Интенсификаторы теплообмена

переходных режимах. Другими словами, должны быть выполнены: вентиляционный и гидравлический расчет электрической машины и тепловой расчет, который призван либо обосновать целесообразность выбранной системы охлаждения, либо определить дополнительные требования к интенсификации теплообмена.

Долгое время не только в электромашиностроении, но и в турбостроении и других смежных областях расчет вращающихся каналов выполнялся как расчет каналов неподвижных, т. е. без учета эффектов вращения и их влияния на гидродинамическое сопротивление систем. Постепенно, однако, накопление экспериментальных и теоретических сведений о влиянии вращения на движение среды в каналах, с одной стороны, и требования интенсификации теплообмена в трактах охлаждения, с другой стороны, привели к необходимости учитывать в проектных разработках влияние эффектов вращения на характер и количественные характеристики течения в каналах.

Рассмотрены вопросы центробежной интенсификации теплообмена применительно к каналам ядерных реакторов, описаны эксперименты по интенсификации конвективного -теплообмена, теплообмена при поверхностном кипении с недогревом; при объемном кипении. Предложены пути оптимизации конструкций интенсификаторов, создающих вращение потока.

Развитие ядерной энергетики выдвинуло в ряд наиболее важных технических проблем обеспечение надежного тепло-съема в каналах активных зон ядерных реакторов. Это объясняется требованиями безопасной эксплуатации и повышения экономичности АЭС. В [1] указывается, что в настоящее время одним из перспективных направлений дальнейшего совер-шествования активных зон мощных реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000 является использование средств повышения критической мощности. В особенности это важно для, кипящих реакторов. Поискам путей решения этой задачи посвящено большое количество работ как в нашей стране, так и за рубе-жом. Опубликованы аналитические обзоры таких работ, например [2], имеется обширная патентная литература. Принятым вариантом решения задачи о повышении мощности реактора РБМК в 1,5 раза является применение интенсификации теплообмена в ТВС.

В исследовательских работах и патентной литературе описано большое количество разных способов интенсификации теплообмена. Одним из наиболее перспективных является закрутка потока теплоносителя. Этому методу и посвящена предлагаемая книга. В ней одновременно с изложением результатов экспериментальных работ по интенсификации теплообмена применением закрученных потоков значительное внимание уделено вопросам динамики вращающихся потоков. Эти вопросы рассмотрены применительно к длинным

шаюшихся цилиндрических потоков и их свойства. Теоретические положения гидравлики вращающихся цилиндрических потоков иллюстрированы примерами из литературы. В ч. 2 книги описаны результаты новых и малоизвестных экспериментальных исследований по интенсификации теплообмена в трубах и стержневых сборках с помощью закрученных потоков теплоносителя. Авторами ч. 2 являются: В. А. Решетов (гл. 6); А. Н. Рябов (гл. 7); В. К. Поляков и А. И. Емельянов (гл. 8).

Книга и описанные в ней работы обязаны своим существованием постоянному вниманию академика Н. А. Доллежаля и члена-корреспондента АН СССР И. Я. Емельянова, которое они уделили всем работам по интенсификации теплообмена.

§ Понятие интенсификации теплообмена при кипении тесно связано с понятием кризиса теплообмена и режима движения двухфазного потока теплоносителя. Известно, что по мере повышения паросодержания в испарительном канале реактора с любой формой поперечного сечения возникают различные, сменяющие друг друга, режимы течения, среди которых можно выделить три основных: пузырьковый, снарядный и дисперсно-кольцевой. В зависимости от режимов течения двухфазного потока теплоносителя различен и механизм кризиса теплообмена при кипении.

Различие в форме поперечного сечения канала несколько изменяет условия формирования режимов течения теплоносителя и кризиса теплообмена при кипении. Но принципиальные стороны этих процессов одинаковы при любой форме поперечного сечения канала и наиболее ясны для круглых труб. Поэтому целесообразно рассмотреть вопросы кризиса и интенсификации теплообмена при кипении в трубах, а затем специфические особенности, возникающие в этих вопросах применительно к сложной геометрии поперечного сечения ТВС.

Таким образом, как при высоких, так и при низких паросодержаниях кризис теплообмена при кипении вызывается нарушением непосредственного контакта между жидкостью и охлаждаемой поверхностью. Из этого следует, что задача интенсификации теплообмена при кипении заключается в организации такого движения кипящей жидкости, которое либо исключает возможность нарушения непосредственного контакта между жидкостью и теплоотдающей поверхностью, либо сдвигает это нарушение в область больших плотностей тепловых потоков и паросо-держаний.

В литературе имеется ряд указаний на целесообразность применения закрученных потоков для интенсификации теплообмена при кипении [4]. Однако требования к закрученному потоку различны в зависимости от механизма кризиса теплообмена.

В целях снижения гидравлического сопротивления, уменьшения количества конструкционного материала и упрощения технологии изготовления в [107] были созданы и исследованы дискретно располагаемые по высоте стержневой сборки локальные интенсификаторы теплообмена, состоящие из отрезков скрученных лент и выполняющие одновременно роль дистан-ционирующих элементов. Конструкция локального интенсификатора-за-вихрителя определяется в зависимости от количества стержней и способа их расположения в сборке. В любом случае интенсификатор состоит из отрезков скрученных лент, устанавливаемых в межстержневом пространстве и объединенных для жесткости общей обечайкой. На 8.3 изображены интенсификаторы-завихрители для стержневых сборок.

8.3. Интенсификаторы теплообмена для 3- (а), 7-сборок [в, б, в - тип I, г - тип II (модернизированный) ]

Полномасштабная модель стержневой сборки реактора РБМК представляла собой сборку, содержащую 18 электрообогреваемых стержней диаметром 13,5 мм и длиной 7 м и центральный необогреваемый стержень диаметром 15 мм. Интенсификаторы теплообмена (20 шт.) ( 8.3,в) располагались в верхней части зоны обогрева сборки с шагом 206 мм. Ниже располагались штатные дистанционирующие решетки ТВС реактора РБМК с шагом 350 мм.

Этот результат представлен на 8.5, из которого видно, что при указанных режимных параметрах критическая мощность семистержне-вой сборки возросла примерно на 20%. Основные результата исследования [108], полученные на семи- и трехстержневых сборках, представлены на 8.6 и 8-;7 соответственно в виде зависимости критической мощности сборки от температуры воды на входе при давлениях 7,4 и 9,8 МПа для массовых скоростей потока от 600 до 2000 кг/(м2-с). Как видно из рисунков, интенсификаторы теплообмена существенно увеличивают критическую мощность стержневой сборки. Анализ и результаты сравнения показывают, что прирост предельной мощности у сборок с интенсификаторами увеличивается с ростом массовой скорости потока и с уменьшением недогрева воды на входе в сборку. Это положение достаточно хорошо иллюстрируется 8.8, из которого видно влияние массовой скорости потока и температуры воды на входе на прирост предельной мощности в трехстержневой модели ТВС с интенсификаторами, выраженный в процентах по отношению к критической мощности аналогичной сборки без интенсификаторов. При температуре воды на входе 250°С и массовой скорости потока 2000 кг/(м2-с) прирост критической мощности составляет более 50%.

Следует отметить, что применение интенсификаторов теплообмена, рассмотренных в данном параграфе, наряду с увеличением критической мощности стержневых сборок примерно на 40—45% повышает гидравлическое сопротивление их по сравнению с сопротивлением сборок без интенсификаторов. Это увеличение гидравлического сопротивления связано с возрастанием местных гидравлических сопротивлений и дополнительными потерями на вращение потока в межстержневом пространстве. Однако устанавливать локальные интенсификаторы, как показали эксперименты, достаточно лишь в зоне возможного возникновения кризиса теплообмена. Если учесть, что с увеличением критической мощности интенсификаторы теплообмена позволяют еще и снизить кратность циркуляции, то общее гидравлическое сопротивление циркуляционного контура реактора может остаться на приемлемом уровне.

Короткая модель ТВС реактора РБМК состояла из 18 обогреваемых трубок наружным диаметром 13,5 мм и толщиной 0,2 мм, расположенных с шагом 16 мм вокруг центрального необогреваемого стержня диаметром 15 мм. На обогреваемой длине сборки, которая была равна 1100 мм, устанавливались с определенным шагом локальные интенсификаторы теплообмена, выполненные в виде дистанционирующих решеток.

Рассмотрим результаты опытов, полученные для некоторых типов интенсификаторов теплообмена. Интенсификаторы теплообмена в виде отрезков скрученных лент, описание и результаты исследования которых приведены в § 8.3, были также изучены и на короткой сборке с шагом расположения по высоте сборки 206 мм. Сравнение полученных результатов на этой сборке и на полномасштабной модели показывает, что состояние теплоносителя на входе в канал в этом случае не оказывает существенного влияния на критические тепловые потоки ( 8.12). Это подтверждает высказанное ранее предположение о том, что эффективные интенсификаторы теплообмена сглаживают влияние на кризис теплообмена пароводяной смеси на входе в канал.

Топливная загрузка реактора по условиям обеспечения необходимых поверхностей теплообмена для надежного теплоотвода выделяемой тепловой энергии размещается в большом количестве твэлов. Например, в реакторах ВВЭР-440 топливная загрузка размещена в 44000 твэлов, а ВВЭР-1000 —в 48000 твэлов, в РБМК 1000 — в 61000 твэлов. Все твэлы объединены в тепловыделяющие сборки (ТВС). В одну ТВС могут входить от нескольких штук до нескольких сотен твэлов ( 4.2). В сборках твэлы строго дистанционируются, при этом обеспечиваются высокая точность их взаиморасположения в заданной топливной решетке и компенсация температурных расширений. ТВС могут включать в себя конструкционные элементы поглотителей или замедлителей нейтронов, интенсификаторы теплообмена, датчики температуры и напряжений и другие контрольно-измерительные устройства. Сборки содержат входные и выходные коллекторы и тракты распределения потока теплоносителя, установочные дета-

Топливная загрузка реактора по условиям обеспечения необходимых поверхностей теплообмена для надежного теплоотвода выделяемой тепловой энергии размещается в большом количестве твэлов. Например, в реакторах ВВЭР-440 топливная загрузка размещена в 44000 твэлов, а ВВЭР-1000 —в 48000 твэлов, в РБМК-1000 — в 61000 твэлов. Все твэлы объединены в тепловыделяющие сборки (ТВС). В одну ТВС могут входить от нескольких штук до нескольких сотен твэлов ( 4.2). В сборках твэлы строго дистанционируются, при этом обеспечиваются высокая точность их взаиморасположения в заданной топливной решетке и компенсация температурных расширений. ТВС могут включать в себя конструкционные элементы поглотителей или замедлителей нейтронов, интенсификаторы теплообмена, датчики температуры и напряжений и другие контрольно-измерительные устройства. Сборки содержат входные и выходные коллекторы и тракты распределения потока теплоносителя, установочные дета-

На базе опыта эксплуатации реактора РБМК-1000 создан реактор РБМК-1500 при тех же размерах активной зоны и параметрах теплоносителя. Форсирование мощности до 1500 МВт достигнуто в основном за счет разработки тепловыделяющей сборки (ТВС) новой конструкции, в которой предусмотрены интенсификаторы теплообмена. Вследствие интенсивного орошения поверхностей нагрева твэлов среднее массовое паросодержание на выходе было увеличено до 21 % при достаточном запасе до кризиса теплообмена.

На базе опыта эксплуатации реактора РБМК-1000 создан реактор РБМК-1500 при тех же размерах активной зоны и параметрах теплоносителя. Форсирование мощности до 1500 МВт достигнуто в основном за счет разработки тепловыделяющей сборки (ТВС) новой конструкции, в которой предусмотрены интенсификаторы теплообмена. Вследствие интенсивного орошения поверхностей нагрева твэлов среднее массовое паросодержание на выходе было увеличено до 21 % при достаточном запасе до кризиса теплообмена.