автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Теплообмен свинцового теплоносителя в круглой трубе и кольцевой щели при условии регулирования и контроля его примесей

На правах рукописи

Семенов Андрей Валерьевич

ТЕПЛООБМЕН СВИНЦОВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ [ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ И КОЛЬЦЕВОЙ ЩЕЛИ ПРИ УСЛОВИИ

РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ЕГО ПРИМЕСЕЙ

05.02.01 Материаловедение (в атомной промышленности) 05.04.11 - Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2004

Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» Нижегородского государственного технического университета.

доктор технических наук, профессор Безносое Александр Викторович доктор технических наук, профессор Ефанов Александр Дмитриевич

>

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Свиридов Валентин Георгиевич; доктор технических наук, профессор Сандлер Натин Гиршевич

Научный руководитель -Научный консультант -

Ведущая организация - Государственный научный центр

Российской Федерации Физико-энергетический институт, г. Обнинск.

Защита состоится 7 '¿?£<Г<3<у>.8 2004г. на заседании диссертационного совета Д.212 165.03 при Нижегородском государственном техническом университете- 603600, г Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 5, ауд. 5232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан 2 Ио&ьа 2004 г.

Щ 3W

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы прошлого и в начале этого столетия после достаточно длительного перерыва вновь появился интерес к тяжелым жидкометаллическим теплоноси!слям. В России, США, Южной Корее и др. предложены и продвигаются инновационные работы, направленные на создание быстрых реакторов, охлаждаемых свинцом и эвтектикой свинец-висмут.

В середине прошлого века специалистами ряда стран, прежде всего, в СССР был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований характеристик теплообмена в системах с жидкометаллическими теплоносителями. В результате выполнения комплекса этих работ были разработаны рекомендации по выражениям для выполнения теплогидродравлических расчетов оборудования с этими теплоносителями. Основная часть экспериментов по теплообмену была проведена со щелочными металлами, тяжелые жидкометаллические теплоносители были исследованы менее подробно и без оперативного контроля и регулирования содержания в них примесей.

Экспериментальные данные, на основе которых создавались нормативные материалы для теплогидравлических расчетов, имели значительный разброс, вследствие чего были рекомендованы расчетные формулы, которые имели значительные запасы, что, приводи ю к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости соответствующего теплообменного оборудования.

Современная экспериментальная и вычислительная техника, более глубокое понимание физико-химических и теплофизических процессов в системах с жидкометалли чески ми теплоносителями и накопленный опыт эксплуатации таких систем делают возможным уточнение созданных ранее расчетных кодов с учетом специфики каждого теплоносителя.

конструкционных материалов и режимов эксплуатации контура, контролируемого и управляемого содержания и физико-химического состояния примесей в теплоносителе и контуре и др.

В связи с этим актуальной является задача получение экспериментальных и расчетных данных по закономерностям теплоотдачи к свинцовому теплоносителю в круглой тр\ое и кольцевой щели при контроле и регулировании содержания примесей, уточнение критериальных зависимостей теплообмена, соответствующему реальному, фактическому содержанию примесей в тяжелых теплоносителях, включая возможные эксплуатационные ситуации и технологические обработки контура. Проектирование теплообменного оборудования на основе таких зависимостей позволяет существенно сократить неоправданные запасы теплообменных поверхностей и улучшить технико-экономические показатели энергетических установок.

Данная диссертационная работа выполнялась по программе межотраслевого научно-технического сотрудничества Минобразования России и Минатома России по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» per. номер проекта/НИР:2.05-02, 2.05-03 и 3.05-04.

РОС. н "И-шальная

Ь" • > ! FKA

С " -yrtypr

Б1' • С "

»006 Г К

Цель работы: Разработка рекомендаций по расчетным формулам теплообмена к свинцовому теплоносителю при возможных эксплуатационных состояниях теплоносителя и контура на основе комплексных экспериментальных исследований характеристик теплообмена к свинцовому теплоносителю в круглой трубе и кольцевой щели при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода.

Задачи работы:

При выполнении диссертационной работы решались две основные взаимозависимые задачи соответствующих двум специальностям- - материаловедению (контролю и управлению массообменном и массопереносом примесей в теплоносителе и в контуре и получению критериальных зависимостей теплообмена в агрегатах атомной промышленности, использующих свинцовый теплоноситель) Соответственно в работе решались следующие задачи:

- проведение анализа накопленных в исследуемой области теоретических и экспериментальных данных;

-разработка и экспериментальная отработка методов контроля и ре|улирования примеси кислорода при проведении теплофизических исследований;

- разработки и отработки методов измерения и компьютерной обработки температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и др. информационных сигналов от датчиков;

- проведения комплексных экспериментальных исследований влияния методов контроля и регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена при течении свинца в круглой трубе, включая зависимости от состава сталей теплообменных поверхностей;

- проведения комплексных экспериментальных исследований влияния методов контроля и регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена при течении свинца в кольцевой щели,

-проведение расчетных и экспериментальных исследований хараыерииик контактного термического сопротивления при теплообмене к свинцовому теплоноси I елю

- разработка выражений для инженерных расчетов при теплообмене к свинцовому теплоносителю на основе проведенных исследований.

На защиту выносится следующие положения:

методология исследований теплофизических характеристик тяжелых жидкометаллических теплоносителей с контролем и управлением содержанием примеси кислород в контуре в ядре потока свинцового теплоносителя и в пристенной области

- база экспериментальных данных характеристик теплообмена к свинцовому теплоносителю в круглых трубах разного диаметра из ферритно-мартенситной и аустенитных сталей при содержании примеси кислорода в диапазоне нормальных и аварийных условий в энергетических контурах в диапазоне чисел Пекле 350 - 3500.

- база экспериментальных данных характеристик теплообмена к свинцовому теплоносителю в кольцевой щели при внутреннем, наружном и двухстороннем обогреве при содержании примеси кислорода в диапазоне нормальных и аварийных устовий в энергетических контурах в диапазоне чисел Пекле 250 - 1000

- результаты исследований контактного термического сопротивления при теплообмене к свинцовому теплоносителю с контролем и управлением содержанием примеси кис порола в ядре потока и в пристенной области.

Научная новизна

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

- разработана методология исследований теплофизических характеристик (яжстых > жидкометаллических теплоносителей с контролем и управлением содержания примеси ' кислорода.

- впервые проведены комплексные экспериментальные исследования характеристик теплообмена свинцового теплоносителя в круглой трубе и кольцевой щели при контроле и регулирование содержании примеси кислорода в свинце и в контуре и получены зависимости Ыи^СРе) в диапазоне чисел Пекле 250 - 3500 при контролируемом и регулируемом содержании примеси термодинамически активного кислорода 10'7 - 10° и отложений примесей

Практическая значимость

Рекомендованы критериальные зависимости теплообмена при течении свинцового теплоносителя в круглых трубах и кольцевой щели при эксплуатационных содержаниях примеси кислорода в теплоносителе и контуре.

Результаты расчетно-теоретического анализа характеристик контактного термического сопротивления и полученные экспериментальные данные рекомендуются к использованию ' при проектировании и эксплуатации соответствующего теплообменного оборудования.

Методика проведения теплофизических исследований с контролем и регулированием эксплуатационных содержаний примесей в теплоносителе и в контуре рекомендуется в качестве обязательной для экспериментов со свинцовым и другими жидкометаллическими теплоносителями.

Достоверность основных научных положений и выводов работы: Достоверность экспериментальных исследований обусловлена корректностью сбора и обработки опытных данных, полученных с расчетом их погрешности. Достоверность полученных результатов заключается в их сходимости с полученными экспериментальными результатами других авторов

Личный вклад автора

Все расчетные, теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, выполнены автором лично или при его непосредственном участии.

Апробация работы

Результаты работы обсуждались и прошли апробацию на конференции Теплофизика-2002 г Обнинске, на XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, г. Рыбинск, 2003г, на Российском научно-техническом форуме «Ядерные реакторы на быстрых нейтронах» г. Обнинск, 2003г, на 2-ом Международном семинаре исследования по теплообмену в г. Блед, Словения, 2004г , на 11-ом совещании рабочей группы при 1АНЯ по теплогидравлике усовершенствованных ядерных реакторов «Гидродинамика и теплообмен в однофазных и двухфазных потоках жидких металлов», Обнинск, 2004г, а также на совещаниях соответствующих специатистов Публикации

Основные результаты диссертации изложены в двух авторских свидетельствах на изобретение, пяти научно-технических отчетах, двенадцати докладах на научных конференциях и статье в журнале «Атомная энергия». Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения Об ьем работы составляет 260 страницу, 95 рисунков, 17 таблиц, списка использованных источников из 88 наименований, в том числе 18 работ автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводиться общая характеристика работы по теме диссертации

В первой главе анализируется возможность применения свинца, эвтектик свинец-висмут и свинец-литий в атомной энергетике, рассматриваются их основные физико-химические свойства, и обосновывается необходимость исследований

Свинец и сплавы на его основе при контакте с конструкционными материалами способствуют образованию на них слоя оксидных покрытий, снижая тем самым коррозионный износ материалов. Свинец и сплавы на его основе безопасны при контакте с водой и воздухом и обладают приемлемыми теплофизическими свойствами

Проведенный анализ характеристик свинца, эвтектики свинец-висмут и снинец-личий показывает возможность их применения в качестве соответствующего теплоносителя в реакторах деления тяжелых ядер, мишенного контура и мишени ускорительно-управляемых систем и системах охлаждения бланкетов термоядерных реакторов.

Во второй главе рассматриваются основы технологии контроля и регулирования содержания примесей в свинце, приводятся результаты экспериментальных методов регулирования и контроля примесей в свинце и их влияния на характеристики теплообмена на циркуляционных стендах, например ФТ-216КТС-А (рисунок 1).

Формирование и поддержание защитных оксидных покрытий на внутренних поверхностях контуров с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем и недопущение образования отложений примесей на теплообменных и других поверхностях, является

необходимым условием безопасной эксплуатация установок. Отрабатывались следующие методы контролируемого и управляемого изменения содержания примесей в контуре:

•дозированный ввод кислорода (в составе воздуха) в газовый объем над свободным уровнем свинцового теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) контура с истечением (и без истечения) свинца на свободный уровень сверху; •эжекция кислородосодержащих смесей потоком свинца;

вмп

Рисунок 1 - Принципиальная схема стенда ФТ-216КТС-А 1 - центробежный насос; 2 - холодильник воздушный; 3 - емкость мерная; 4 -емкость дренажная; 5 - экспериментальный участок; 6 - фильтр механический; 7 -коллектор водорода; 8 - коллектор аргона низкого давления; 9 - коллектор аргона высокого давления; 10 - баллон с Нг; 11- баллон с Аг; 12 - конденсатор паров воды; 13 -электродвигатель; 14 - емкость буферная; 15 - емкость с кислородосодержащей газовой смесью; 16 - эжектор ввода газовых смесей; 17 - штуцер ввода газовых смесей; 18 -

фильтр тонкой очистки.®^- манометр, мановакууметр, датчик температуры,

датчик термодинамической активности кислорода в свинце (ГКЭ).

• ввод водорода в газовый объем над свободным уровнем свинцового теплоносителя в проточной буферной емкости (компенсаторе объема) с истечением свинца на свободный , уровень сверху;

• эжекция «сухого» водорода потоком свинца;

• эжекция аргона потоком свинца;

• эжекция двуокиси углерода потоком свинца;

•выдержка под избыточным давлением аргона в газовой системе

На рисунке 2 представлено изменение основных параметров экспериментов с экспериментальным участком в виде электрообогреваемой круглой трубой 032x3,5 из аустенитной стали 12Х18Н10Т. 1

Во всех проведенных экспериментах датчики термодинамической активности кислорода в свинце в различных участках циркуляционного контура синхронно реагировали на ввод газообразного кислорода, водорода и других газов (Аг. СОг).

Подтверждено, что в контурах со свинцовым теплоносителем испольювание водородосодержащих смесей в процессе теплофизических исследований достаточно эффективно для очистки от оксидов свинца и уменьшения окислительного потенциала свинцового теплоносителя.

Эжектирование кислородосодержащих газовых смесей эффективно обеспечивает оперативное увеличение содержания примеси кислорода в свинце, однако, со временем как правило, приводит к «забиванию» газовой трассы и, возможно трассы ЖМТ Ввод лих смесей в газовый объем расширительной емкости с изливом струи свинца на свободную поверхность более плавно и эффективно воздействует на изменение примеси кислорода при длительной работе и также может быть рекомендован в качестве возможного меюда регулирования при эксплуатации систем со свинцовым теплоносителем в процессе проведения теплофизических экспериментов.

В процессе экспериментов при вводе кислородосодержащей смеси (а и 10°) с экспериментальным участком из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ наблюдается стабильная теплоотдачи или ее незначительное уменьшение С увеличением продолжительности экспериментов теплоотдача несколько уменьшается. Замена свинца отработавшего в контуре в течение более 1000 часов с эксплуатационным содержанием примесей, на свинец марки С1 (содержание примесей 0,013%, содержание свинца 99,987%) привела к увеличению теплоотдачи до исходных значений.

Исследования с экспериментальными участками из аустенитной стали 12Х18Н10Т (круглая труба и кольцевая щель) показали, что ввод в контур кислорода до значения, а « 10°

Трь °С

Время работы стенда ФТ-216КТС-В при циркуляции, ч

—Средняя температура свинца, оС Показания датчика термодинамической активности кислорода, мВ

X Термодинамическая активность кислорода в свинце

Рисунок 2 - Изменение ЭДС ГКЭ и термодинамической активности кислорода в свинце при режимах исследований с экспериментальным участком круглая груба 032x3.5 ю аусгснитной стали 12Х18Н10Т

первоначально приводит к увеличению теплоотдачи первоначально, затем характеристики теплоотдачи при продолжающемся вводе кислородосодержащей смеси (при поддержании состояния насыщения свинца кислородом) либо стабилизируются во времени, либо незначительно снижаются до значений полученных при выдержке в аргоне.

На рисунке 3 представлено изменение числа N11 при теплоотдаче от круглой трубы из аустенитной стали 12Х18Н10Т к свинцу при различных значениях термодинамической активности кислорода в свинце и различных методах регулирования примеси киспорозд в свинце.

Ввод «сухого» водорода с течением времени приводит к ухудшению теплоотдачи

Режимы, проведенные с созданием 2-х компонентного потока (свинец - газ) для проведения гидродинамической очистки внутренних поверхностей экспериментального участка и контура показывают следующее:

- 2-х компонентные потоки РЬ-Аг и РЬ-Нг практически одинаково воздействую! на характеристики теплоотдачи;

- после эжектирования 2-х компонентным потоком свинец - двуокись углерода в течение 2-х часов замечено уменьшение теплоотдачи до значений, хорошо описываемых зависимостью: Ыи=3+0,025Ре0,8.

Материаловедческий анализ образцов конструкционных материалов, нахо шншичея в контуре в процессе теплофизических исследований показали, что толщина оксидных покрытий на образцах из аустенитной стали, сформированных в свинцовом теплоносителе составляла 12 - 30 мкм, из ферритно-мартенситной стали до 5мкм, для ЭИ 211 (материал -оболочка твэла) до 50мкм. На образце из ванадиевого сплава зафиксирован рост толщины покрытий - до 30 мкм. Рельеф поверхности контакта аустенитной стали со свинцом имеет ямочное строении с переменной толщиной оксидного слоя. При определении микротвердости на всех образцах зафиксировано упрочнение зоны контакта со свинцом.

Третья глава содержит основные результаты исследований, целью которых являлось определение характеристик локальной теплоотдачи к свинцу от стенки электрообогреваемой трубы в условиях регулирования и контроля примеси кислорода в теплоносителе и контуре

Исследования проводились с двумя экспериментальными участками п виде электрообогреваемых круглых труб: - из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ (017x3) с длиной обогреваемой части 1570 мм и - аустенитной стали 12Х18Н10Т (032x3.5) с длиной обогреваемой части 1600 мм в диапазоне температур 380 - 520 "С, в диапазоне чисел Рейнольдса 17 000 - 190 000, в диапазоне чисел Пекле 350 - 3400 и термодинамической активности кислорода в свинце 10° -10'7 при я=согй1.

20 18 16 14 12 | 10 8 6 4 2

«л

II <я

•л

</ч «I

I о

Ц-1

II

1 Ъ

Ё--®

е. I

<> <1

II

' >

20

40

60

80

180

200

100 120 140 160 Время работы стенда ФТ-216КТС-В, ч

о Число Пекле 900 л Число Пекле 810 х Число Пекле 660

220

240

260

' Число Пекле 1430 о Число Пекле 900 л Число Пекле 810 х Число Пекле 660 а Число Пекле 360

Рисунок 3 - Временная зависимость числа Нуссельта при теплоотдаче от электрообогреваемой круглой трубы из аустенитной стали 12Х18Н10Т (1/с1=30,40, 50) к свинцу при различных числах Пекле

Подвод тепла к поверхности трубы осуществлялся с помощью многосекционных электронагревателей, плотность теплового потока на поверхности экспериментальных участков составляла 25 - 55 кВт/м2.

При проведении экспериментов измерялась температура свинца на входе и выходе из экспериментального участка, температура поверхности экспериментального участка измерялась для участка - круглая труба из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ при 1/с1=32; 63,5; 95,5; 127 и для участка - круглая труба из аустенитной стали 12X18Н10Т при 1/с1=30, 40; 50. На экспериментальном участке из аустенитной стали на высоте 1200 мм от входа устанавливался термозонд с 7 микротермопарами для измерения профиля температуры потока свинцового теплоносителя.

Результаты экспериментов обрабатывались и представлялись в виде зависимости локального числа Нуссельта от числа Пекле. На рисунке 4 представлены результаты, полученные на участке из круглой трубы из аустенитной стали 12Х18Н10Т.

На основании проведенных исследований предложены уточняющие критериальные зависимости теплообмена тяжелого жидкого металла в круглой трубе, которые могут быть использованы при проведении теплогидравличских расчетов (см таблица 1)

Таблица 1.

Круглая труба из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ Круглая труба из аустенитной стали 12Х18Н10Г

Термодинамическая активность кислорода 10° в свинце Ми=4 2+0.019Ре°8 N11=4 9+0 О^Ре0*

Термодинамическая активность кислорода Ю^-Ю'7 в свинце N4=4.9+0,019Ре° 8 N11=3+0 019Ре"8

В четвертой главе приведены результаты исследований, целью которых являлось определение характеристик теплоотдачи к свинцу в кольцевой щели при условии регулирования и контроля примеси кислорода в теплоносителе и контуре в случае односторонних и двухстороннего подводов тепла.

Исследования проводились на экспериментальном участке представляющего собой соосно расположенные электрообогреваемую внешнею круглую трубу из аустенитной стали 12Х18Н10Т диаметром 075x5,0 мм и длиной обогреваемой части 1600 мм Внутри которой помещена круглая труба из такой же стали (042x5,0) (с12/с1|=1,55) с расположенным внутри трубчатым электронагревателем (031x4,0) электрической мощностью 5 кВт

Условия испытаний: в диапазоне температур 380 - 600 °С, - чисел Рейнольдса 10 000 -42 000, - чисел Пекле 250 - 1000 и термодинамической активности кислорода в свинце 10" -10"4 при q=const. Подвод тепла к внешней поверхности участка осуществлялся с помощью

многосекционных электронагревателей, плотность теплового потока на поверхности экспериментальных участков составляла 19-45 кВт/м2.

При проведении экспериментов измерялась температура свинца на входе и выходе из экспериментального участка; локальные температуры поверхности внешней трубы измерялись в двух сечениях при 1/с1эга=8; 19; поверхности внутренней трубы в тех же сечениях при 1/<1,„=11; 21,5. На высоте 1000 мм от входа в кольцевую щель установлен термозонд из трех микротермопар для измерения профиля температуры потока свинцового теплоносителя.

Результаты экспериментов обработаны и представлены в виде зависимости локальных чисел Нуссельта от Пекле. На рисунке 5 представлены результаты, полученные при внешнем подводе тепла к свинцу.

На основании проведенных исследований предложены уточняющие критериальные зависимости теплообмена тяжелого жидкого металла в кольцевой щели при одностороннем и двухстороннем подводах тепла, которые могут быть использованы при проведении инженерных расчетов теплопередающих поверхностей (см. таблица 2).

Таблица 2.

Термодинамическая активность кислорода в свинце 10° Термодинамическая активность кислорода в свинце 10'6-10"7

Внутренний подвод тепла Ыи=(6 + 0.015Ре08>(<12/а1)03 Ыи=(4.2 + 0.015-Ре"8) (с^/с!,)"

Внешний подвод тепла Ыи=(6 + 0.015 Ре08) (сЬМ,)03 №=(4.5 + 0.015Ре"1,на2/с1,)"3

Двухсторонний подвод тепла Ыи=3 + 0.014Ре°8

В пятой главе отражены результаты исследований, целью которых являлось определение характеристик контактного термического сопротивления на границе стенка -свинец при течении свинцового теплоносителя в круглых трубах и кольцевой щели в условиях регулирования и контроля примеси кислорода в теплоносителе и контуре

Под контактным термическим сопротивлением на границе жидкометаллический теплоноситель - стенка, под которым, понимается изменение характеристик тепчообмена в пристенной области, вызываемое отличием теплофизических свойств этой области от свойств жидкого и твердого металлов. При этом принимается, что величина контактного термического сопротивления определяется изменяющимися во времени физико-химическими процессами, обусловленными наличием примесей в теплоносителе и на стенке конструкционного материала в пристенной области.

10

20-

Ре

10

ю4

а)

Т,ч аог

■ -(82) 5-Ю"7 А-(70) 10"3 • -(95) 5-10'7 Д-(108) 5-Ю"7 (122) 10"6

104

б)

10

10

Т,ч аог -(8) 7-10"' 'А -(24) 7-10"' -(36) 4-Ю"1 □ -(50) 7-10"'

104 в)

¿02

-(РЬ-Аг) 7'10"2 -(РЬ-С02) 10*1 ▲ -(РЬ-Н2) 10"'

10"

Ре

Рисунок 4 - Характеристики локальной теплоотдачи к потоку свинца от кру1лой трубы из аустенитной стали 12Х18Н10Т: а) -режим ввод Ог; б) - режим ввод в) - режим выдержка под изб. давлением Л г, г) - режим очистки 2-х компонентными потоками (свинец - газ). 1 - Ыи=7+0.025Рео,\ 2 - Ыи=5+0.025Не"*, 3 - N11=4.2+0.019Ре'"1; 4 - Ыи=4.9+0.019Ре°8; 5 - Ыи=3+0.014Ре"*; 6 -

/ -

ю2

Ре

а)

ю3зо

в)

б)

Рисунок 5 - Характеристики локальной теплоотдачи к потоку свинца в кольцевой щели при внешнем подводе тепла: а) - режим ввод Н^ б) - режим выдержка под изб. давлением Лг; в) - режим очистки 2-х компонентными потоками (свинец - газ): г) - режим ввод 02. — Ыи = (4.3+0.015Ре° 8)*(сЬ/с1,)0 3.

Величина контактного термического сопротивления выражается следующим образом:

Для объяснения причин контактного термического рассматривались различные факторы, могущие быть причиной контактного термического сопротивления:

• слабое смачивание поверхности из-за высокого поверхностного натяжения жидких металлов;

• образование газовых пленок на границе стенка - жидкий металл;

• шероховатости поверхности контакта;

• оксидные пленки и отложения примесей в виде подвижных и неподвижных слоев примесей, пропитанных теплоносителем у поверхности теплообмена;

• другие факторы.

Применительно к условиям экспериментов, проведенных на участках с круглыми трубами, и с кольцевой щелью, аналитическим путем получено, что расчетная толщина слоя «рыхлых» отложений составляет ~ 0,07мм, за счет чего, величина температурного перепада в этом слое при данных допущениях должна составлять « 1,0 °С. Из этого, следует, что при максимальном количестве газообразного кислорода вводимого в контур (-21 - 22 гр.)> за счет отложений примесей могло возникать контактное термическое сопротивление на границе свинцовый теплоноситель - конструкционный материал, оказывающее незначительное негативное влияние на теплообмен.

На рисунке б представлены схемы конструкции экспенриментальных участков и размещения термопар в районе термозонда.

Экспериментально подтверждено влияние оксидных пленок и отложения примесей в виде подвижных и неподвижных слоев у поверхности на характеристики теплообмена. Обнаружено, что при уменьшении, ада ДО

10"* - 10"7 на теплообменной поверхности аустенитной стали наблюдается увеличение перепада температуры и соответственно рост Юс, а при увеличение, аог до 10° наоборот - снижение перепада температуры и соответственно уменьшение величины Як

12 3 д. ¿д

а)

б)

Рисунок 6 - Схема расположения районов экспериментальных участков вблизи термозондов

термозонда: а) кольцевая щель ОМ*, = 30); б) круглая труба 0 32x3,5 = 48). 1 - теплоизоляция; 2 - основные эл/нагреватели; 3 - стенка электрообогреваемой трубы: 4 -термозонд;; 5 - поток свинца; 6 - компенсационные эл/нагреватели. 7 - стенка втулки с поверхностью передачи тепла от ТЭНа; 8 - стенка ТЭНа; 9 - электроизоляция ТЭНа;

На рисунке 7 представлены характеристики контактного термического сопротивления при течении свинца в электрообогреваемой круглой трубе (12Х18Н10Т) при фиксированных числах Пекле.

Данный эффект статистически не подтверждается результатами полученными другими авторами при теплофизических исследованиях со щелочными металлами.

Эксперименты показали существенное большие значения соответствующих величин контактного термического сопротивления, чем величины, получаемые из расчетных оценок согласно настоящему разделу, что требует поиска дополнительных механизмов, влияющих на анализируемую величину.

В качестве таких механизмов можно предположить возможное влияние газовой фазы, заполняющей впадины в микрорельефе пристенного слоя; газовую фазу, содержащуюся в слое дисперсных частиц, на поверхности или в объеме самих дисперсных частиц примесей, удерживаемую за счет физических сил и химических связей и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена и отработана методика проведения теплофизических исследований на стендах со свинцовым и другими тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, требующая контроля и целенаправленного изменения содержания примесей, прежде всего кислорода.

7 6

о 5 ° 4

¡3 3 2 1 О

I II III IV

!_! I ■

■ ■ ■

в - i □

—4—1— ^□хга^отгцпацсг-й Д-1 i | i !| .......II

1.6Е-03 №03 8.0Б04 4.0Е-04 O.OBOO

Rk

Время работы, ч II III

* ❖ 4» & ^ ^ ^

Время работы, ч

б)

и

о

и о

III

"Л ■ » i

IV

Р ■

¡3 3

00 п а

, П-О- Q-a Q

1 O-nfo О

Ч» фффф&^фф Время работы, ч

I II III

IV

5 з 2 1 О

■ " ■ ■ ■':

О D и £ о О4343П|СЩЛ otrosí Ь а

—i--i I I I i -;-

* <*> л* # & <Л ^ ф Время работы, ч

1.6Е-03 1.2Е-03 3,08-04 Rk 4.0Е-04 О.О&ОО

в)

1.6Е-03 1.2Е-03 8.0Е-04 4.0Е-04 О.ОЕ+ОО

Rk

Рисунок 7 - Характеристик контактного термического сопротивления при течении свинца в круглой трубе (12Х18Н101)

а) Ре=660 б) Ре=800 в) Ре=910 г) Ре=1430 I - Выдержка в api оне, II Ввод кислорода; III - В под водорода; IV - 2-х компонентный поток (свинец-i аз)

2. Исследованы и отработаны технологические методы, направленные на контролируемое изменение окислительного потенциала свинцового теплоносителя и содержания примеси кислорода в контуре при проведении теплофизических исследований в диапазоне температур 380 - 600 °С при значениях чисел Ре = 250 - 3500 и чисел Re - 10 000 - 190 000.

3 Исследованы и отработаны технологии обработок свинцового теплоносителя и контура двухкомпонентными потоками РЬ-Нг, Pb-Ar и РЬ-С02 при проведении теплофизических исследований.

4. Определены и представлены зависимости локальных характеристик теплообмена в круглых трубах из ферритно-мартенситной и аустенитной стали к свинцу в виде Nu=f(Pe) для Ре = 350 - 3400 и Re = 17 000 - 190 000 при температурах 380 - 560°С в диапазоне термодинамической активности кислорода от 10"7 до 10° и при отложениях примесей

5. Определены и представлены зависимости локальных характеристик теплообмена в кольцевой щели (d2/d|=l,55) к свинцу с поверхностями из аустенитных ста-ievi в виде Nu=f(Pe) для Ре = 260 - 1000 и Re = 10 000 - 42 000 при температурах 380 - 600"С' в диапазоне термодинамической активности кислорода от 10"6 до 10° и при отложениях примесей.

6. Определены и представлены изменения характеристик контактного термического сопротивления области стенка - свинец в виде AT=f(t) и Rk=f(x) в диапаюне термодинамической активности кислорода от 10"7 до 10° и при отложениях примесей

7. Полученные критериальные формулы характеристик теплообмена, соответствующих возможным эксплуатационным состояниям теплоносителя и контура и рекомендованы для проведения соответствующих инженерных расчетов поверхностей теплообмена

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Безносое А В., Семенов A.B., Давыдов Д.В., Пинаев С.С., Кокова Т.А., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Ефанов А.Д. Экспериментальное исследование теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю при регулируемом содержании кислорода, Журнал "Атомная энергия", т.97 вып.5 ноябрь 2004г.

2. Св. на полезную модель. "ЯЭУ. Сопловой перфорированный насадок". Безносое A.B., Семенов A.B., Бокова Т.А., Пинаев С.С., Давыдов Д.В. МПК 7G 21 С 9/00 № 2002121707/06 (022593), дата 06.08.2002

3. Св. на полезную модель. "ЯЭУ. Кольцевой коллектор". Безносов А В., Семенов А. В , Бокова Т.А., Пинаев С.С., Давыдов Д.В. МПК 7G 21 С 9/00 № 2002121680/06 (022566) дата 06.08.2002

4. Изучение контактного термического сопротивления при течении свинца в кру1лой трубе Научно-технический отчет, ГР№01200013554 инв 0 2002 07998, AB Безносое, AB Семенов и др. НГТУ, г. Н. Новгород, 2001г.

5. Комплексные исследования теплообмена свинцового теплоносителя при течении свинца в круглой трубе для верификации расчетных методик (Межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Минобразования России и Минатома России по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" рег.номер проекта /НИР- 2.05-02). Отчет по НИР. A.B. Безносов, A.B. Семенов и др., НГТУ, г. Н. Новгород, 2002.

6. Комплексные исследования теплообмена свинцового теплоносителя при течении свинца в круглой трубе для верификации расчетных методик. Этап 2. (Межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Минобразования России и Минатома России по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" рег.номер проекта /НИР- 2.05-03) Отчет по НИР., A.B. Безносов, A.B. Семенов и др., НГТУ, г. Н Новгород, 2003.

7. Комплексные исследования теплообмена свинцового теплоносителя при течении свинца в круглой трубе для верификации расчетных методик. Этап 4. (Межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Минобразования России и Минатома России по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" рег.номер проекта /НИР: 3.05-04) Отчет по НИР., A.B. Безносов, A.B. Семенов и др., НГТУ, г. Н. Новгород, 2004.

8. Безносов A.B., Семенов A.B., Бокова Т.А., Давыдов Д.В, Пинаев С.С., Орлов Ю И . Жуков A.B. Экспериментально-расчетное исследование теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю с регулируемым содержанием примеси кислорода. Российская межотраслевая конференция «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов» //Сборник тезисов докладов, г. Обнинск. ГНЦ РФ-ФЭИ. 29 - 31 октября 2002,. стр. 43-44

9. Безносов A.B., Семенов A.B., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Экспериментальные исследования контактного термического сопротивления при теплообмене стенка -свинцовый теплоноситель. Сборник научных трудов II научно-технической конференции "Научно-инновационное сотрудничество" часть 1, г. Москва, 27-30 января 2003г.. стр. 118119

10. Семенов A.B., Бокова Т.А., Беляев Д.О. Экспериментальное определение теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю с регулированным содержанием кислорода Сборник тезисов докладов VIII нижегородской сессии молодых ученых, 2003г., стр 87-88

11. Безносов A.B., Семенов A.B., Бокова Т.А., Давыдов Д.В., Пинаев С.С., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Экспериментально-расчетное исследование теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю с регулируемым содержанием примеси кислорода Сборник тезисов докладов IX ежегодной международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва, 4-5 марта 2003г., стр. 57

12. Безносов A.B., Семенов AB., Бокова ТА, Беляев Д.О. Экспериментальное исследование теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю в условиях

изменения окислительного потенциала кислорода Сборник тезисов докладов 2-ой ежегодной региональной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона», г.Н. Новгород, 16 мая 2003г., стр 88-89

13. Безносов A.B., Семенов A.B., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Экспериментальное исследование теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю в условиях изменения окислительного потенциала кислорода. Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А И. Леонтьева. В 2-х томах. Т 2 , М.: Издательство МЭИ, 2003г., стр.157 - 159

14. Безносов A.B., Семенов A.B., Бокова Т.А., Давыдов Д.В, Пинаев С С., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Экспериментальные исследования теплоотдачи от круглой трубы к свинцовому теплоносителю с управляемым содержанием примеси кислорода. Сборник тезисов докладов Российского научно-технического форума «Ядерные реакторы на быстрых нейтронах», Калужская обл. г. Обнинск, 8-12 декабря 2003г. стр. 88

15. A.V. Beznosov, Semyonov A.V., S.S. Pinaev, D.V Davydov, T.A. Bokova, Yu I. Orlov, A.V. Zhukov, A.D. Efanov. Experimental investigations of heat transfer from a circular pipe to lead coolant with controlled content of oxygen impurity. INTERNATIONAL THERMAL SCIENCE SEMINAR - ITSS II, ASME - ZSIS, Bled, Slovenia, June 13-16,2004

16. Безносов A.B., Семенов A.B., Пинаев С.С., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Ефанов АД. Экспериментальное исследование теплоотдачи к свинцовому теплоносителю при регулируемом содержание примеси кислорода. XI совещание рабочей группы при IAHR по теплогидравлике усовершенствованных ядерных реакторов «Гидродинамика и теплообмен в однофазных и двухфазных потоках жидких металлов», Обнинск, ГНЦ РФ-ФЭИ. 5-9 июля 2004г

17. Безносов A.B., Семенов A.B., Бокова Т.А., Давыдов Д.В., Пинаев С.С., Баранова О.В., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Ефанов А Д. Комплексные исследования теплообмена свинцового теплоносителя при течении свинца в кольцевом канале для верификации расчетных методик Отчет по НИР. «Межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Минообразования России и Минатома России по направлению научно-инновационного сотрудничества». Этап 3. Per. номер проекта НИР:3.05-03, НГТУ, 2004г.

18. Безносов A.B., Семенов А.В, Давыдов Д.В., Пинаев С.С, Молодцов А А. Назаров A.B., Баранова О.В., Ефанов А.Д., Орлов Ю.И., Жуков A.B. Комплексные исследования теплообмена свинцового теплоносителя при течении свинца в круглой трубе дня верификации расчетных методик. Отчет по НИР., «Межотраслевая научно-техническая программа сотрудничества Минообразования России и Минатома России по направлению научно-инновационного сотрудничества». НГТУ, 2004г.

Подписано в печать 02.11.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 684.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

РНБ Русский фонд

2006-4 7062