расчетно-экспериментальные исследования массообмена
advertisement
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАССООБМЕНА ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТВСА РЕАКТОРОВ ТИПА ВВЭР ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ РЕШЕТОК С.С. Бородин, С.М. Дмитриев, М.А. Легчанов, А.Е. Хробостов НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия Уровень развития современного реакторостроения в значительной мере зависит от изучения гидродинамики и массообмена теплоносителя в активной зоне ядерного реактора. Необходимость знания процессов массообмена и гидродинамики определяется тем, что ядерные реакторы представляют собой высокоэнергонапряженные аппараты, в которых эти процессы проявляются в весьма сложной форме. Успешная эксплуатация реакторных установок типа ВВЭР во многом определяется полнотой и надежностью гидродинамического и теплофизического обоснования активной зоны при различных режимах работы ЯЭУ. В разработанной ТВСА (ОАО «ОКБМ Африкантов») для реакторов типа ВВЭР используются перемешивающие решетки, позволяющие улучшить перемешивание теплоносителя между ячейками и турбулизировать поток в пределах отдельных ячеек. Перемешивающие решетки имеют турбулизирующие дефлекторы, характерными вариантами расположения которых являются: организация «закрутки вокруг твэла» и «порядной прогонки» потока теплоносителя. Также для уменьшения анизотропии межъячейкового массообмена целесообразно в ТВСА использовать вариант с поворотом каждой перемешивающей решетки типа «порядная прогонка» относительно предыдущей (относительно первой ПР вторая повернута по часовой стрелке на 60°), изменяя тем самым направление движения теплоносителя. Для обоснования теплотехнической надежности активных зон реакторных установок ВВЭР с перемешивающими решетками необходимо определить влияние конструкции решеток на гидродинамику и массообмен теплоносителя. Кроме того, при выборе оптимальной конструкции необходимо обеспечить наиболее благоприятное сочетание таких параметров, как интенсивность перемешивания, гидравлические потери и запасы до кризиса теплоотдачи. Учитывая сложность математического описания трехмерного течения жидкости в сложной геометрии сборок твэл, основным методом изучения гидродинамики и массообмена в ТВС реакторов является экспериментальное исследование масштабных и полноразмерных моделей кассет и активных зон на аэро- и гидродинамических стендах. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАНИЙ СТЕНД И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ Исследования локальных характеристик межъячеечного массообмена потока теплоносителя проводились на аэродинамическом экспериментальном стенде методом диффузии газового трассера на нескольких масштабных экспериментальных моделях (ЭМ): на 19-стержневой модели фрагмента ТВСА (рис.1а), на 57-стержневой модели фрагмента активной зоны реактора ВВЭР (рис.1б), включающей в себя сегменты трех топливных кассет ТВСА и межкассетное пространство и на 61-стержневой модели фрагмента ТВСА (рис.1в). Все ЭМ выполнены с соблюдением полного геометрического подобия и включают в себя твэлы-имитаторы, пояса дистанционирующих и перемешивающих решеток (рис.2). Для изучения массообмена теплоносителя сконструирован и изготовлен отборный зонд, позволяющий определять значения осевой скорости, статического и полного давлений в исследуемой точке, а также одновременно выполняющий функцию транспортного газопровода для отбора пробы трассера в газоанализатор. Для измерения концентрации углеводородов CnHm в газо-воздушной смеси использовался газоанализатор, принцип работы которого основан на измерении величины поглощения инфракрасного излучения. Для управления и постоянного мониторинга экспериментальных данных, получаемых газоанализатором, разработан программный комплекс «ТРАССЕР – П». В программном комплексе реализованы возможности построения графика изменения концентрации в зависимости от времени, а также непосредственный мониторинг динамики изменения концентрации в режиме реального времени и записи значений в файл. а) б) в) Рис. 1. Общий вид экспериментальных моделей Для представительности экспериментальных исследований гидродинамических характеристик ЭМ необходимо соблюдение равенства местного гидравлического сопротивления натурных перемешивающих решеток и гидравлического сопротивления перемешивающих решеток экспериментальной модели. В области автомодельного течения теплоносителя коэффициенты гидравлического сопротивления ЭМ перемешивающих решеток ЭМ различной конструкции составили ПР 0,41 - 0,72 (рис. 3), что соответствует коэффициентам гидравлического сопротивления натурных решеток с различными углами отгиба и высотой дефлекторов. Все экспериментальные исследования проводились в диапазоне чисел Re от 8104 до 9104 на участке автомодельного течения теплоносителя, что подтверждено соответствующими исследованиями. Рис. 2. Исследуемые пояса перемешивающих решеток экспериментальных моделей 1 0.9 0.8 0.7 Ï Ð 0.6 0.5 0.4 Ï Ð òèï à "çàêðóòêà âî êðóã òâýëà" ñ äåô ëåêòî ðî ì 4,5 ì ì ñ óãëî ì î òãèáà 45° Ï Ð òèï à "çàêðóòêà âî êðóã òâýëà" ñ äåô ëåêòî ðî ì 4,5 ì ì ñ óãëî ì î òãèáà 35° 0.3 Ï Ð òèï à "çàêðóòêà âî êðóã òâýëà" ñ äåô ëåêòî ðî ì 3,5 ì ì ñ óãëî ì î òãèáà 45° Ï Ð òèï à "çàêðóòêà âî êðóã òâýëà" ñ äåô ëåêòî ðî ì 3,5 ì ì ñ óãëî ì î òãèáà 35° Ï Ð òèï à "ï î ðÿäí àÿ ï ðî ãî í êà" ñ äåô ëåêòî ðî ì 4,5 ì ì ñ óãëî ì î òãèáà 35° Ï Ð òèï à "ï î ðÿäí àÿ ï ðî ãî í êà" ñ äåô ëåêòî ðî ì 4,5 ì ì ñ óãëî ì î òãèáà 30° 0.2 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 Re Рис. 3. Зависимость коэффициента местного гидравлического сопротивления поясов перемешивающих решеток (ПР) различных типов от числа Re РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРАССЕРА В 19- И 61-СТЕРЖНЕВОЙ МОДЕЛЯХ ФРАГМЕНТА ТВСА ПРИ ПОСТАНОВКЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ РЕШЕТОК ТИПА «ЗАКРУТКА ВОКРУГ ТВЭЛА» С РАЗЛИЧНЫМИ ДЕФЛЕКТОРАМИ Экспериментальные исследования распределения концентрации трассера в характерных зонах проводились на 19-стержневой модели фрагмента ТВСА при постановке поясов перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла» с длиной дефлекторов 3,5 мм и 4,5 мм и с углами отгиба 35 и 45 при числе Re = 77830 и на 61-стержневой модели фрагмента ТВСА при постановке поясов перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла» с длиной дефлекторов 3,5 мм и с углом отгиба 35 при числе Re = 80800. Комплексный анализ результатов экспериментального исследования локального массопереноса трассера в характерных зонах ТВСА при постановке поясов перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла» показал: 1. За дефлекторами перемешивающей решетки типа «закрутка вокруг твэла» происходит винтообразное постепенно затухающее движение трассера, обусловленное закруткой потока посредством турбулизирующих дефлекторов (рис. 5); 700 Çî í à 20 - 35 ãðàä Çî í à 25 - 35 ãðàä Çî í à 21 - 35 ãðàä Çî í à 17 - 35 ãðàä Çî í à 12 - 35 ãðàä Çî í à 16 - 35 ãðàä Çî í à 20 - 45 ãðàä Çî í à 25 - 45 ãðàä Çî í à 21 - 45 ãðàä Çî í à 17 - 45 ãðàä Çî í à 12 - 45 ãðàä Çî í à 16 - 45 ãðàä 650 600 550 Êî í öåí òðàöèÿ, ppm 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 6 5 7 8 9 11 10 12 13 14 16 15 17 18 19 21 22 23 20 24 26 25 27 28 29 31 30 32 33 34 36 37 38 39 35 40 l/d Рис. 5. График изменения концентрации трассера по длине 19-стержневой модели в ячейках, прилежащих к инжектируемому твэлу, при постановке перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла» (подача трассера осуществляется в зону №20) 2. Не весь поток теплоносителя движется вокруг инжектируемого твэла. Часть трассера передается в соседние ячейки за счет турбулентного массообмена, имеющего значительно большую величину за ПР, вследствие дополнительной турбулизации потока (рис. 6); 3. Эффективное перемешивание трассера в поперечном сечении 19-стержневой модели заканчивается на расстоянии l/d ≈ 1820 после ПР типа «закрутка вокруг твэла» с дефлектором 4,5 мм и углом отгиба 45, на расстоянии l/d ≈ 2021 после ПР с дефлектором 4,5 мм и углом отгиба 35 и на расстоянии l/d ≈ 2527 после ПР с дефлекторами 3,5 мм и углами отгиба 35- 45; 4. Затухание возмущений массообменных процессов за ПР происходит на большем расстоянии (l/d ≈ 1825) по сравнению с затуханием поперечных скоростей потока, возникающих за турбулизирующими дефлекторами ПР (l/d ≈ 23,5) [2]; 5. Эффективное перемешивание в поперечном сечении 61-стержневой модели ЭМ происходит на расстоянии l/d 1416 после перемешивающей решетки типа «закрутка вокруг твэла» с дефлектором высотой 4,5 мм и углом отгиба 35 (рис. 7). 700 650 Çî í à 20 - 35 ãðàä Çî í à 25 - 35 ãðàä Çî í à 29 - 35 ãðàä Çî í à 32 - 35 ãðàä Çî í à 28 - 35 ãðàä Çî í à 24 - 35 ãðàä Çî í à 20 - 45 ãðàä Çî í à 25 - 45 ãðàä Çî í à 29 - 45 ãðàä Çî í à 32 - 45 ãðàä Çî í à 28 - 45 ãðàä Çî í à 24 - 45 ãðàä 600 550 Êî í öåí òðàöèÿ, ppm 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 6 7 8 9 5 11 12 13 10 14 16 17 18 19 15 21 22 23 24 20 26 27 28 29 25 31 32 33 30 34 36 37 38 39 35 40 l/d Рис. 6. График изменения концентрации трассера по длине 19-стержневой модели вокруг твэла, соседнего с инжектируемым, при постановке перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла» (подача трассера осуществляется в зону №20) 1100 Çî í à ¹ Çî í à ¹ Çî í à ¹ Çî í à ¹ Çî í à ¹ Çî í à ¹ 1000 900 Êî í öåí òðàöèÿ, ppm 800 63 72 64 56 47 55 700 600 500 400 300 200 100 0 6 5 7 8 9 11 10 12 13 14 16 15 17 18 19 21 20 l/d 22 23 24 26 25 27 28 29 31 32 33 34 30 Рис. 7. График изменения концентрации трассера по длине 61-стержневой модели в ячейках, прилежащих к инжектируемому твэлу, при постановке перемешивающих решеток типа «закрутка вокруг твэла» (подача трассера осуществляется в зону №63) 35 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРАССЕРА 19- И 57-СТЕРЖНЕВОЙ МОДЕЛЯХ ФРАГМЕНТА ТВСА ПРИ ПОСТАНОВКЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ РЕШЕТОК ТИПА «ПОРЯДНАЯ ПРОГОНКА» Экспериментальные исследования распределения концентрации трассера в характерных зонах ТВСА при постановке пояса перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» с длиной дефлекторов 4,5 мм и с углами отгиба 35 проводились при числе Re = 89360. Кроме того, исследования распределения концентрации трассера в характерных зонах ТВСА при постановке системы двух поясов перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» проводились на 19-стержневой модели фрагмента ТВСА с длиной дефлекторов 3,5 мм и углом отгиба 30 при числе Re = 79500 и на 57-стержневой модели фрагмента активной зоны реактора ВВЭР с ТВСА с длиной дефлекторов 3,5 мм и с углом отгиба 35 при числе Re = 80520. Комплексный анализ результатов экспериментального исследования локального массопереноса трассера в характерных зонах ТВСА при постановке одного пояса перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» и системы двух поясов перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» показал: 1. Отклоненный дефлектором поток приобретает поперечные составляющие скорости на выходе из перемешивающей решетки. Далее, посредством механизма конвективного переноса, часть поперечного потока теплоносителя из каждой ячейки переходит в соседнюю ячейку, смешиваясь при этом с основным осевым потоком. 2. Изменение концентрации трассера в ячейках показывает, что не весь поток теплоносителя движется по направлению рядного расположения дефлекторов. Часть трассера передается в соседние ячейки за счет турбулентного массообмена, имеющего значительно большую величину за ПР, вследствие дополнительной турбулизации потока (рис. 8). 900 800 Êî í öåí òðàöèÿ, ppm 700 600 500 Çî í à Çî í à Çî í à Çî í à Çî í à Çî í à Çî í à Çî í à 400 300 200 ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ 11 16 12 17 13 18 14 15 100 0 6 5 7 8 9 11 10 12 13 14 16 15 17 18 19 21 22 23 20 24 26 25 27 28 29 31 30 32 33 34 36 35 37 38 39 40 l/d Рис. 8. Распределение концентрации трассера по длине 19-стержневой модели при постановке перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» 3. За решеткой перемешивающие свойства ПР снижаются вследствие уменьшения поперечных составляющих скорости, а интенсивность массообмена определяется степенью повышения турбулентности потока за решеткой. Наличие турбулентного трения приводит к диссипации энергии движения потока, что быстро уменьшает интенсивность поперечных конвективных течений, создаваемых дефлекторами решетки, но при этом сама исследуемая решетка создает достаточно высокую интенсивность перемешивания за счет конвективного переноса на выходе из ПР. 4. Затухание возмущений массообменных процессов за ПР происходит на расстоянии l/d2123, что примерно соответствует длине затухания возмущений в ЭМ с поясом ПР типа «закрутка вокруг твэла. Конвективные потоки, создаваемые дефлекторами, также турбулизируют течение за перемешивающей решеткой, что способствует увеличению диффузионного массообмена за поясом ПР. 5. Расположение дефлекторов ПР типа «порядная прогонка» приводит к структуре течения за решеткой, в которой твэлы, омываемые потоком, расположены в одном ряду. Направленный поток теплоносителя, в основном, омывает только половину смоченного периметра твэлов данного ряда. Другую половину смоченного периметра твэлов омывает обратно направленный поток теплоносителя в соседнем ряду (рис. 9). Рис. 9. Схема течения теплоносителя между соседними рядами твэлов 6. После двух перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» происходит более равномерное распределение концентрации трассера в поперечном сечении экспериментальной модели, по сравнению с одной ПР типа «порядная прогонка» или ПР типа «закрутка вокруг твэла» (рис. 10). а) – «закрутка вокруг твэла» б) – «порядная прогонка» в) – система двух перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» а) б) в) Рис. 10. Распределение концентраций трассера в выходных сечениях 19-стержневой экспериментальной модели с различными поясами ПР 7. Глубина распространения газа трассера из межкассетного зазора охватывает область трех периферийных рядов твэлов соседних ТВСА с двумя перемешивающими решетками типа «порядная прогонка» (рис. 11). Этот факт показывает «лучшее» перемешивание потока теплоносителя при постановке в ТВСА системы двух ПР типа «порядная прогонка» по сравнению с постановкой ПР типа «закрутка вокруг твэла» Рис. 11. Распределение концентраций трассера в выходном сечении 57-стержневой при постановке системы двух перемешивающих решеток типа «порядная прогонка» при подаче трассера в межкассетный зазор РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРАССЕРА В МОДЕЛИ ФРАГМЕНТА ТВСА ПРИ ПОСТАНОВКЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ДИСТАНЦИОНИРУЮЩИХ РЕШЕТОК Экспериментальные исследования распределения концентрации трассера на 57-стержневой модели фрагмента активной зоны реактора ВВЭР с ТВСА при постановке поясов комбинированных дистанционирующих решеток (КДР) с длиной дефлекторов 4,5 мм и с углом отгиба 38 проводились при числе Re = 77380. Анализ результатов экспериментального исследования локального массопереноса трассера в характерных зонах ТВСА при постановке поясов комбинированных дистанционирующих решеток показал: 1. Эффективное перемешивание трассера в поперечном сечении заканчивается на расстоянии l/d ≈ 20 после КДР типа «закрутка вокруг твэла» с дефлектором 4,5 мм и углом отгиба 38 (рис. 12) 2. За дефлекторами комбинированной дистанционирующей решетки типа «закрутка вокруг твэла» происходит винтообразное постепенно затухающее движение трассера, обусловленное закруткой потока посредством турбулизирующих лопаточных дефлекторов. 500 Çî Çî Çî Çî Çî Çî 450 400 Êî í öåí òðàöèÿ, ppm 350 í í í í í í à à à à à à ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ 21 17 22 27 30 26 300 250 200 150 100 50 0 1 0 2 3 4 6 5 7 8 9 11 10 12 13 14 16 17 18 15 19 21 20 22 23 24 26 25 27 28 29 31 32 33 34 30 35 l/d Рис. 12. Распределение концентрации трассера по длине 57-стержневой модели при постановке комбинированных дистанционирующих решеток (подача трассера осуществляется в зону №21) 3. Определено существование направленного движения потока теплоносителя в межкассетном зазоре, обусловленное наличием уголков жесткости. 4. Глубина распространения возмущений потока теплоносителя в соседние тепловыделяющие сборки ограничивается двумя периферийными рядами твэлов соседних ТВСА. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРАССЕРА В МОДЕЛИ ФРАГМЕНТА ТВСА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОГО ОБМЕНА Расчет локальных характеристик массообмена и эффективности перемешивания в экспериментальной модели на стенде пропанового трассера осуществлен по коду КАНАЛ, адаптированному к расчетам гидродинамических характеристик воздушных потоков. Анализ экспериментальных данных показывает, что среднее отклонение экспериментальной максимальной относительной концентрации от расчетной максимальной относительной концентрации, усредненных на длине измерения, для исследованного диапазона чисел Рейнольдса не превышает 6% при этом среднеквадратичное отклонение данных не превышает 3%. Таким образом, экспериментально обосновано значение коэффициента КТО, определяющего в коде КАНАЛ интенсивность массообмена в направлении, перпендикулярном направлению основного движения, для стандартных ячеек пучка твэлов ТВСА без влияния перемешивающих решеток. В таблице приведены значения эффективных коэффициентов турбулентного обмена и безразмерного коэффициента обмена TDC ТВСА-АЛЬФА с ПР типов «закрутка вокруг твэла» и «порядная прогонка», полученные по результатам расчетных и экспериментальных исследований, пересчитанных на натурные условия. Значения эффективных коэффициентов турбулентного обмена и безразмерного коэффициента обмена TDC для ТВСА с ПР типа «закрутка вокруг твэла» и «порядная прогонка» Модель Рассматриваемый пропанового случай трассера без ПР Тип решетки, длина / угол отгиба дефлектора, мм / град –/– Модель пропанового трассера при постановке ПР ТВСА-АЛЬФА закрутка закрутка закрутка закрутка порядная вокруг вокруг вокруг вокруг прогонка, твэла, твэла, твэла, твэла, 4,5 / 35 4,5 / 45 4,5 / 35 3,5 / 45 3,5 / 35 Число Рейнольдса, Re 82900 77800 77800 89360 77800 77800 Коэффициент увеличения КТО за счет ПР ТВСААЛЬФА, Кэфф 1,0 8,7 8,2 6,0 3,9 3,6 TDC 0,013 0,113 0,107 0,070 0,051 0,047 ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе комплексного анализа экспериментальных данных по исследованию массообмена и гидродинамики потока теплоносителя в ТВСА реакторов ВВЭР с различными типами перемешивающими решетками, сделаны следующие основные выводы: за дефлекторами перемешивающей решетки типа «закрутка вокруг твэла» происходит винтообразное движение трассера, обусловленное закруткой потока посредством турбулизирующих дефлекторов; определены расстояния, на которых происходит эффективное перемешивание трассера в поперечном сечении для перемешивающих решеток различного конструктивного исполнения; затухание возмущений массообменных процессов за дефлекторами перемешивающей решетки происходит на большем расстоянии по сравнению с затуханием поперечных скоростей потока; за перемешивающей решеткой типа «порядная прогонка» направленный поток теплоносителя, в основном, омывает только половину смоченного периметра твэлов данного ряда, другую половину смоченного периметра твэлов омывает обратно направленный поток теплоносителя в соседнем ряду; определена глубина распространения возмущений потока теплоносителя в соседние тепловыделяющие сборки; определены значения эффективных коэффициентов турбулентного обмена и безразмерного коэффициента обмена TDC для ТВСА с перемешивающими решетками различного конструктивного исполнения. полученные результаты являются базой данных для уточнения гидродинамических характеристик и процессов локального массообмена в ТВСА в целях снижения консерватизма при расчетах теплотехнической надежности активных зон реакторов ВВЭР с ТВСА Список литературы 1. Молчанов В.Л., Панюшкин А.К., Железняк В.М., Самойлов О.Б., Кууль В.С., Курылев В.И. Итоги создания и дальнейшего совершенствования ТВС альтернативной конструкции для реактора ВВЭР-1000. Сборник докладов международной конференции "Атомные электростанции на пороге 21 века", 8-10.06.2000, Электросталь, с.412-428. 2. Бородин С.С., Дмитриев С.М., Легчанов М.А., Хробостов А.Е., Самойлов О.Б., Сорокин Н.М. Особенности гидродинамики теплоносителя в альтернативных ТВС реакторов ВВЭР-1000 при использовании перемешивающих решеток. Ядерная энергетика, №4, 2006. 3. Дмитриев С.М., Легчанов М.А., Хробостов А.Е., Самойлов О.Б., Сорокин Н.М. Экспериментальное исследование локальной гидродинамики альтернативной ТВС для обоснования теплотехнической надежности активных зон реакторов ВВЭР-1000 / Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т. 4. - М.: Издательство МЭИ, 2006, стр. 83-87.
