд Электрическая, МВт 300, 500, 800, 1200 и КПД, % 35 37 42- Топливо UO2 + PuO2 UO2 UO2 + PuO2*) Вода СКД Вода СКД Теплоноситель Паро-водяная смесь (Р=23,5 МПа) (Р=25 МПа) Температура т/н: 365-345/ 347/360 290/ вх./вых., С 381- до 1,20 0, Коэффициент (разный состав и в равновесном 0, воспроизводства конструкция активной зоны) состоянии Примечание : *) применяется твэл с оболочкой 10,70,55 с шагом в треугольной решетке 12,0мм;

высота/диаметр активной зоны, м - 4,05/3, Таким образом, в установке ВВЭР-СКД Вместе с тем, значительна неравномерность применяются технические решения по дости- энерговыделения по высоте (проблема может жению всех приведенных во введении целе- решаться аналогично, как в BWR и ВК-50) и вых показателей: по повышению КВ (тесные в конце кампании затруднительно обеспечить топливные решетки), по повышению КПД отрицательность пустотного эффекта реак (ядерный перегрев пара), по упрощению и тивности. Значительная аксиальная неравно удешевлению блока (одноконтурная установ- мерность энерговыделения может в какой-то ка с подачей пара на турбину), применению и мере уменьшаться профилированием обога развитию технологии ВВЭР и котлотурбин- щения топлива и/или размещением полостей ных установок СКП. Объектами дальнейшей с замедлителем в верхней части ( вода, гидрид конструкторской проработки и обоснования циркония).

являются: активная зона, внутрикорпусные В двухзаходной схеме реализуется опуск устройства, в т.ч. «горячая» сборная камера ное движение теплоносителя по периферий реактора и выходной «горячий» патрубок. ной кольцевой зоне и подъемное в централь ной части. Применение двухзаходной схемы обеспечивает [13, 14]:

Возможные схемы циркуляции – отрицательность пустотного эффекта теплоносителя в ВВЭР-СКД реактивности;

– улучшение условий охлаждения твэлов Прорабатываются следующие схемы вследствие увеличения скорости теплоносителя.

циркуляции теплоносителя в активной зоне Вместе с тем, проблемными вопросами (рис.1-3) [11-20]: являются применение в данной схеме есте ВВЭР-СКД (разработка ОКБ ственной циркуляции теплоносителя для «ГИДРОПРЕСС», РНЦ «Курчатовский инсти- повышения безопасности установки и охлаж тут» и ГНЦ РФ ФЭИ) дение зоны в аварийных режимах.

– однозаходная и В трехзаходной схеме теплоноситель по – двухзаходная;

ступает в центральную часть, нагревается HPLWR (Евроатом) примерно на 80С, далее движется сверху вниз – трехзаходная. и подогревается на 40С, в нижней камере Применение однозаходной схемы- перемешивается и движется вверх и подогре прямоточное подъемное движение теплоноси- вается на 70С (рис. 3) [16-19].

теля- приводит к упрощению конструкции и При использовании двухзаходной и повышает безопасность установки в режимах трехзаходной схем существенно снижается с естественной циркуляцией теплоносителя. неравномерность подогрева теплоносителя формирование в области с пониженным энер говыделением условий для данных явлений повышает работоспособность твэлов.

Таким образом, каждый из трех вариантов имеет положительные качества и особен ности, которые необходимо учитывать при проектировании. Выбор схемы циркуляции целесообразно сделать после концептуальных проработок.

Проблемные вопросы по активной зоне ВВЭР-СКД Рис.2. Реактор ВВЭР-СКД: основные Необходимо решить следующие проблем элементы конструкции и двухзаходная ные вопросы по активной зоне [17]:

схема циркуляции (примечание- БЗТ – блок – получение приемлемых значений КВ защитных труб, «горячая» сборная камера) и выгорания, а также обеспечение самозащи щенности реактора в проектных режимах 2- за счет его перемешивания в верхней или категорий. Поэтому необходимы программ нижней камерах после прохождения активной ные средства для выполнения связанных зоны [13, 14, 17, 18]. Как следствие, снижается нейтронно-физических и теплогидравличе максимальная температура оболочки (кроме ских расчетов активной зоны и выполнения данного явления уменьшение температуры расчетных исследований;

твэлов достигается вследствие роста скорости – учет ухудшенного теплообмена и ме теплоносителя). В данном варианте снижают- жячейкового тепло- и массопереноса;

ся и термонапряжения по высоте ТВС. Кроме – термоакустические явления при пере того, так называемая псевдокритическая тем- мешивании «холодного» и «горячего» потоков пература будет находиться в менее энергона- теплоносителей в проектных режимах 1 и пряженных условиях (в нижней или в верхней категорий;

частях ТВС). При температуре, близкой к псев- – апериодической неустойчивости, когда докритической, имеет место «ухудшенный» причиной неустойчивости является много теплообмен и осаждение примесей. Поэтому значность гидродинамической характеристи ки канала (ТВС);

– периодической неустойчивости, воз никающей в системе параллельных обогре ваемых каналов (чехловых ТВС), или во всем контуре циркуляции теплоносителя (может быть в двухконтурной установке ВВЭР-СКД);

– гидро-нейтронной (или ядерно-тепло гидродинамической) неустойчивости актив ной зоны.

Конструкторские и материаловедческие вопросы связанные с разработкой и обосно ванием конструкций ТВС, твэла и пэла, вы бором материалов оболочки и топливной ком позиции для твэла, а также конструкционных материалов для чехла, дистанционирующих элементов и каркаса ТВС.

Необходимые исследование – эффектов коррозии и эрозии оболочек Рис.3. Реактор HPLWR. Схема движения и и массопереноса продуктов коррозии в про параметры теплоносителя ектных режимах 1-й и 2-й категорий (исследо вания важны для обоснования радиационной лений применительно к рассматриваемым безопасности одноконтурных установок);

реакторам ВВЭР-СКД.

– термоакустических эффектов в актив- Применение конструкционных материалов ной зоне в проектных режимах 3 и 4 катего- в сверхкритических условиях в прямоточных рий. котлах, пароперегревателях, трубопроводах и Выделены «ключевые» проблемные в турбинах рассмотрено в [23-25]. Значителен исследования: опыт применения твэлов в реакторах с – теплогидравлические стендовые испы- ядерным перегревом теплоносителя [23-25].

тания пучка твэлов и уточнение корреляций Указанное состояние дел не отменяет про по теплообмену и гидравлике;

граммы стендовых и реакторных исследова – стендовые модельные испытания кон- ний, но позволяет конкретизировать направ тура с анализом массопереноса в контуре;

ления перспективных разработок и сократить – реакторные обоснования твэлов и время для экспериментального обоснования пэлов;

решений [26].

– исследования проектных режимов 4-й Вопросы коррозии и эрозии относились категории. к одним из основных при внедрении котло Основная задача «ключевых» проблемных турбинных установок СКД. Отложения на исследований – расчетно-экспериментальное лопатках турбин приводили к снижению подтверждение концептуальных проработок КПД. Результаты исследований позволили реактора ВВЭР-СКД и формирование про- установить нормы водно-химического режи граммы НИОКР для стадии проектирования ма и выбрать приемлемые конструкционные установки. материалы [27-29]. Поэтому данный опыт не По перечисленным вопросам можно сде- обходимо использовать при разработке ВВЭР лать следующие комментарии. Крайне важна СКД.

разработка программных средств для вы полнения связанных нейтронно-физических Некоторые технические решения по и теплогидравлических расчетов активной активной зоне зоны. Исходя из теории замедления нейтро нов (эффективная длина замедления), а также наиболее значительного изменения плотности Аналогично, как в зарубежных разработ в пределах ±30С от значения псевдокритич- ках, в проекте ВВЭР-СКД корпус охлаждает кеской температуры, можно сделать вывод, ся теплоносителем с температурой до 300С что детализация процессов должна быть в (рис. 1 и 2), что обеспечивает применение пределах до 0,1 м. Исходя из данного размера, имеющихся корпусных материалов и техноло можно оценить число расчетных элементов по гии изготовления корпусов ВВЭР.

активной зоне и требования к программным Предложены следующие научно средствам. Следует отметить и опыт расчет- технические решения по активной зоне ного сопровождения эксплуатации реактора ВВЭР- СКД [12-15, 20, 26]:

ВК-50 и реакторов BWR, в которых также – применение чехловых ТВС с гидро значительно изменение плотности по высо- профилированием теплоносителя по ТВС, те активной зоны. Кроме того, в настоящее что позволяет ограничить температуру обо время в этих реакторах внедрены «водяные» лочки освоенным уровнем температур в БН элементы, которые приводят к так называемой реакторах и реакторах с ядерным перегревом «двойной гетерогенности». Поэтому опытные пара;

данные по реакторам ВК-50 и BWR, опыт рас- – регулирование спектра в активной зоне четного сопровождения эксплуатации крайне путем размещения элементов в ТВС с жидким важны для создания и верификации про- («водяной» элемент) и твердым (гидрид цир граммных средств. кония) замедлителем;

Термо-акустические эффекты и вопросы – реализация двух схем движения тепло по устойчивости также известны, например, носителя в активной зоне: однозаходной или изложены в [21, 22]. Поэтому необходимо двухзаходной;

развитие известных теоретических представ- – применение твэлов контейнерного типа с МОХ-топливом (слоеный, многозонный твэл) или твэлов с керметным топливом (составной реакторов является создание ВВЭР-СКД. В твэл из различных зон);

этом случае на основе освоенных технологий – дистанционирование твэлов с помощью возможно достижение КПД 42-45%. Путем решеток сотовой конструкции (вариант ВВЭР) применения тесных решеток с МОХ-топливом или с помощью спиральной навивки провода возможно повышение КВ свыше 0,8.

на оболочке (вариант БН-реакторов). Определены проблемные вопросы, ре На рис. 4 приведен общий вид чехловой шение которых необходимо при создании ТВС. Аналогом является ТВС ВВЭР-1000. активных зон ВВЭР-СКД. Показано, что эти Применяется кластерная система размеще- вопросы не новы и могут быть решены на ния пэлов. Для этого в ТВС установлены 18 основе имеющегося опыта и соответствую направляющих каналов. Центральный канал щих НИОКР.

предназначен для средств измерений. Приведены концептуальные проработки реактора и чехловой ТВС ВВЭР-СКД и из ложены основные технические решения, при Заключение нятые при ее проектировании.

Перспективным направлением развития Список литературы технологии водоохлаждаемых корпусных 1. История атомной энергетики Советского Союза и России, вып.1, М: ИздАТ, 2001, стр.73.

2. И.Н. Васильченко, С.Н. Кобелев, В.М. Махин, С.В. Семиглазов. О перспектив ных направлениях совершенствования ВВЭР в части топливоиспользования. Годовой отчет, «Об основных научно-технических работах ОКБ «ГИДРОПРЕСС» за 2007 год», Научно-технический и рекламный сборник №8, Подольск, 2008, стр. 31.

3. Х.И. Мейер и др. Проект эффективного энергоблока мощностью 600 МВт на каменном угле. Электрические станции, 2005. №3., стр.

67-71.

4. Ф.М. Митенков, Р.А. Песков, Е.Ф. Митенкова. Усовершенствование топли воиспользования в быстрых реакторах в от крытом топливном цикле и на стадии переход ного периода к замкнутому топливному циклу, 10-й международный семинар МНТЦ, сборник тезисов, Нижний Новгород, 2007, стр.85-86.

5. Ф.М. Митенков, Р.А.Песков, Е.Ф. Митенкова Оптимизация состава активной зоны быстрого реактора с натриевым тепло носителем и оксидным топливом и совершен ствование топливоиспользования при внедре нии замкнутого топливного цикла, Атомная энергия, т. 104, вып.2, 2008, стр. 94-99.

Рис.4. Конструкция чехловой ТВС: 6. Е.А. Грачев и др. Исследование физи ческих показателей эффективности приме 1 - головка ТВС, 2 - чехол;

3 - направляющий канал под нения различных видов топлива в быстрых пэл и элемент с гидридом циркония;

4 - твэл (оболочка реакторах, НИИАР П-39(333), Димитровград, диаметром 10,7х0,55);

5 - хвостовик 1977, с.19.

7. Б.А. Васильев Зависимость требований TYPE REACTOR, 4th International Symposium к радиационной стойкости конструкционных on Supercritical Water-Cooled Reactors March материалов ТВС ьыстрых реакторов от вида 8-11, 2009, Heidelberg, Germany, Paper No. топлива, тезисы докладов российской конфе- 18. T. Schulenberg, J. Staringer, J. Heinecke, ренции МАЯТ-2, ВНИИНМ, Москва, 2005, с.77 Three pass core design proposal for a High 8. Р.З. Аминов и др. АЭС с ВВЭР: ре- Performance Light Water Reactor, 2nd COE жимы характеристики, эффективность,М: INES-2 International Conference on Innovative Энергоатомиздат, 1990.-264с. Nuclear Energy Systems, INES-2, Yokohama, 9. Т. Ивамура и др. Водяные реакторы с Japan, November 26-30, уменьшенным замедлением –будущее легко- 19. Marc Schlagenhaufer, Jrg Staringer, водных реакторов?, Атомная техника за рубе- Thomas Schulenberg No. 38 STEAM CYCLE жом, 2001, №12, стр. 25-29. ANALYSES AND CONTROL OF THE HPLWR 10. Н.П. Шаманов и др. Судовые ядер- PLANT 4th International Symposium on ные паро-производящие установки, Л:, Supercritical Water-Cooled Reactors March 8-11, Судостроение, 1990.- 368 с. 2009, Heidelberg, Germany Paper No. 38.

11. Б.А. Габараев и др. Корпусной и ка- 20. М.П. Никитенко, А.Е. Четвериков, нальный быстрые реакторы с охлаждением С.Н. Кобелев, В.М. Махин, А.Н. Чуркин, кипящей водой или водой со сверхкритиче- Д.О. Веселов. Разработка концепции РУ ВВЭР скими параметрами. Атомная энергия, т.95, СКД. Годовой отчет, «Об основных научно вып.4, 2003, стр. 243-248. технических работах ОКБ «ГИДРОПРЕСС» за 12. Ю.Г. Драгунов и др. Водоохлаждаемые 2007год», Научно-технический и рекламный реакторы со сверхкритическими параметра- сборник №8, Подольск, 2008, стр. 60-61.

ми- перспективные реакторы 4-го поколения. 21. А.П. Орнатский, И.Г. Шараевский.

Научная сессия МИФИ-2007. Сб.научн.тр., Особенности возникновения и развития В17т. М: МИФИ. Т.8. С. 34-35. термоакустических колебаний при кипении 13. Ю.Д. Баранаев, А.П. Глебов, Е.В. Долгов воды в условиях вынужденного кипения, в кн.

и др. Сравнительный анализ физических ха- Теплообмен и гидродинамика, К. 1977, с.26-33.

рактеристик реактора ВВЭР-СКД при одно- и 22. В.Ф. Колесов, П.А. Леппик, С.П. Павлов двухходовой схемах движения теплоносителя, и др. Динамика ядерных реакторов/ Под ред.

Препринт ФЭИ-3110, Обнинск, 2007, с.36. Я.В.Шевелева. –М.: Энергоатомиздат 1990.

14. А.П. Глебов, А.В. Клушин Реактор с 23. П.А. Антикайн Металлы и расчет на быстро-резонансным спектром нейтронов, прочность котлов и трубопроводов. М., ЭАИ, охлаждаемый водой сверхкритического 1990, стр.368.

давления при двухходовой схеме движения 24. Г.А. Филиппов, П.А. Антикайн.

теплоносителя.-Атомная энергитя, 2006, т.100, Применение существующих конструкцион вып.5, с.349-355. ных материалов для изготовления внутрикор 15. И.Н. Васильченко и др. Концепция ак- пусных устройств и тепловыделяющих сборок тивных зон ВВЭРСКД: условия эксплуатации легководных реакторов на сверхкритические твэлов и кандидатные материалы. Научная параметры пара. Теплоэнергетика, №8, 2005, сессия МИФИ-2008. Сб.научн.тр., М: МИФИ. стр.2-8.

Т.1. С. 14. 25. В.И. Прохоров, Ф.В. Рисованная.

16. B. de Marsac, D. Bittermann, Проблема материалов для ядерных реакто J. Staringer 1), T. Schulenberg CONTAINMENT ров с водой сверхкритических параметров и DESIGN PROPOSAL WITH ACTIVE AND опыт современных тепловых электростанций, PASSIVE SAFETY SYSTEMS FOR A HIGH Обзор, Димитровград, 2008, -96с.

PERFORMANCE LIGHT WATER REACTOR. 26. И.Н. Васильченко, С.Н. Кобелев, 4th International Symposium on Supercritical В.М. Махин и др., Концепция активной зоны Water-Cooled Reactors March 8-11, 2009, ВВЭР-СКД;

выбор конструкционных мате Heidelberg, Germany, Paper No. 10. риалов и конструкция ТВС, Годовой отчет, 17. V.M.Makhin, A.V.Lapin, V.A.Mokhov, «Об основных научно-технических работах I.N.Vasilchenko, M.P.Nikitenko, S.N.Kobelev, ОКБ «ГИДРОПРЕСС» за 2007год», Научно A.E.Chetverikov, A.N.Churkin, S.V.Shmelev. технический и рекламный сборник №8, CORE PROBLEMS OF VVER-SCP VESSEL- Подольск, стр. 42-44.

27. В.П. Глебов и др. Внутритрубные об- 29. П.А. Акользин, Т.Х. Маргулова, разования в паровых котлах сверхкритическо- О.И. Мартынова Водный режим паротурбин го давления, ЭАИ, М., 1983, с.240. ных блоков сверхкритических параметров.

28. Химические очистки теплоэнергетиче- М., Энергия, 1972, с.176.

ского оборудования. Под ред. Т.Х. Маргуловой, М., Энергия, 1969, с.222.

Information on the reactor core designs of advanced pressurized water reactors is presented, advantages of the reactors with supercritical water parameters are shown, engineering solutions of the reactor pressure vessel and reactor core problems are stated.

УДК 532.546+532. Г.А. Филиппов (ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС») Л.Э. Меламед, Л.Н. Фальковский, А.И. Тропкина («Атомэнергомаш») ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ОДНО- И ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В КОНСТРУКЦИЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ Представлены результаты работ авторов по экспериментальному исследованию гидродинамики одно- и двухфазных потоков в конструкциях с распределенными сопротивлениями, к которым относятся агрегаты с засыпками. Проведены исследования однофазной и двухфазной среды, а также струйной по дачи газа в водную среду. Исследовано расширение и псевдоожижение свободных засыпок, а также пере мещение нагруженных засыпок одно- и двухфазными средами. Разработаны условия удержания засыпок от псевдоожижения. Предложен новый подход к форме обработки результатов экспериментов, позволя ющий единообразно представлять результаты как по однофазным, так и по двухфазным потокам. Этот подход проверен и подтвержден экспериментальными данными. Результаты работы предназначены, в первую очередь, для использования при разработке атомных реакторов с топливом в виде микротвэлов, непосредственно омываемых однофазным или двухфазным теплоносителем.

Введение Относительно высокая поперечная составляю щая скорости и турбулизация потока теплоно В газоохлаждаемых высокотемператур- сителя сопровождаюся весьма высоким гидро ных реакторах (ВТГР) нашли применение ми- динамическим сопротивлением слоя МТ.

кротвэльные элементы (МТ) – сферы малого При проектировании реактора чрезвы диаметра из диоксида урана с многослойны- чайно важно иметь достоверные данные ми керамическими покрытиями [1]. Большой по гидродинамическим характеристикам объем исследований показал способность МТ движения одно- и двухфазной среды, ими длительно удерживать процесс деления при тирующей теплоноситель «пар-вода», через высоких температурах (до 1600С) и обеспе- засыпку из частиц шарообразной формы. В чивать глубину выгорания до 20 и более про- научной литературе опубликовано большое центов тяжелых ядер. Последующие иссле- число работ по экспериментальному исследо дования показали возможность применения ванию однофазных потоков в засыпках [2, 3].

МТ для водо- и пароохлаждаемых реакторов Экспериментальных работ по двухфазным с непосредственным охлаждением их тепло- потокам в засыпках [4-7] значительно меньше носителем. Возможность применения МТ с и они не охватывают всех аспектов проблем, различными защитными покрытиями требует возникающих в этой сфере. Кроме того, су значительных исследований как коррозийной ществуют задачи, которые до настоящего стойкости покрытий, так и гидродинамиче- времени не ставились, так как не были востре ских характеристик таких систем. бованы практикой. К таким задачам относятся Для уменьшения гидродинамического вопросы удержания засыпки, находящейся сопротивления засыпки используются те- под воздействием мощного одно- или двух пловыделяющие сборки (ТВС) с продольно- фазного потока, от недопустимых разбухания поперечным движением теплоносителя. и перемещения. Существуют и специфические Особенностью структуры засыпки является задачи, такие как струйный вдув газовой фазы извилистое струйное движение теплоно- в движущийся в засыпке поток.

сителя через сужения и расширения пор.

Отдельной проблемой является выбор вида представления экспериментальных данных. Дело в том, что в настоящее время экспериментальные данные необходимы для использования в математических моделях анализируемых объектов, используемых в расчетных программных комплексах.

Поэтому к форме их предъявляются такие требования, как универсальность описания и удобство применения. Необходимо провести анализ существующих форм представления экспериментальных данных и разработать унифицированные формы представления, от ражающие физическую суть происходящих процессов.

Данная работа обобщает накопившиеся к настоящему времени результаты эксперимен тальных исследований гидродинамики одно и двухфазных потоков в засыпках из шаровых частиц. В работе приведено описание прове денных экспериментов, анализ полученных результатов и представление их в унифициро- Рис.1. Cхема экспериментального стенда.

ванном виде. 1 - бак напорный, 2, 5, 6, 17, 18, 20, 21, 23, 32 – вентили, 3 - насос, 4 – бак мерный, 7, 15, 26, 27, 31 - манометры, 8, 14, 30 - термопары, 9, 13 -нижний и верхний Описание экспериментального стенда фланцы модели, 10 - прокладка, 11 - корпус модели, 12 - сетка, 16, 25 – расходомеры, 19 - ТЭН, 24 - баллон Эксперименты проводились на экспери- с газом, 25 – фильтр, 28 – трубка подачи газа, 29 – ментальном стенде, приведенном на рис.1, газораспределительное устройство.

состоящем из рабочего участка, питательного бака, циркуляционного насоса и связывающих их трубопроводов с запорно-регулирующей стеклянные шары диаметром 3,55 мм и 1,18 мм арматурой. В экспериментах использовались (с плотностью 2220 кг/м3);

высота засыпки три рабочих участка: первый - в виде стально- варьировалась от 50 до 150 мм. Скорости, рас го цилиндра с внутренним диаметром 40 мм, считанные по площади поперечного сечения второй – прозрачный цилиндр из плексигласа канала, составляли: скорость воды до 1 м/с, с внутренним диаметром 32 мм, третий - па- скорость газа до 0,55 м/с. Объемное расходное раллелепипед из плексигласа с квадратным газосодержание варьировалось в пределах от поперечным сечением и внутренними раз- 0 до 0,98, массовое расходное газосодержа мерами 32х32 мм. В рабочий участок снизу ние - от 0 до 0,2. В экспериментах измерялись вверх подавалась вода или газоводяная смесь. расходы движущихся сред, давление, перепад Подача воды осуществлялась или насосом, давлений и температура. Суть исследований или самотеком из высоко расположенного на- заключалась в анализе взаимовлияния засып порного бака. В ряде экспериментов вода по- ки и одно- и двухфазных потоков.

догревалась до температуры 100С. Подогрев Данные экспериментальные исследования осуществлялся с помощью двух ТЭНов описаны в работах [8,9]. Необходимо под мощностью 6,7 квт. Газ (аргон или азот) по- черкнуть, что в этих экспериментах заранее давался через распределительное устройство, задавалось, измерялось и поддерживалось представляющее собой набор из 36 подводя- соотношение «вода-газ». Такие абсолютно щих сопел и расположенное непосредственно четкие условия эксперимента имеют место перед входом в засыпку. Засыпка представля- далеко не всегда. Так, например, в экспери ла собой стальные шары диаметром 1,1, 2,12 ментах [10] паровая фаза переменна по дли и 3,175 мм (с плотностью 7850 кг/м3) либо не рабочего участка, причем не измеряется непосредственно, а определяется по косвенно- собственно стенок каналов. Эти добавочные му признаку – по тепловому балансу. потери измерялись отдельно. Для их изме рения в рабочий участок устанавливались обе сетки и прижимное кольцо, через контур Исследование однофазной среды прокачивалась вода, и производились изме рения потерь давления при всех значениях Вначале были проведены эксперименты скоростей и температур воды, используемых для определения сопротивления засыпки при в экспериментах. При обработке результатов движении через нее однофазной среды (воды). эти потери вычитались из экспериментальных Существует множество публикаций по экс- общих потерь давления. В общей сложности периментам с однофазной средой, например, было проведено более 500 измерений.

[2, 3], причем в подавляющем большинстве На рис. 2 приведены некоторые результаты случаев эти эксперименты были проведены экспериментов, а именно перепад давления с целью использования результатов в рас- p в зависимости от числа Re при различных четах псевдоожиженного слоя в химических диаметрах зерен и различных температурах реакторах. Характерными размерами таких воды для высоты засыпки =50 мм. На рис. реакторов являются метры, в то время как приведены пересчитанные для этих же точек характерные размеры слоя засыпки в ТВС значения удельного коэффициента сопротив существенно меньше. Отсюда возникает по- ления, определяемого выражением требность в некоторых уточнениях, о которых p = будет сказано ниже.

l w В экспериментах варьировались расход d3 воды, ее температура, диаметр шаров засып ки и ее высота. Подогрев воды до 70 –100С где p - перепад давления, Па, l - длина позволил расширить исследованный диапазон канала, м, p - плотность жидкости, кг/м3.

модифицированных чисел Рейнольдса Re, ко- Результаты, полученные в экспериментах, торые определяются по формуле сравнивались с результатами, рассчитанными по формуле Идельчика [3], по которой потери wd 0, 45 давления определяются как (1) Re = (1 ) w 1, 53 (2) p = (Re) Здесь - пористость засыпки, w – средняя 4,2 d3 скорость жидкости, м/с, рассчитываемая по полному сечению канала, - ее кинематическая вязкость, м2/c, d3 – диаметр шаров засыпки, м. коэффициент (Re) определяется по формуле Изменение температуры воды от 20С до 70С 30 меняет ее кинематическую вязкость от 1·10-6 (Re) = + + 0, Re Re0, до 0,415·10-6 м2/c и соответственно, в 2,5 раза увеличивает максимально достижимое число а число Re соответствует выражению (1).


Re. В экспериментах число Рейнольдса меня- Сравнение показало хорошее совпадение лось не только до достижения автомодельного результатов измерений с формулой (2), одна режима, что в наших условиях соответствует ко в области малых значений числа Re были величине Re=10000, но и далее, вплоть до обнаружены довольно существенные расхо Re=15000. ждения. В диапазоне Re=01500 относитель Целью работы являлось измерение потерь ная погрешность представления результатов давления непосредственно в засыпке. Однако измерений формулой (2) составляла величину перепад давления измерялся во всем тракте 10 35%. Для уменьшения этой погрешности между точками установки манометров, т.е. была предложена несколько иная формула для этот перепад является суммой определяемо- расчета коэффициента го истинного перепада давления в засыпке и потерь давления, вызванных наличием в (Re) = + 0, 3 (3) Re измеряемом участке других элементов кон струкции - фиксирующих засыпку сеток и программные комплексы моделирования гидродинамических процессов, такие как ANSYS Flotran и ANSYS CFX.

Для уточнения общей картины течения потока в засыпке требуется более близкая к реальности картина распределения скоростей по сечению канала. В рассматриваемых кон струкциях засыпка заполняет цилиндрические каналы или кольцевые зазоры, поперечные размеры которых невелики и условно соиз меримы с диаметром шаров засыпки (превы Рис.2. Зависимости перепада давления от шают последние не более чем в 20 – 30 раз).

числа Рейнольдса Re для однофазной среды. Поэтому в более подробном изучении необхо димо учитывать пристеночный, байпассный эффект.

Целью предлагаемой ниже методики является определение средних скоростей в центральной и пристеночной зонах канала по известному среднему значению скорости в канале с засыпкой.

Рассмотрим течение жидкости в круглой трубе, заполненной засыпкой. Известны лишь средние значения пористости засыпки и ско рости жидкости в канале, однако пористость у стенок канала выше, чем средняя по сечению.

Рис.3. Зависимость удельного коэффициента Сильная зависимость потери давления от по сопротивления от числа Рейнольдса Re для ристости приводит к неравномерному распре однофазной среды. делению скоростей течения в поперечном се чении канала, Точечное прилегание шариков к стенке теоретически не загромождает сечение, При этом для наших условий и в том же и пористость у стенки равна единице. Затем начальном диапазоне чисел Re=01500 отно- она постепенно снижается. Канал с засыпкой сительная погрешность снижается до 7 14%. представляем как две цилиндрические зоны:

В остальном диапазоне чисел (при Re 1500) наружную и внутреннюю. Наружная присте точности формул (2) и (3) практически совпа- ночная зона – это зона переменной пористости дают и относительная погрешность составля- var, ее ширина составляет величину, равную ет приблизительно 7%. приблизительно 3,5 d з. Внутренняя централь С учетом формулы (3) окончательное вы- ная зона – это зона постоянной пористости 2.

ражение для потерь давления приобретает Обозначим через F общую площадь канала, F вид и F2 - соответственно, площади пристеночной и центральной зон. Доля площади пристеноч 0, 765 l 189(1 ) w + 0, 3 w2 ) (4) p = ной зоны в узких каналах достаточно велика и ( 4,2 d3 d может превышать долю центральной. Так, при диаметре канала в 40 мм и диаметрах шариков где - динамическая вязкость жидкости, в 1,1, 2,12 и 3,175 мм отношения площади при Пас. стеночной области к площади центральной об В этой формуле потери четко разделяются ласти равны 0,53, 1,53 и 4,05 соответственно. В на вязкостные (первое слагаемое) и инер- ряде работ, обзор которых приведен в [11], по ционные (второе слагаемое). Предложенная лучена зависимость истинной (точечной) по формула (4) не только точнее аппроксимирует ристости шаровой засыпки var от расстояния полученные результаты в рассматриваемом точки до внутренней стенки цилиндрического диапазоне, но и наилучшим образом соответ- канала. Эта зависимость приведена на рис.4 и ствует выражениям, заложенным в расчетные может быть аппроксимирована формулой Из уравнения (7) получаем очевидные равенства F Fk w1 = w, w2 = w (9) F1 + kF2 F1 + kF w k= w где Величину k найдем из уравнения (8), кото рое сводится к выражению:

Рис.4. Распределение пористости по радиусу (Re2 ) канала. = ( 2 )2. k (Re1 ) (5) Используя в качестве зависимости (R) var=2+1,125sin(8n-n0,5+1,3)/(n1,3+0,2) где 2 - постоянная (справочная) пористость выражение (3), состоящее из двух слагаемых, центральной части канала, n=x/d3, х – рас- определим, в зависимости от величины числа стояние от стенки, м. Re, два приближения. В первом из них, при Применение подобной зависимости в компьютерных расчетах гидродинамики 0.3 или Re300, получим Re «тонких» каналов с засыпками означало бы «превышение разрешенной процессом точ ности» [7], поэтому предлагается двухступен- w = ( 2 )3. чатое задание пористости - в центральной и w пристеночной зонах канала.

Среднее значение пористости пристеноч ной зоны 1 находится как среднеинтегральная Во втором случае, при величина var в зоне 0.3 или Re300, получим 3, 1 Re 3, 5 var 1 = dn (6) w = ( 2 )2. Далее можно определить средние скорости w в обеих зонах канала. В канал поступает поток жидкости с известной скоростью w=G/ (*F), где G- расход жидкости, м3/с. Попадая в за- Для промежуточных значений Re пока сыпку, поток разделяется на две части: в при- затель степени можно принять равным 3. В стеночной зоне жидкость движется со средней итоге средние скорости в пристеночной и цен скоростью w1, в центральной зоне – со средней тральной зонах канала w1 и w2 определяются скоростью w2. из выражений (9).

Для определения скоростей w1 и w2 исполь зуем следующую систему уравнений (7-8):

Исследование перемешанной уравнение баланса массового расхода двухфазной среды w1F1+w2F2=wF (7) Проведен большой объем экспериментов равенство потерь давления в обеих зонах с целью исследования гидродинамического канала сопротивления засыпки при прохождении через нее перемешанной газоводяной смеси. В 2 w1 w 1, 53 1, рабочий участок снизу вверх подавалась газо (Re1 ) = (Re2 ) (8) (1 )4,2 (2 )4, d3 d 2 водяная смесь. Газ (аргон или азот) подавался в воду через распределительное устройство, были проведены в диапазонах 0Rew4000, описанное выше. Засыпка состояла из метал- 0Reg200. Величины Pm и Pw – это изме лических шариков диаметром 1,1, 2,12 и 3,175 ренные в экспериментах потери давления при мм. В экспериментах измерялись расходы течении газоводяной смеси или воды.

движущихся сред, давления, перепад давле- Полученные результаты (зависимости ги ний и температура. Полученные результаты дравлического сопротивления засыпки от ха обрабатывались в виде зависимостей потерь рактеристик двухфазного потока) обработаны давления от чисел Рейнольдса, от массового в трех формах. Первая форма соответствует газосодержания и объемного расходного классическим соотношениям, обобщенным в газосодержания. Массовое расходное газосо- справочнике [3] и сводящимся к формуле (2).

держание варьировалось от 0 до 0,20. Особый Эта формула была модифицирована выраже интерес представляли дополнительные по- нием =w+g, где w -коэффициент сопротив тери давления, связанные с наличием газовой ления при отсутствии газа, а g- добавочный фазы. На рис. 5 представлены результаты в коэффициент сопротивления, возникающий виде относительных дополнительных потерь из-за подачи газа.

давления По результатам экспериментов для до бавочного коэффициента сопротивления g Pm Pw получено выражение m= (в процентах), Pw Reg Reg вызванных добавлением газа, в зависи- g = (20 + 0, 3 ). (10) 0, Re w1, Re w мости от числа Рейнольдса воды Rew при различных числах Рейнольдса газа Reg. Здесь числа Рейнольдса Rew и Reg являются модифи- Итак, потери давления двухфазного потока цированными и вычисляются по формуле (1) в засыпках вычисляются по формуле для скоростей воды или газа соответственно, 1, 53 L w причем сами скорости рассчитываются по, (11) p = (w + g ) 4,2 d полному сечению канала. Эксперименты где w определяется по формулам для одно фазной среды, а g – по формуле (10).

Данная формула для вычисления потерь давления двухфазного потока в засыпках справедлива для тех условий, в которых она была получена, а именно, для течения гомогенной смеси без изменения массового расходного газосодержания x=Gg/(Gw+Gg) по длине канала, так как массовые расходы воды Gw и газа Gg были постоянными вдоль тракта.

Расчетные скорости воды и газа определялись выражениями ww = Gw/wF и wg = Gg/gF, где w и g - соответствующие индексам плотности, а F - полное сечение канала. Динамический напор w2/2 в (2) определялся по параметрам основн ой, несущей фазы, в нашем случае Рис.5. Зависимость дополнительных - воды.

относительных потерь давления m для Дополнительный коэффициент потерь перемешанной двухфазной среды m, давления от газовой (или паровой) фазы g вызываемых добавлением газа, от числа можно представить в функции от объемного Рейнольдса воды Rew при различных числах расходного газосодержания Рейнольдса газа Reg: 1 – Reg =35;

2 - Reg =70;

Vg, = 3 - Reg =105;

4 - Reg =139;

5 - Reg =174.

Vw +Vg Сплошная кривая – аппроксимация точек 5, штриховая кривая – аппроксимация точек 1.

где Vw и Vg – объемные расходы воды и газа, ww w + wg g м3/с., (14) m = Получим выражение для дополнительного ww + wg коэффициента сопротивления в виде ww, wg – скорости воды и газа, м/c, w, g - плот 0.3 Re0.6 ности воды и газа, кг/м3.

Re0.8 ) g = (20 + w w 1 1 Кинематическая вязкость смеси в этом.


контексте соответствует выражению Вторая форма обработки эксперименталь m = w + x (g w ), (15) ных результатов связана с модифицированной нами методикой Локкарта и Мартинелли [4].

Результатом явилось выражение где массовое расходное газосодержание x равно (12) p = pw + pg + C pw pg x = Gg / (Gg + G w ), (16), где потери давления w и g находятся по а Gw и Gg - массовые расходы воды и газа, известным формулам при условии, что по кг/с.

каналу течет только жидкость или только Для расчета потерь давления при течении газ, а коэффициент С в общем случае явля- двухфазного потока предлагается использо ется функцией параметров отдельных фаз. В вать каноническую формулу (2), в которой в условиях проведенных экспериментальных качестве расчетной скорости используется исследований для оценки потерь давления по среднединамическая скорость смеси (13), а в формуле (12) можно принять коэффициент С качестве расчетной плотности – плотность постоянным и равным С=4,4. смеси по формуле (14). Пользуясь данной Формулы (11) или (12) дают приблизитель- методикой, потери давления двухфазного по но равную точность аппроксимации результа- тока можно рассчитывать по формуле (2) без тов экспериментальных данных в исследован- добавочного коэффициента сопротивления ных нами диапазонах изменения параметров. g, что является третьей возможностью вы Обработка результатов экспериментов по числения потерь двухфазного потока (наряду двухфазным течениям представляет серьез- с формулами (11) и (12)).

ные затруднения, поскольку процесс в данном случае является многопараметрическим.

Исследование псевдоожижения Нами предложена единая методика обработки экспериментов, объединяющая одно- и двух фазные среды. Эта методика базируется на Псевдоожижение (кипящий слой) созда представлении о том, что переход от одной ется и используется в промышленности как среды к другой должен быть связан с изме- метод интенсификации физико-химических нением эффективных параметров среды и не процессов, протекающих между газом или должен менять общую форму обработки экс- жидкостью и твердыми частицами в дисперс периментальных данных. ном состоянии. Метод широко применяется в Вводится основная расчетная характери- химической и других областях промышлен стика - скорость смеси, в качестве которой ности. Публикации по экспериментальному предлагается использовать среднединами- исследованию псевдоожижения посвящены, в ческую скорость смеси wmds, получаемую из основном, вопросам его получения и расчета.

условного баланса кинетической энергии ее В подавляющем большинстве случаев ожи компонентов по формуле жающая среда является однофазной. Однако в атомных реакторах с использованием микро g wg w ww m wmds 2 твэлов среда может быть и двухфазной (при, (13) = + парообразовании), а режимы движущейся 2 2 среды таковы, что могут вызывать расшире где плотность смеси m рассчитывается исходя ние засыпки и ее псевдоожижение, которые из весовых долей компонентов по формуле в данном случае являются недопустимыми явлениями. Необходимо не только знать усло- После проведения каждого эксперимента вия возникновения псевдоожижения (как при и слива воды из рабочего участка засыпка однофазном, так и двухфазном потоке), но и, приводилась в первоначальное состояние главным образом, условия и методы его пре- (проводилось отстукивание корпуса рабочего дотвращения. Результаты по исследованию участка). Только после этого начиналось про этих условий будут представлены в следую- ведение нового эксперимента.

щем разделе. Для свободной засыпки (без нагрузки) при Имеется множество экспериментальных и течении однофазной среды (воды) получены теоретических исследований псевдоожижения результаты, частично представленные на однофазной средой и существенно меньше – рис.6. Здесь показано начало псевдоожижения двухфазной [2,7]. Что же касается условий и и процесс разбухания засыпки. Представлены методов предотвращения псевдоожижения, зависимости величины пористости при раз то такие исследования отсутствуют. Поэтому бухании слоя (после начала псевдоожижения) нами были проведены эксперименты [9] по от параметров засыпки и параметров одно исследованию процесса псевдоожижения фазной ожижающей среды. Эти зависимости шаровых засыпок при различных условиях обобщены в виде формулы внешнего воздействия (свободная засыпка, 0, 7 4, воздействие сверху постоянной и переменной (Re Rekp )2, (17) = 0 + (Re Rekp ) 0, Ar Ar нагрузки). Исследовалось поведение засыпок из стальных и стеклянных шаров, уложенных в прозрачный рабочий участок цилиндри- где 0 и – пористости засыпки, исходная и по ческой формы с внутренним диаметром 32 лученная в результате разбухания, Re=wdз/ – мм. Прозрачный рабочий участок позволяет текущее значение критерия Рейнольдса, визуально наблюдать процесс псевдоожи- Reкр – значение критерия Re в момент начала жения и проводить фото- и видеосъемку. псевдоожижения, при скорости w=wкр, wкр – Исследовалось псевдоожижение засыпки критическая скорость, скорость начала псев одно- и двухфазными потоками. В экспери- доожижения, м/c.

ментах изменялась высота засыпки (50 мм и Reкр для однофазной среды равно 100 мм), диаметр и материал шаров (стальные Ar Rekp = шары диаметром 3,55 мм и 1,12 мм, стеклян-, 1400 + 5.22 Ar ные шары диаметром 3,55 мм и 1,18 мм). Шары, плотно уложенные в корпус рабочего участка, сверху покрывались мелкоячеистой сеткой. а критерий Архимеда Ar определяется по Эксперименты по определению начала псев- формуле доожижения проводились как с сеткой, так d3 3 g(m ) и без нее. Исследовались как свободные (без Ar =, нагрузки), так и нагруженные сверху засыпки (с постоянной нагрузкой и переменной нагруз кой, создаваемой пружинами). Разнообразие где g=9,8 м/c2 – ускорение свободного падения, нагрузок позволяет исследовать поведения за- m, - плотности материала шаров и жидкости, сыпки при тех или иных конструкциях узлов кг/м3, v - кинематическая вязкость жидкости, поджатия, которые могут использоваться в м2/с.

ТВС перспективных проектов. Используемые Можно отметить, что результаты экспери материалы, из которых изготовлены шары ментов по критической скорости для однофаз засыпки (сталь и стекло), перекрывают пред- ного потока полностью совпали с приведенной полагаемый в настоящее время диапазон выше формулой.

плотностей микротвэлов. Начало движения Для свободной засыпки в двухфазной сре шаров засыпки фиксировалось как визуально де с одной неподвижной фазой (водой) и одной (через увеличительное стекло), так и с по- подвижной фазой (газом) получены новые ре мощью специально изготовленного чувстви- зультаты, состоящие в том, что даже малого тельного прибора, реагирующего на подъем расхода газа достаточно для быстрого подъема верхнего слоя засыпки включением лампочки. засыпки, величина которого (подъема) затем Чувствительность прибора составляла 0,2 мм. стабилизируется на определенном уровне, кинематическая вязкость смеси vm, опреде ляемая по формуле (15), а также критическая скорость смеси (скорость начала псевдоо жижения смесью). В результате обработки экспериментов по псевдоожижению засыпки двухфазной средой получена зависимость критического значения Рейнольдса смеси Reкр см от критерия Архимеда смеси Arm Reкр m=610 –6Arm, (18) Рис.6. Зависимость пористости засыпки от где все параметры определены формулами числа Рейнольдса Re в процессе разбухания (14-16).

засыпки при движении однофазной среды. Нужно отметить, что критическое значе 1-5 – стальные шары, 6-8 – стеклянные шары;

ние числа Рейнольдса для двухфазной среды 1 – высота засыпки=50 мм, d3-3.175;

2 – 100, значительно меньше, чем для однофазной 3.175;

3 – 50, 1.12;

4 – 100, 1.12;

5 – 100, 3.55;

(разумеется, при одинаковых критериях 6 – 50, 3.55;

7 – 100, 1.18;

8 – 50, 1.18. Архимеда). Это вызвано барботажем газа че рез воду и повышенным градиентом давления при течении двухфазного потока.

зависящем от параметров засыпки. Этот Таким образом, как момент начала псев процесс происходит при таких параметрах, доожижения засыпки двухфазным потоком, когда сила гидродинамического давления еще так и следующее за ним расширение засыпки существенно меньше силы тяжести засыпки. полностью описываются выражениями (17) и В данном случае процесс существенно отли- (18), в которых скорость смеси равна средне чается от обычного псевдоожижения. Это от- динамической, а физические параметры смеси личие вызвано тем, что в процессе участвует находятся по выражениям (14) - (16).

барботаж газа через воду и осуществляется Эта же методика была опробована и дала динамическое воздействие пузырьков газа положительные результаты для эксперимен на засыпку, что приводит зерна слоя в коле- тов по течению пароводяной смеси в засыпке, бательное движение, уменьшает силу трения представленных в [11].

зерен между собой и со стенками канала и увеличивает проходные сечения между зер Исследование нагруженной засыпки и нами. Этот режим нельзя рассчитывать по условий ее удержания формулам псевдоожижения.

Для свободной засыпки и двухфазной сре ды с обеими подвижными фазами (при неоди- Воздействие двухфазного потока на за наковых скоростях фаз) получены результаты, сыпку может привести к ее разбуханию, а в также свидетельствующие о влиянии барбота- дальнейшем – и к псевдоожижению, если не жа газа на условия начала псевдоожижения. принять специальных мер, ограничивающих Предложенная в разделе 3 методика возможность перемещения засыпки в на представления экспериментальных данных правлении потока. Были изучены силы, ко с помощью среднединамической скорости торые будут воздействовать в этих случаях смеси была применена и дала положительные на ограничивающие засыпку конструкции.

результаты также и в представлении расшире- Исследовались различные случаи и способы ния и псевдоожижения засыпок двухфазным удержания засыпки:

потоком. Полученное выше выражение (17), а) свободная засыпка (отсутствие описывающее расширение засыпок одно- удержания), фазным потоком, оказалось пригодным и для б) засыпка с постоянной нагрузкой (под описания расширения двухфазным потоком. вижная верхняя сетка утяжеляется грузами), При этом в критерии Рейнольдса и Архимеда в) засыпка с переменной нагрузкой (на подставляются величины среднединамиче- сетку воздействуют пружины различной ской скорости wmds и средней плотности m, жесткости с первоначальным поджатием или без него и с дополнительными грузами или без них).

Использовались не препятствовавшие про ходу воды или двухфазной смеси грузы в виде тонкостенных полых цилиндров весом от 15,9 г до 47 г. и пружины жесткостью 4,4 г/ мм и 20 г/мм и с весом, соответственно, 16 г и 48 г, иногда с предварительным поджатием.

Измерялись расход воды, расход и давление газа, высота поднятия засыпки, давление воды на входе и смеси воды и газа на выходе из рабочего участка. Рис.7. Связь между нагрузкой и числом Для нагруженной засыпки в экспери- Рейнольдса Reкр (эксперимент и теория).

ментах получены следующие результаты.

Выявлено, что поведение засыпки при до статочно большом подъеме верхнего уровня и псевдоожижении принципиально отличается от поведения свободной засыпки. Здесь не происходит равномерного разбухания (как при свободной засыпке), а засыпка расслаи вается на 2-3 различных слоев. Верхний слой представляет собой неподвижную и плотную упаковку шаров, прижатую к верхней сетке. Рис.8. Силы, действующие на засыпку.

Ниже находится слой свободной от шаров воды. И, наконец, внизу располагается сильно разреженный слой подвижных, «пляшущих» засыпки (за вычетом подъемной силы), Fтр шаров. Поведение и высота этих слоев зависят сила трения.

от режимных параметров потока, а также вида На рис.7 наряду с экспериментальными и величины нагрузки. точками (тонкими линиями показаны линии Получены зависимости критической ско- их трендов) представлены теоретические рости при постоянной и переменной нагрузках кривые, рассчитанные по равенству (19) без для однофазной и двухфазной среды в зави- учета силы трения. Разность между экспе симости от нагрузки. На рис.7 представлены риментальными и теоретическими кривыми экспериментальные данные в виде связи ре- представляет собой величину силы трения, альной внешней нагрузки, останавливающей для которой получена линейная зависимость перемещение засыпки, и критического числа Рейнольдса Reкр (для однофазной среды, посто- Fтр=А (Ф - G), янной и переменной нагрузок). Практически совпадающие результаты получены для двух- где коэффициент А = 0,60 для стальных шаров фазной среды, при условии расчетов Reкр по и А = 0,13 для стеклянных шаров.

методике среднединамической скорости. Итак, необходимая внешняя нагрузка, Был рассмотрен вопрос о предотвращении сдерживающая псевдоожижение, должна псевдоожижения в засыпке. Засыпка рассма- быть равна тривалась как поршень (см. рис.8), который может двигаться в цилиндре. На рис.8 показа- Fвн=(1 - A)(Ф - G) ны силы, действующие на засыпку. Условием неподвижности засыпки - поршня является Для стальных шаров необходимая внешняя неравенство нагрузка составляет лишь 40% от «полной»

силы (Ф - G), которая потребовалась бы, если бы силы трения не было. Для стеклянных ша Fвн Ф - G - Fтр, (19) ров эта величина составляет 87%. Причиной где Fвн – сила внешнего нагружения, Ф – ги- возникновения дополнительной силы, удер дродинамическая сила, G – сила тяжести живающей засыпку, является трение засыпки о стенку, отсутствующее в покое и появляю- Причиной этого является большие скорость и щееся только при наложении ограничения на динамический напор на участке расширения перемещение засыпки. Суть этого явления струи, причем высокие значения коэффици состоит в аномальном поведении засыпки ента сопротивления локализованы в зоне рас с пористостью менее 0,41. При нагружении ширения струи. Этот результат согласуется такая засыпка не сжимается, а стремится рас- с экспериментальными результатами работы шириться [7]. Относительное перемещение [6]. Естественно, что дополнительное сопро зерен засыпки сопровождается «эффектом тивление локализовано в окрестности выхода клина», при котором возникает и быстро воз- струи.

растает внутреннее давление между зернами Строго говоря, течение вдуваемого в за засыпки. Это давление передается на стенки и сыпку газа не является сплошной струей, а приводит к значительной силе трения. Разница представляет собой поток пузырьков, имею в величине коэффициента А для стальных и щих те же начальные условия, что и сплошная стеклянных зерен объясняется более высоким струя. Однако в силу сходства общей картины коэффициентом трения в паре «сталь-сталь», течения газа сплошной струей и струи из пу чем в паре «стекло-стекло», а также большим зырьков, будем использовать термин «струя».

модулем упругости стали. Визуально «струя» имеет эллипсоидальную Необходимо отметить, что эксперименты форму, однако в первом приближении ее мож по определению величины трения в данных но рассматривать как примерно эквивалент условиях проводились, очевидно, впервые. ный по объёму усеченный конус.

Эксперименты позволили детально на блюдать процесс распространения струи газа, Исследование струи газа в засыпке с а также получить некоторые количественные водой и качественные оценки процесса перемешива ния. На рис.9 приведена зависимость угла рас В перспективных конструкциях ТВС крытия газовой струи от отношения началь возможны ситуации, при которых образовав- ных скоростей газа wg и воды ww Полученные шиеся струи газа или пара пробиваются через результаты были аппроксимированы кривой, засыпку, заполненную жидким теплоноси- которая соответствует формуле (угол – в телем. Такие струи являются мощной силой, градусах) способной за счет большого динамического 0, w напора прокладывать себе путь, раздвигая g = 2, шары стальной засыпки [6]. В [8] исследована w w картина распространения одиночной струи газа в засыпке, заполненной неподвижной или движущейся водой. Эксперименты про- Здесь wg и ww – скорости газа и воды.

водились со стеклянными шарами 3,55 мм в диаметре в рабочем участке квадратного по перечного сечения 32х32 мм с прозрачными стенками. Струя газа подавалась через тон кую иглу, расположенную в центре основания столба засыпки и вдвинутую внутрь на 19 мм.

Как и в предыдущих экспериментах, варьи ровались расходы воды и газа, а также изме рялся угол раскрытия струи газа, связанный, как известно, со степенью турбулентности в струе. В экспериментах проводились фото и видеосъемки, фиксировавшие распростране ние струи газа. По результатам эксперимен тов выяснилось, что сопротивление засыпки при струйном течении газа в условиях про- Рис.9. Зависимость угла раскрытия газовой ведения экспериментов на 30–35% больше, струи от отношения начальных скоростей чем при перемешанном двухфазном потоке. газа wg и воды ww.

Заключение перегревом пара // Тяжелое машиностроение.

2002. № 1. С. 7-11.

Приведены результаты проведенных ра- 2. М.Э. Аэров, О.М. Тодес. Гидравлические бот по экспериментальному исследованию и тепловые основы работы аппаратов со ста гидродинамики одно- и двухфазных потоков, ционарным и кипящим зернистым слоем. Л.:

протекающих через засыпки, состоящие из Химия, 1968. 510 с.

частиц шаровой формы. Это исследование рас- 3. И.Е. Идельчик. Справочник по ширило базу накопленных эксперименталь- гидравлическим сопротивлениям. М.:

ных данных по гидродинамике в засыпках. Машиностроение, 1975. 326 с.

Некоторые из полученных эксперименталь- 4. Lockhart R.W., Martinelli R.G. // Chem.

ных данных являются новыми. Это касается, Eng. Progr. 1949. V. 45. № 1. P.39-48.

в частности, исследования по предотвраще- 5. Ю.А. Зейгарник, В.М. Поляев.

нию псевдоожижения в засыпках. Анализ Теплообмен и гидродинамика двухфазных условий предотвращения псевдоожижения сред в условиях вынужденного движения в найдет применение в конструировании со- пористых структурах // ИФЖ. 2000. Т. 73. № 6.

ответствующих агрегатов. Также впервые С. 1125-1132.

получена картина расслоения удерживаемой 6. Naik A.S and Dhir V.K. Forced Flow сверху засыпки, подверженной воздействию Evaporative Cooling of a Volumetrically Heated однофазного или двухфазного потока. Для Porous Layer// Int. J. Heat Mass Transfer. 1982.

расчетов относительно нешироких каналов с V. 25. № 4. P. 541–552.

засыпками предложена методика численной 7. М.А. Гольдштик Процессы переноса оценки влияния пристеночного эффекта, в зернистом слое. АН СССР. Сибирское отде расчета коэффициентов сопротивления в цен- ление. Институт теплофизики. Новосибирск, тральной и пристеночной зонах канала. 2005. 358 с.

Представлены современные унифициро- 8. Г.А. Филиппов, Л.Э. Меламед, ванные формы обработки результатов экс- В.П. Мастюкин, М.В. Кондитеров, периментов, позволяющие использовать их в А.И. Тропкина. Экспериментальное исследо математических моделях гидродинамических вание гидродинамики двухфазных потоков процессов. Предложенная в работе средне- (смеси и струи) в засыпках с шаровыми ча динамическая скорость двухфазного потока стицами // Теплофизика высоких температур.

является усредненной характеристикой ди- 2004. Т.42. №6. С.954-960.

намического воздействия этого потока и по- 9. Г.А. Филиппов, Л.Э. Меламед, зволяет использовать для расчета двухфазных В.П. Мастюкин, М.В. Кондитеров, течений закономерности, присущие одно- А.И. Тропкина. Экспериментальное иссле фазным потокам. Это относится не только к дование псевдоожижения шарообразных рассмотренным в данной работе процессам, засыпок потоком одно- и двухфазной сред и но и, возможно, к другим задачам двухфазных условия его предотвращения // Теплофизика течений. высоких температур. 2005. Т.43. № 3. С.452 Результаты исследования могут быть ре- 458.

комендованы для использования в разработке 10. А.А. Авдеев, Б.Ф. Балунов, Р.А.

атомных реакторов. Рыбин, Р.И. Созиев, Г.А. Филиппов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.