автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование методов и устройств очистки свободной поверхности теплоносителя первого контура от примесей и массоперенос капель свинца в системе газа реакторных установок типа БРЕСТ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА

СВИНЦОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ГАЗОВОЙ СИСТЕМЕ

БЛОЧНЫХ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК. ОЧИСТКА

СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ

ЖИДКОМЕТАЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ОТ

НЕВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ВОДОРОДОМ ПРИМЕСЕЙ (ОБЗОР).

1.1 Состояние примесей на свободной поверхности свинцового теплоносителя.

1.2 Массоперенос примесей над свободным уровнем свинцового теплоносителя.

1.3 Массоперенос примесей под свободным уровнем свинцового теплоносителя.

1.4 Обзор экспериментальных исследований удаления частиц примесей со свободной поверхности потоком газа.^

1.4.1 Удаление примесей на установке с "малой" емкостью.

1.4.1.1 Описание экспериментальной установки.^

1.4.1.2 Обсуждение результатов.^

1.4.2 Удаление частиц примесей на установке с замкнутым контуром циркуляции газа.

1.4.2.1 Описание экспериментальной установки./

1.4.2.2 Обсуждение результатов.

1.5 Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ РАЗЛИЧНЫХ ЗОН СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СВИНЦОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ БРЕСТ-ОД-ЗОО.

2.1 Очистка свободной поверхности теплоносителя от примесей потоком защитного газа.

2.1.1 "Срыв" частицы за счет энергии потока газа.

2.1.2 Вынос примесей в газовый объем за счет энергии колебательного движения свободной поверхности.

2.1.3 Транспортировка примесей в газовой системе.

2.1.4 Удаление частиц примесей из потока газа.

2.2 Механическая очистка свободных поверхностей.

2.3 Очистка свободных поверхностей магнитами.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ОЧИСТКИ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СВИНЦОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ОТ

ПРИМЕСЕЙ - ПРОДУКТОВ КОРРОЗИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОТОКОМ ГАЗА.

3.1 Описание экспериментального стенда ФТ-30Г.

3.2 Исследование процессов сдува примесей (оксидов железа и других компонент стали фиксируемого размера), наносимых на свободную поверхность при варьируемом угле подачи газа.

3.2.1 Методика проведения исследований.

3.2.2 Обсуждение результатов экспериментов.

3.3 Исследование процессов сдува примесей (оксидов железа и других компонент стали фиксируемого размера), наносимых на свободную поверхность свинца при изменяемой скорости газа.

3.3.1 Методика проведения исследований.

3.3.2 Обсуждение результатов экспериментов.

3.4 Исследование процессов сдува примесей (оксидов железа, фиксированного размера), наносимых на свободную поверхность свинца при изменении времени очистки.

3.4.1 Методика проведения исследований.

3.4.2 Обсуждение результатов экспериментов.

3.5 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И МАГНИТНОГО МЕТОДОВ

ОЧИСТКИ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СВИНЦА ОТ ПРИМЕСЕЙ - ПРОДУКТОВ КОРРОЗИИ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1 Экспериментальные исследования очистки шнековыми устройствами.

4.1.1 Очистка свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей-продуктов коррозии конструкционных материалов шнековым устройством вертикального исполнения.

4.1.1.1 Описание экспериментальной установки.

4.1.1.2 Методика проведения исследований.

4.1.1.3 Обсуждение результатов экспериментов.

4.1.2 Очистка свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей-продуктов коррозии конструкционных материалов шнековым устройством горизонтального исполнения.

4.1.2.1 Описание экспериментальной установки.

4.1.2.2 Методика проведения исследований.

4.1.2.3 Обсуждение результатов экспериментов.

4.1.3 Выводы по разделу 4.1.

4.2 Очистка черпаками с перфорированными днищами, расположенными на элеваторе.

4.3 Экспериментальные исследования очистки поверхности свинца магнитами.

4.3.1 Описание экспериментальной установки.

4.3.2 Методика проведения исследований.

4.3.3 Обсуждение результатов.

4.4 Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОЧИСТКИ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СВИНЦОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ОТ ПРИМЕСЕЙ

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И УСТРОЙСТВОМ.

5.1 Сущность метода.

5.2 Экспериментальные исследования влияния основных геометрических и режимных параметров активного элемента на геометрию воронки, проведенные на воде и трансформаторном масле, анализ результатов и рекомендации для исследований на свинце.

5.2.1 Описание экспериментальной установки.

5.2.2 Методика проведения исследований.

5.2.3 Обсуждение результатов.

5.3 Экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей гидромеханическим устройством очистки с цилиндрическим активным элементом на свинце.

5.3.1 Описание экспериментальной установки.

5.3.2 Методика проведения исследований.

5.3.3 Обсуждение результатов экспериментов.

5.4 Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МАССОПЕРЕНОСА

ЧАСТИЦ СВИНЦА ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАЗРЫВЕ

ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЕЙ НА СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕАКТОРНОМУ

КОНТУРУ УСТАНОВКИ БРЕСТ-ОД-ЗОО.

6.1 Анализ и расчетные характеристики процесса.

6.2 Экспериментальные исследования массопереноса частиц свинца со свободной поверхности в газовый объем.

6.2.1 Описание экспериментальной установки.

6.2.2 Методика проведения исследований.

6.2.3 Обсуждение результатов экспериментов.

6.3 Выводы по главе 6.

В процессе эксплуатации контура свинцового теплоносителя ядерной энергетической установки, как и в любом аналогичном контуре, будет происходить процесс коррозии конструкционных материалов. В зависимости от качества сформированных защитных покрытий на поверхностях конструкционных материалов, от примесного состава теплоносителя и режимов эксплуатации контура, в свинцовый теплоноситель реакторного контура установки БРЕСТ-ОД-ЗОО ежегодно могут поступать от десятков до сотен килограммов примесей - компонент конструкционных материалов и их соединений. Эти примеси в различных физико-химических состояниях могут:

- образовывать отложения на поверхностях конструкционных материалов, контактирующих с теплоносителем;

- локализоваться в районах гидродинамической или гравитационной сепарации;

- локализоваться в участках контура за счет процессов термодиффузии;

- растворяться в объеме теплоносителя с последующей кристаллизацией вблизи "холодных" поверхностей с последующей перекристаллизацией;

- существовать в потоке в виде дисперсных частиц, локализоваться на свободных поверхностях теплоносителя в контуре.

Часть примесей со свободной поверхности за счет диффузионных, конвекционных и других массообменных процессов, находящихся в мелкодисперсной фазе (десятки микрон и менее) может поступать в газовый объем контура, витать в нем. В последующем эти частицы могут:

- агломерироваться и образовывать в поле гравитации отложения в газовых трубах и на поверхностях оборудования газовой системы;

- улавливаться консистентной смазкой подшипников механизмов, работающих в газовой системе (при их наличии); 9

- улавливаться маслом или водой соответствующей системы уплотнений вала насосов (при наличии таковых);

- забивать щели и тупиковые зоны вследствие процессов молекулярной и конвективной диффузии, термодиффузии, образовывать отложения вследствие гидродинамической или ударной сепарации.

В результате указанных, а также ряда других процессов массопереноса "пылевидных" примесей в системе защитного газа контура со свинцовым теплоносителем возможны проявления следующих негативных эффектов:

- увеличение гидравлического сопротивления, вплоть до полного прекращения расхода газа через каналы системы;

- ухудшение теплообмена в теплообменном оборудовании системы газа (в конденсаторе паров);

- ухудшение радиационной обстановки вблизи трубопроводов и оборудования системы газа вследствие появления в последних отложений примесей - источников ионизирующего излучения, прежде всего, гамма-излучения из-за активации примесей в теплоносителе при прохождении им активной зоны реактора, при разгерметизации оболочек твэлов;

- снижение ремонтопригодности сборок системы газа вследствие появления радиоактивных отложений, забивания зазоров примесями препятствующими разборке и извлечению выемных частей;

- усложнение проведения ремонтных работ с элементами газовой системы;

- при наличии подшипниковых узлов в механизмах системы газа возможно ухудшение их работоспособности вследствие изменения свойств смазки при контакте ее с "пылевидными" примесями;

- ухудшение работоспособности первичных датчиков, установленных в системе газа (датчиков давления, гамма-датчика контроля разгерметизации оболочек тепловыделяющих элементов).

10

Возможное негативное воздействие "пылевидных" примесей на характеристики газовой системы требует проработки вопроса необходимости исследования методов очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов [1].

В НГТУ совместно с НИКИЭТ и ГНЦ РФ ФЭИ был проведен комплекс работ по исследованию проблемы очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов.

Были предложены следующие методы и устройства очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов:

- очистка свободной поверхности от примесей потоком газа;

- очистка свободной поверхности от примесей шнековым устройством вертикального исполнения;

- очистка свободной поверхности от примесей шнековым устройством горизонтального исполнения;

- очистка свободной поверхности от примесей постоянным магнитом;

- очистка свободной поверхности от примесей черпаками с перфорированными днищами, расположенными на элеваторе;

- очистка свободной поверхности от примесей гидромеханическим устройством очистки с цилиндрическим активным элементом.

Особенностью реакторного блока БРЕСТ-ОД-ЗОО является наличие в корпусе реактора нескольких свободных уровней жидкометаллического теплоносителя, различно изменяющихся по высоте в зависимости от мощности реактора, различных по температуре, по затесненности элементами конструкций. В процессе эксплуатации на свободных уровнях теплоносителя концентрируется дисперсная фаза примесей - оксидов свинца (шлаков) и соединений, компонентов конструкционных материалов контура. С течением

11 времени эти примеси могут смачиваться и пропитываться свинцом: в их состав могут входить полоний-210, образующийся из висмута (естественной примеси в свинце и генерируемой в нейтронном потоке из изотопов свинца), примеси, поступающие через возможные неплотности оболочек твэл и другие. Шлаки, в зависимости от их толщины, могут покрывать все свободные поверхности свинца в блоке полностью, или, в зависимости от условий эксплуатации, частично-застойные периферийные зоны, а часть шлаков находящаяся в мелкодисперсной фазе может выходить в газовый объем контура. Наиболее эффективным методом очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей - оксидов свинца, является метод водородного восстановления.

Следует отметить, что, наряду с поступлением в газовый объем реакторного контура "пылевидных" примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов и оксидов свинца, возможно поступление в газовый объем свинца в виде капель и брызг, образующихся при разрыве на свободной поверхности свинцового теплоносителя газовых, парогазовых и паровых пузырей или каверн значительного размера при барботаже с введением парогазовой смеси под уровень свинца, при соответствующих технологических обработках контура, в режиме дегазации контура, а также при аварийном режиме "межконтурная неплотность парогенератора". Капли свинца могут транспортироваться газовым потоком в каналы системы защитного газа при определенных скоростях газового потока [1].

Возможно так же поступление в газовый объем реакторного контура примесей, в виде окислившихся паров свинца испаряющегося со свободной поверхности свинцового теплоносителя. Результаты исследований проведенных на кафедре "АТС и МИ" НГТУ и описанных в литературных данных [2],[3] показали, что данный источник примесей не является определяющим.

12

Исследованию указанных выше методов и устройств очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов, а так же процесса уноса потоком защитного газа частиц и капель свинца образующихся при барботаже при разрыве газовых пузырей на свободной поверхности теплоносителя в контуре охлаждения ядерного реактора деления БРЕСТ-ОД-ЗОО посвящена настоящая работа.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование и научно-технический анализ методов и устройств очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов, исследование процессов массопереноса капель свинца в газовой системе реакторных установок со свинцовым теплоносителем и разработка рекомендаций по результатам этих исследований применительно к реакторной установке БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Для реализации указанной цели потребовалось поставить и решить следующие основные задачи

- Научно- технический анализ возможных методов и устройств очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей.

Экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов потоком газа.

Экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов шнековыми устройствами вертикального и горизонтального исполнений.

Экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов постоянным магнитом.

13

- Научно - технический анализ метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов черпаками с перфорированными днищами, расположенными на элеваторе.

- Научно-техническое обоснование и экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов гидромеханическим устройством очистки с цилиндрическим активным элементом.

- Экспериментальные и расчетные исследования процесса уноса газовым потоком частиц свинца, образующихся при барботаже, в момент разрыва пузырей на свободной поверхности свинцового теплоносителя.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Результаты экспериментальных исследований метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов потоком газа.

Результаты экспериментальных исследований метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов шнековыми устройствами вертикального и горизонтального исполнения, а так же черпаками с перфорированными днищами, расположенными на элеваторе.

Результаты экспериментальных исследований метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов постоянным магнитом.

- Научно-техническое обоснование и результаты экспериментальных исследований метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов гидромеханическим устройством очистки с цилиндрическим активным элементом.

14

- Результаты экспериментальных и расчетных исследований процесса уноса газовым потоком частиц свинца, образующихся при барботаже, в момент разрыва пузырей на свободной поверхности свинцового теплоносителя.

Научная новизна работы заключается в полученных результатах теоретических и экспериментальных исследований методов и устройств очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов, а так же процессов массопереноса капель свинца в газовом объеме применительно к реакторным контурам установок типа БРЕСТ.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе результатов полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований указанных выше методов и устройств очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов, а так же процесса массопереноса капель свинца применительно к реакторному контуру установки БРЕСТ - ОД - 300, были разработаны рекомендации для учета в соответствующих проектной и эксплуатационной документации.

Апробация работы

Работа прошла апробацию на совещаниях специалистов, на конференции молодых специалистов в НИАЭП, на отраслевых научно-технических семинарах в г. Обнинске (1999 - 2001 г.).

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре "АТС и МИ" НГТУ автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н. Безносовым A.B., к.т.н. Кирьяновым В.А., инженером Серовым В.Е., к.т.н. Захватовым В.Н., аспирантом Боковой ТД аспирантом Пинаевым С.С. (НГТУ), в соавторстве со специалистами ГНЦ РФ ФЭИ - д.т.н Орловым Ю.И., д.т.н. Мартыновым П.Н., в соавторстве со специалистами НИКИЭТ Леоновым В.Н., Цикуновым B.C.

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе,

15 проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры "АТС и МИ" НГТУ непосредственно автором. Научный руководитель - д.т.н., профессор Безносов A.B., научный консультант по исследованиям массопереноса жидкометаллических теплоносителей в газовых объемах - к.т.н., доцент Кирьянов В.А.

Основные публикации по теме диссертации:

1 Безносов A.B., Кирьянов В.А., Фисейский Н.Е, Бокова Т.А., Серов В.Е., Пинаев С.С. Орлов Ю.И., Мартынов П.Н., Гулевский В.А., Паповянц А.К. Исследование процессов массопереноса примесей-продуктов коррозии конструкционных материалов в реакторном контуре БРЕСТ-ОД-ЗОО. Регламент применения устройств очистки (Часть 1;2). Отчет по НИР / Нижегородский государственный технический университет, -УДК 621.03.6; № ГР 0194002164; Инв.№ 02.20.00.04459; -Н. Новгород, 1999г

2 Безносов A.B., КирьяновВ.А., Фисейский Н.Е., Бокова Т.А.,

Пинаев С.С., Захватов В.Н. К вопросу о массопереносе паров свинцового теплоносителя в реакторе БРЕСТ-ОД-ЗОО. "Атомная энергия".т.90 вып.1 2001г

3 Безносов A.B., Фисейский Н.Е., Бокова Т.А., Пинаев С.С., Серов В.Е. Исследование процессов очистки газа и свободных поверхностей свинца от примесей-компонент конструкционных материалов. Отчет по НИР № г. р. 0194002164УДК 621.03.6 Инв. № 02.20.00.04459. -Н. Новгород, 1999.

4 Безносов A.B., Кирьянов В.А., Фисейский Н.Е., Бокова Т.А., Пинаев С.С., Захватов В.Н., Серов В.Е., Орлов Ю.И., Леонов В.Н. Исследование процессов массопереноса свинца в газовом контуре применительно к реакторному контуру БРЕСТ-ОД-ЗОО Отчет по НИР №ГР 0194002164 УДК58.33.23 Инв. № 02200205517;-Новгород, 2002.

5 Безносов A.B., Фисейский Н.Е., Кирьянов В.А., Бокова Т.А., Пинаев С.С., ЗахватовВ.Н., Серов В.Е. Исследование механико-гидродинамических

16 методов очистки свободной поверхности свинца от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов применительно к условиям реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО. Отчет по НИР №ГР 0194002164 УДК 58.33.23 Инв. № 02200205518; - Н. Новгород, 2002.

17

5.4 Выводы no главе 5

Метод очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя гидромеханическим устройством очистки с цилиндрическим активным элементом в процессе испытаний показал достаточно высокую эффективность и устройство его реализации может быть предложено к внедрению как устройство очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя реакторной установки БРЕСТ - ОД - 300 [ 10].

Для очистки свинцового теплоносителя реакторной установки БРЕСТ -ОД - 300 разработчиками НИКИЭТ и ГНЦ РФ ФЭИ предусмотрено использование сплавных фильтров, следовательно данное устройство может быть использовано для очистки локальных участков свободной поверхности свинцового теплоносителя с установкой его на место выемных устройств (выемных частей насосов) в период проведении ремонтных работ.

Анализ показывает, что продолжительность работы рассматриваемого устройства по прямому назначению за весь срок службы реакторной установки БРЕСТ - ОД - 300 составит часы или десятки часов. Учитывая это, а также относительно небольшие значения максимальных скоростей в районе узлов контакта жидкого и твердого металлов, устройство может быть создано в упрощенном виде, без решения проблем создания подшипниковых узлов, работающих в свинце, проблем специальной защиты от эрозии вращающихся поверхностей и др.

112 г.

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МАССОПЕРЕНОСА ЧАСТИЦ СВИНЦА ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАЗРЫВЕ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЕЙ НА СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕАКТОРНОМУ КОНТУРУ УСТАНОВКИ

БРЕСТ-ОД-ЗОО

При проведении исследований на различных стендах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителем на поверхностях омываемых газом (в трубах и др.), примыкающих к емкостям со свободной поверхностью жидкого металла, через слой которого барботировался газ или водяной пар, неоднократно фиксировались образования свинца различной формы с размерами от тонких пленок до нескольких сантиметров. Аналогичный результат был зафиксирован при проведении испытаний по исследованию процесса очистки свободной поверхности свинца от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов потоком газа, (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 Фотография скопления свинца обнаруженного в трубопроводе соединяющем емкость со свинцом с конденсатором паров свинца экспериментального стенда ФТ-ЗОГ

Наиболее вероятным механизмом образования таких отложений является унос (транспортировка) газовым потоком капель жидкого металла, образующихся при разрыве газовых (парогазовых, паровых) пузырей на его свободной поверхности. Кинетическую энергию, необходимую для прохождения пограничного слоя газа и выноса их в турбулентное ядро потока,

113 эти частицы жидкого металла получают за счет работы сил поверхностного натяжения в момент разрыва пузыря.

Перенос масс жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) из объема теплоносителя в газовую систему имеет для реакторных установок и других систем с ЖМТ существенное значение. В настоящей главе отражены результаты работ, направленных на исследование такого переноса при барботаже, применительно к условиям установки БРЕСТ-ОД-ЗОО. При проведении экспериментов использовалась видеосъемка [3].

6.1 Анализ и расчетные характеристики процесса

В данном разделе представлены результаты расчетных оценок зависимости геометрической формы и массы частиц свинца, образовавшихся в следствие разрыва газовых пузырей на свободной поверхности свинцового теплоносителя в процессе барботажа газа от скорости транспортирующего их газового потока ( аргоно-водородной смеси ),

При разрыве всплывающей на свободную поверхность свинца одиночного или серии газовых пузырей часть пленки свинца, находящейся над верхним объемом пузыря, преодолевая силы поверхностного натяжения может за счет динамических эффектов, (в том числе взаимодействия объемов свинца над одновременно разрывающейся серией пузырей), отрываться от объема свинца и поступать в газовый объем над свободной поверхностью. Далее, при определенных условиях, оторвавшийся объем свинца может либо возвращаться на свободную поверхность; либо захватываться потоком газа и транспортироваться в газовый объем контура. Очевидно, возможность уноса определяется массой и геометрией капли, а также значением скорости потока газа (локальным) в районе капли.

Рассмотрим отдельно взятую частицу (рисунок 6.2) свинца в виде цилиндра диаметром с1, высотой Ь и массой т. В данном случае на нее действует сила тяжести Рт и подъемная сила газового потока Рподъшн.

14

Рисунок 6.2 Расчетная схема частицы свинца транспортируемой газовым потоком

Приравняв их получим следующее уравнение:

7102 hn О кРлгУЛг

-hPpbg = —^-> (6.1) у где: g = 9,81-ускорение свободного падения, м/с [17]; РАг = 2,5-10"л кг/м3 - плотность аргона [18]; □=□ EMBED Equation.DSMT4 ОПСкг/мЗ - плотность свинца [19]; □ EMBED Equation.DSMT4 DD С - скорость газового потока, м/с;

Г' EMBED Equation.DSMT4 □ L I - коэффициент характеризующий форму частицы свинца принят 0,5).

Принятая величина "к" является консервативной, соответствующей сферической форме капли: при форме "блина" с ориентацией его максимального размера нормально к потоку несущего газа значение к существенно возрастает. Из уравнения (6.1) выразим d: d =

РлЛ,

Ar М.

6.2) яЬррьё

Исходя из того, что максимальная локальная скорость потока газа вблизи свободной поверхности свинцового теплоносителя, а также скорость потока

115 несущего" каплю не может превышать 10,0 м/с, зададимся значениями локальных скоростей газового потока 2;4;6;8;10 м/с.

При проведении данного анализа принимается, что подъем капли на высоту, превышающую ламинарный подслой и турбулентный пограничный слой, осуществляется за счет кинетической энергии, сообщаемой капле при ее отрыве от объема свинца, за счет работы сил поверхностного натяжения. При движении на этом пути капля свинца деформируется. Подставляя в выражение (6.2) разумные по величине значения высоты И от 0,1 до 0,5 мм и указанные ранее значения локальных скоростей газа от 2,0 до 10,0 м/с определим значение диаметра частицы свинца для каждого значения скорости потока газа в отдельности и найдем отношение <1/Ь, а также массу частицы свинца в каждом случае. Результаты вычислений представлены в виде таблицы 6.1.

На рисунках 6.3 и 6.4 представлены кривые зависимости безразмерной величины отношения ё/И и массы частиц свинца от скорости газового потока.

С увеличением скорости газового потока в объеме газа, при барботаже газовой смеси через слой свинца увеличивается масса уносимых газом частиц по степенной зависимости. Безразмерная же величина с1/Ь, уменьшается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- Проведенный анализ источников и стоков частиц примесей на свободной поверхности свинца и в газовом объеме установки типа "БРЕСТ" показал возможность образования за время ресурса работы слоя отложений примесей (шлаков) на свободной поверхности теплоносителя с возможным частичным выносом частиц в газовую систему.

- Экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов потоком газа в диапазоне скоростей от 5 до 15 м/с; температуре свинца 540°С; средних размеров частиц примесей от 40 мкм до 2,0 мм показали, что в условиях реакторного блока установки БРЕСТ-ОД-ЗОО этот метод неприменим, в отличие от транспортных установок со свинец - висмутовым теплоносителем.

- Экспериментальные исследования метода очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя от примесей продуктов коррозии конструкционных материалов шнековыми устройствами вертикального и горизонтального исполнения показали неэффективность такого метода очистки и нецелесообразность его применения в условиях реакторного контура БРЕСТ-ОД-ЗОО.

- Использование метода очистки свободной поверхности от примесей черпаками с перфорированными днищами, расположенными на элеваторе не представляется возможным в условиях реакторной установки БРЕСТ-ОД-ЗОО.

- Использование метода магнитной очистки свободной поверхности свинцового теплоносителя реакторной установки БРЕСТ - ОД - 300 от примесей - продуктов коррозии конструкционных материалов при температурах на свободной поверхности свинца 450 - 540°С, возможно при обеспечении работоспособности и магнитных свойств активного элемента при рабочей температуре.

123

1. Безносов A.B., КирьяновВ.А., Фисейский Н.Е., Бокова Т.А., Пинаев С.С., Захватов В.Н. К вопросу о массопереносе паров свинцового теплоносителя в реакторе БРЕСТ-ОД-ЗОО. "Атомная энергия".т.90 вып.1 2001 г

2. Орлов Ю.И., Безносов A.B. и др. Исследование узлов системы удаления примесей потоком газа и экспериментальная отработка макета системы "пылеудаления": отчет НГТУ. № 769. - 1973.

3. Безносов A.B., Вивюрский и др. Экспериментальное исследование удаления "пылевидных" примесей газовым потоком из жидкометаллического контура со свинец-висмутовым теплоносителем: отчет НГТУ. № 689. - 1972.

4. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М: Госэнергоиздат, 1968.

5. Авербах Я.Н., Шабалин К.Л.//Химическая промышленность. № 290. - 1947.124

6. Безносов A.B., Фисейский Н.Е., Бокова Т.А., Пинаев С.С., Серов В.Е. Исследование процессов очистки газа и свободных поверхностей свинца от примесей-компонент конструкционных материалов. Отчет по НИР

7. ГР 0194002164УДК 621.03.6 Инв. № 02.20.00.04459. -Н. Новгород, 1999.

8. Инв. № 02200205518; Н. Новгород, 2001.

9. Савельев И.С. Курс общей физики, т.2 М.: Наука, 1970. - 431 с.

10. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2 М.: Наука, 1983. - 415 с.

11. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1983 - 681с.

12. Лойцанский Л.Г Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970. - 904 с.

13. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., и др. "Гидравлика, гидромашины и гидроприводы" М. 1982, - 422 с.

14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т.6 "Гидродинамика", М.; Наука 1986. 733 с.

15. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия,1966, 575с.

16. Варгафтик Н.Б.; Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей М.: Физматгиз., 1963, - 708 с

17. Боришанский В.М.; Кутателадзе С.С.; Новиков И.И., Федынский О.С Жидкометаллические теплоносители. М.: Атомиздат, второе издание1967,-416 с.