автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Исследования теплообмена при поперечном обтекании труб тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями реакторов на быстрых нейтронах

На правах рукописи

Ярмонов Михаил Владимирович 1—

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ ТРУБ ТЯЖЕЛЫМИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005555241 " 2 0 Н0Я 2014

Нижний Новгород 2014

005555241

Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Научный руководитель: Безносое Александр Викторович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Сорокин Александр Павлович,

доктор технических наук, начальник лаборатории моделирования

теплогидравлических процессов в ЯЭУ с жидкометаллическими теплоносителями, ФГУП «Государственный научный центр РФ «Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского»

Семенов Андрей Валерьевич,

кандидат технических наук, начальник расчетного отдела ЗАО «Ридан»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "МЭИ"

Защита состоится 17 декабря 2014 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.418.001.01 при ОАО ОКБ «Гидропресс» по адресу: Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ОКБ «Гидропресс».

Автореферат разослан УЛ. // 2014 г. Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

С, Л. JLtfrUUltl >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволят ядерной энергетике принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост электропроизводства в течение последующих десятилетий. Повышение требований к безопасности и надежности работы ядерных реакторов побуждают к поиску новых теплоносителей, обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода, натрий и др.). Наиболее подходящим теплоносителем является жидкий свинец. Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам близок к эвтектическому сплаву свинец-висмут, с которым накоплен большой опыт работы не только в условиях лаборатории, но и в промышленности.

В 50-80 г.г. прошлого века специалистами СССР и ряда других стран был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований характеристик теплообмена в системах с жидкометаллическими теплоносителями - натрием, калием, сплавами натрий-калий, литием, ртутью, эвтектикой свинец-висмут и др. В результате проведенных работ были разработаны рекомендации по выражениям для выполнения инженерных проектно-конструкторских расчетов (тепловых и гидродинамических) оборудования, контуров и систем с жидкометаллическими теплоносителями. Эти рекомендации были реализованы в виде нормативной документации (РТМ и др.), в соответствии, с которой, рассчитывалось проектируемое теплообменное оборудование, включая парогенераторы, активные зоны и теплообменники реакторных установок, промышленных и исследовательских стендов. Были построены и успешно эксплуатировались отечественные стенды и установки (в том числе опытные и серийные реакторные установки) с теплоносителями: натрий, эвтектика свинец-висмут, натрий-калий, ртуть и др.

Расчетные выражения и методики расчета использованные для проектирования поверхностей теплообмена (кроме единичных проектных ошибок) всегда обеспечивали «запас» теплообменных поверхностей, существенно превышающий необходимый при выполнении инженерных расчетов.

Обоснованные выражения для обоснованных расчетов с поперечным обтеканием труб свинцовым теплоносителем отсутствуют. Имеющиеся в литературе выражения различаются не только эмпирически определенными коэффициентами, но и структурой. Более ранние выражения имеют вид Ыи=АРе0,5, где А=(1-Ю,5). Более поздние выражения - расчетные Ыи=5,5+0,025Ре°'8 (Щербаков С.И.) и эмпирические Ыи=2,19+0,109Ре°б (Калякин С.Г.), как и более ранние игнорируют наличие примесей, возможную их концентрацию в пристенной области.

В настоящее время разрабатываются научно-технические основы и технологии применения тяжелых жидкометаллических теплоносителей в новых условиях. Появились новые средства контроля содержания примесей, новые средства вычислительной и измерительной техники.

Реализованные уточнения, естественно, не изменят разработанную ранее систему взглядов на теплообмен в тяжелых жидкометаллических теплоносителях. Однако, они помогут сократить «запасы» теплообменных поверхностей до приемлемых в инженерных расчетах величин. Так, например, масса свинца в реакторе БРЕСТ-ОД-ЗОО составляет около 8 ООО тонн, определяемая, в значительной мере, поверхностями теплообмена в контуре. Уточнение расчетных методик теплообмена может позволить существенно уменьшить массу свинца в контуре и ряд других показателей. Еще более актуальна эта проблема в РУ БРЕСТ-1200, в котором масса свинца почти на порядок больше.

Целью работы является разработка рекомендаций по инженерным расчетным формулам теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при возможных эксплуатационных

состояниях теплоносителя и контура на основе комплексных экспериментальных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка труб в неизотермическом контуре с участком теплоотвода при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода.

Задачи работы:

-проведение анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;

- разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и др., расчета и представления теплофизических параметров в режиме реального времени;

-разработка, создание и испытание устройства определения локальной скорости потока тяжелого жидкометаллического теплоносителя в зазоре между рядами теплообменных труб;

- проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в пучке труб неизотермического контура с участком теплоотвода;

-проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на распределение полей скоростей и температур в межтрубном пространстве пучка труб неизотермического контура с участком теплоотвода;

-разработка выражений для инженерных расчетов характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями на основе проведенных исследований в неизотермическом контуре при различных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре.

На защиту выносятся следующие положения:

- Методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающие

исследования на участке теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

- Методические основы измерения полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаплического теплоносителя в межтрубном пространстве пучка теплообменных труб.

- Массив экспериментальных данных исследований и обобщения характеристик теплообмена при поперечном обтекании поверхностей тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

- Результаты сравнительного анализа экспериментально определенных характеристик теплообмена при поперечном опускном, подъемном и горизонтальном обтекании пучков труб тяжелым жидкометагтлическим теплоносителем.

Результаты исследований характеристик теплообмена двухкомпонентным потоком ТЖМТ - «легкая» фаза, имитирующие аварийную ситуацию «межконтурная неплотность парогенератора».

Научная новизна

Разработана методология исследований теплофизических характеристик при охлаждении тяжелых жидкометаллических теплоносителей с контролем и управлением содержания примесей кислорода.

Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка теплообменных труб тяжелым жидкометаллическим теплоносителем при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре, и получены зависимости Ыи=У(Ре) в диапазоне чисел Пекле 500...3000 при контролируемом и регулируемом содержании примеси термодинамически активного кислорода в диапазоне 10Л..100 и при наличии слоя отложений примесей. Экспериментально определены поля температур и скоростей в межтрубном пространстве пучка труб неизотермического контура в потоке тяжелого жидкометаплического

теплоносителя при контролируемом и регулируемом содержании примесей.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств и методов проведения экспериментов, использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям, корреляцией результатов экспериментов с последними по времени результатами других исследований.

Практическая значимость Рекомендованы для проведения инженерных расчетов, экспериментально полученные в неизотермическом контуре критериальные зависимости характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем при эксплуатационных и аварийных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре, что существенно повышает качество расчетов и позволяет улучшить массогабаритные характеристики теплообменного оборудования и установки в целом, позволяет обосновать проектные и эксплуатационные решения теплообменного оборудования инновационных установок с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

Предложена и отработана методика теплофизических исследований характеристик теплообмена в пучке труб неизотермического контура при контролируемом и регулируемом содержании примесей в теплоносителе и контуре, которая рекомендуется для экспериментов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, что повышает качество и представительность полученных научно-технических результатов.

Личный вклад автора Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТС» НГТУ им. Р.Е.Алексеева при непосредственном участии автора, автором лично или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования,

монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в проведении исследований, обработки и обсуждении результатов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на двадцать первой международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-21», г. Ченду, Китай, 2013 г.; на двадцать второй международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-22», г.Прага, Чехия, 2014 г.; на Межотраслевом семинаре Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010). — г. Обнинск, 2010 г.; на Межотраслевом семинаре Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2013). - г. Обнинск, 2013 г.; на XIV Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки,- Н.Новгород, 2009 г.; на VIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". — г. Н.Новгород, 2009 г.; на Всероссийской научной школе для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах». - г. Обнинск, 2009 г.; на Седьмой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2009 г.; на XV Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки,-Н.Новгород, 2010 г.; на Молодежной научно-технической конференции «Эксперимент-2010». - г. Н. Новгород, 2010 г.; на IX Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2010 г.; на Восьмой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2010 г.; на X Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". -г.Н.Новгород, 2011 г.; на Девятой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2011 г.; на XVII Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки,- Н.Новгород, 2012 г.; на XI Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". -г.Н.Новгород, 2012 г.; на Десятой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2012 г.; на XVIII Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки,- Н.Новгород, 2013 г.; XII Международной

молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2013 г.; на Одиннадцатой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2013 г.; на XIX Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки,- Н.Новгород, 2014 г.; на XIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2014 г.;

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в авторском свидетельстве на изобретение, в шести патентах на полезную модель, в статьях в журнале «Атомная энергия», в статьях в журнале «Ядерная энергетика», в статьях в журнале «Вопросы атомной науки и техники», в статьях в журнале «Вестник машиностроения», в сорока докладах на отечественных и международных научных конференциях, в трех зарегистрированных научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения. Объем работы составляет 195 страниц, 77 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 39 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы.

В первой главе диссертации приводится аналитический обзор исследований характеристик теплообмена жидких металлов при обтекании круглых труб в условиях отсутствия регулирования и контроля содержания примесей в теплоносителе и контуре, а также при контроле содержания примесей. Производится анализ примесей в ТЖМТ РУ и их влияния на характеристики теплообмена. Производится постановка задач исследований.

Во второй главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целью которых являлось определение локальных характеристик теплообмена при поперечном обтекании ТЖМТ пучка труб, включая поля давлений и скоростей, в участке отвода тепла неизотермического контура при движении теплоносителя «СНИЗУ ВВЕРХ» при регулируемом содержании примесей.

Объединенный экспериментальный стенд ФТ-2Б представляет собой комбинацию двух стендов - ФТ-2 со свинцовым теплоносителем и ФТ-1 со свинец-висмутовым теплоносителем. Стенд ФТ-2Б предназначен для проведения исследований характеристик теплообмена в системе электрообогреваемая стенка корпуса экспериментального участка -свинцовый теплоноситель с регулируемым содержанием примеси кислорода в теплоносителе контура - охлаждаемый свинцом-висмутом коридорный пучок круглых труб.

Отвод тепла в экспериментальном участке осуществляется эвтектическим сплавом свинец-висмут, подаваемым от стенда ФТ-1. Данное техническое решение позволяет проводить исследования теплообмена от свинца к стенке без применения водяного контура с высоким давлением. Подогрев охлажденного в экспериментальном участке свинца осуществляется трубчатым электронагревателем.

Экспериментальная модель (Рисунок 1) представляет собой теплообменную поверхность, выполненную в виде коридорного пучка горизонтальных теплопередающих труб диаметром 17x3 мм, из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ. Длина теплообменных трубок составляет 120 мм, длина рабочего участка трубки равна 100 мм. Пучок трубок состоит из шести продольных и трех поперечных рядов, причем первый и третий поперечные ряды представляют собой имитаторы теплопередающих трубок, выполненные в виде продольно разрезанных труб длиной 100 мм, размещенных на внутренней поверхности корпуса экспериментального

участка (Рисунок 2). Продольный и поперечный шаги расположения трубок равны 25 мм. Относительные шаги составляют ^/с^Л/с^ 1,47.

Дистанционирование трубок осуществляется раздающим и собирающим коллекторами, в которых заделаны теплопередающие трубки (Рисунок 2). Корпус теплообменника представляет собой емкость, выполненную в виде канала прямоугольного сечения 100х49 мм длиной 1330 мм. Данное техническое решение позволяет значительно уменьшить площадь проходного сечения экспериментального участка и соответственно увеличить скорость обтекания теплопередающих трубок свинцовым теплоносителем.

Рисунок 1 - Экспериментальный участок (профильный разрез)

Поступая в экспериментальный участок, свинец проходит через решетку, предназначенную для выравнивания профиля скорости и участок

стабилизации потока длиной 1000 мм. Далее свинцовый теплоноситель, омывая теплообменную поверхность, передает тепло эвтектике свинец-висмут, прокачиваемой внутри теплообменных трубок. После чего охлажденный свинец отводится из экспериментального участка.

РЬ-В1

\ Собирающий \ коллектор

Раздающий / коллектор /

РЬ-В1

Рисунок 2 — Экспериментальный участок (фронтальный разрез) Исследования характеристик теплообмена.

По результатам исследований были построены графики (Рисунок 3) зависимости средних локальных значений 1Ми=^ДРе) полученных путем численного интегрирования по окружности теплообменной трубки (интегральные характеристики теплообмена) при различных значениях

термодинамической активности кислорода (10"4<а<10°), числах Пекле (900<Ре<3000).

50

40

30 -г.

20

10 0

юоо Ре гооо зооо

• -N11, а=10°; (-) N11=5,5+0,025Ре°'8;

▲ -N11, а=10~'; (--) N11=5,8+0,025Ре0,8;

▼ -N11, а=10 2; (••••) Ыи=4,5+0,025Ре°'8;

★ - Ыи, а=10"3; (---) N11=4,9+0,025Ре°'8;

■ - Nu, а=10"4; (----) N11=6,4+0,025Ре°'8;

1- по формуле N11=5,5+0,025Ре0'8;

2- по формуле N11=2,19+0,109Ре0,6;

3- по формуле Ыи=Ре°5

Рисунок 3 - Усредненные характеристики теплообмена по периметру трубы. Сводный график

Анализ представленных графиков показывает, что изменение содержания кислорода в теплоносителе не оказывает значительного влияния на характеристики теплообмена на локальном участке трубы. Во всем диапазоне режимных параметров значения характеристик теплообмена были близки к теоретическим расчетным данным для теплообмена со стороны

4 3

■ * - • --

жидкого металла при обтекании пучка труб змеевикового парогенератора [Щербаков С.И.]:

N11=5,5+0,025Реад± 20% (1)

где определяющими параметрами являются наружный диаметр труб и скорость потока жидкого металла в узком зазоре между трубами. Изменение коэффициента теплообмена по периметру труб. По результатам исследований были построены безразмерные графики (Рисунок 4) распределения коэффициента теплоотдачи по окружности теплообменной трубки, при различных значениях термодинамической активности кислорода в сплаве (10"4<а<10°) и числах Пекле (1200, 2200).

а /г/

а /а

(-) а<р/а, а=10 ;

(----) аср/а, а=10"2;

(- • -) сир/а, а=10"4; Ре=1200

(-) аср/а, а=10';

(----) аф/а, а=10~2;

(- ■ -) аср/а, а= 10"4; Ре=2200

Рисунок 4 - Изменение коэффициента теплоотдачи по окружности теплообменных трубок (2-6 ряд)

Анализ представленных графиков показывает, что при поперечном обтекании пучка труб свинцовым теплоносителем точка отрыва

пограничного слоя от стенки трубки смещается к лобовой части трубки (9=85°) относительно аналогичных показателей для воды (9=120°). Довольно сильное раскисление теплоносителя (а^Ю"4) приводит к уменьшению амплитуды скачков коэффициента теплообмена на боковой поверхности теплообменных трубок.

В лобовой части трубок и в зоне нарастания пограничного слоя при низкой термодинамической активности кислорода (а=104) наблюдается улучшение характеристик теплообмена, вызванное отсутствием отложений примесей на поверхности теплообмена, создающих дополнительное термическое сопротивление, и как следствие ухудшающих характеристики теплообмена.

Поля скоростей в потоке ТЖМТ обтекающем теплообменные трубы.

Экспериментально полученные поля скоростей при течении свинцового теплоносителя в узком сечении между рядами теплообменных трубок представлены в виде графических зависимостей (где V - осевая

составляющая скорости потока свинцового теплоносителя; 5 - текущее положение открытого конца трубки полного напора датчика скорости) при различных значения числа 11е (Рисунок 5).

-■- V, 11е=5,5-104 V, Ке=9,2-104

Рисунок 5 — Профили скоростей

Форма профиля скорости потока свинца в узком зазоре говорит о влиянии естественной конвекции на структуру потока. В данном

эксперименте естественная и вынужденная конвекция имеют противоположные направления, поэтому возникающий в результате их взаимодействия термогравитационный эффект приводит к дополнительной турбулизации потока. Увеличение турбулентности потока усиливает пульсации температуры стенки, свойственные процессу теплообмена при поперечном обтекании труб. Пульсации температуры вызывают накопление усталостных напряжений в материале труб, а следовательно влияют на их работоспособность.

Экспериментально полученные графики распределения температур по периметру трубки также представлены во второй главе.

В третьей главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целью которых являлось определение локальных характеристик теплообмена при поперечном обтекании ТЖМТ пучка труб, включая поля температур, в участке отвода тепла неизотермического контура при движении теплоносителя «СВЕХУ ВНИЗ» при регулируемом содержании примесей.

Экспериментальные исследования характеристик теплообмена проводились на экспериментальном стенде ФТ-2Б, описанном в главе 2 с тем отличием, что положение экспериментального участка в пространстве было изменено на 180° в вертикальной плоскости.

Исследования характеристик теплообмена.

По результатам исследований, были построены графики (Рисунок 6) зависимости средних локальных значений Nu=/(Pe) полученных путем численного интегрирования по окружности теплообменной трубки (интегральные характеристики теплообмена) при различных значениях термодинамической активности кислорода (10'5<а<10°), числах Пекле (900<Ре<3000).

Анализ представленных графиков показывает, что изменение содержания кислорода в теплоносителе не оказывает значительного влияния на характеристики теплообмена. Во всем диапазоне режимных параметров

значения характеристик теплообмена были близки к теоретическим расчетным данным для теплообмена со стороны жидкого металла при обтекании пучка груб змеевикового парогенератора (формула 1).

50 40

30 гз

20 10 0

юоо Ре гооо зооо

• - N11, а= 10°; (.....) N11=4,8+0,025Ре°'8;

▲ - N11, а=10 (-) N11=6,6+0,025Ре°'8;

▼ - N11, а=10"2; (--) Ыи=10,1+0,025Ре°-8;

★ - N11, а=10"3; (- - -) N11=6,8+0,025Ре0,8; ■ - N11, а=10"4; (■•••) №=6,5+0,025Ре°'8;

* - N11, а=10"5; (---) N11=7,7+0,025Ре°'8;

1- по формуле №=5,5+0,025Ре0,8;

2- по формуле N0=2,19+0,109Ре0,6;

3- по формуле №=Ре0,5

Рисунок 6 - Усредненные характеристики теплообмена по периметру трубы. Сводный график №=ДРе)

Экспериментально полученные графики распределения температур по периметру трубки, изменения коэффициента теплообмена по периметру трубки, поля давлений, скоростей и температур в потоке ТЖМТ также представлены в третьей главе.

В четвертой главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целью которых являлось определение локальных характеристик теплообмена при поперечном обтекании ТЖМТ пучка труб, включая поля температур, давлений и скоростей, в участке отвода тепла неизотермического контура при движении теплоносителя «ГОРИЗОНТАЛЬНО» при регулируемом содержании примесей.

Экспериментальные исследования характеристик теплообмена проводились на экспериментальном стенде ФТ-2Б, описанном в главе 2 с тем отличием, что положение экспериментального участка в пространстве было изменено на горизонтальное.

Исследования характеристик теплообмена.

По результатам исследований, были построены графики (Рисунок 7) зависимости средних локальных значений Ми=ДРе) полученных путем численного интегрирования по окружности теплообменной трубки (интегральные характеристики теплообмена) при различных значениях термодинамической активности кислорода (10"5<а<10°), числах Пекле (700<Ре<2500).

Анализ представленных графиков показывает, что изменение содержания кислорода в теплоносителе не оказывает значительного влияния на характеристики теплообмена. Во всем диапазоне режимных параметров значения характеристик теплообмена были близки к теоретическим расчетным данным для теплообмена со стороны жидкого металла при обтекании пучка труб змеевикового парогенератора (формула 1).

Экспериментально полученные графики распределения температур по периметру трубки, изменения коэффициента теплообмена по периметру трубки, поля давлений, скоростей и температур в потоке ТЖМТ также представлены в четвертой главе.

50

40

30 з

20 10 0

1000 Ре 2000 3000

* -N0,3=10°; (.....) N11=4,0+0,025Ре°'8;

▲ - N11, а=10"'; (-) N11=4,5+0,025Ре° 8;

Т - N11, а=10"2; (--) N11=3,9+0,025Ре°-8;

* - N11, а= 10"3; (- - -) N11=3,0+0,025Ре°'8; ■ -N11, а=10 4; (•■ • •) Ш=3,2+0,025Ре°'8;

* - N11, а=10"5; (---) N11=3,4+0,025Ре°'8;

1- по формуле Nu=5,5+0,025Pe0•8;

2- по формуле N11=2,19+0,109Ре0,6;

3- по формуле ^=Ре0,5

Рисунок 7 - Усредненные характеристики теплообмена по периметру трубы. Сводный график ^=У(Ре)

В пятой главе представлены результаты проведенных автором экспериментальных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка труб двухкомпонентным потоком: ТЖМТ -«легкая» фаза (водяной пар, газ) применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора».

По результатам исследований были построены графики (Рисунок 8) зависимости температур на внешней Т21 и внутренней Т22 поверхностях теплообменной трубки от времени t при различных значениях расхода газа.

Анализ показывает, что введение «легкой» фазы в поток теплоносителя может вызывать цикличные колебания температур теплообменной поверхности. Которые затухают после прекращения подачи «легкой» фазы. Такие циклические колебания температур стенки теплообменной трубки при длительной работе могут привести к накоплению термических напряжений в стенке и как следствие к усталостному разрушению теплообменной поверхности.

о 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

(-) Т2|; (■■•■) Т22;

Qh2=27,6 л/ч

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

(—) Т21; (••••) Т22; Qh2= 125,6 л/ч

Рисунок 8 - Графики изменения температуры теплообменной поверхности по

времени

В шестой главе приводятся результаты сравнительного анализа экспериментальных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка труб потоком ТЖМТ различной ориентации в пространстве.

По результатам проведенного сравнительного анализа подъемного, опускного и горизонтального обтекания пучков труб обнаружено

незначительное влияние ориентации потока теплоносителя в пространстве на характеристики теплообмена, обусловленное воздействием естественной циркуляции на поток теплоносителя (термогравитации).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1) Проведен анализ накопленного в исследуемой области информационного материала;

2) Разработана и отработана методика измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и др., расчета и представления теплофизических параметров в режиме реального времени;

3) Разработано, создано и испытано устройство определения локальных давлений и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в зазоре между рядами теплообменных труб;

4) Разработана методология исследований на основе современных технологий;

5) Разработаны и созданы экспериментальные участки и стенды с этими участками;

6) Получен и обработан массив экспериментальных данных комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в пучке труб неизотермического контура с участком теплоотвода;

7) Получен и обработан массив экспериментальных данных комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на распределение полей давлений, скоростей и температур в межтрубном пространстве пучка труб неизотермического контура с участком теплоотвода, включая условия аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора»;

8) На основе проведенных исследований разработаны выражения для инженерных расчетов характеристик теплообмена при поперечном

обтекании пучков труб в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях и научно-технических отчетах:

1. Пат. 84088 Рос. Федерация, МГЖ(7) F22B1/02. Парогенератор со свинцовым теплоносителем и его сплавами / Безносов A.B., Баранова B.C., Боков П.А., Ярмонов М.В.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет.-№2008148224/22; заявл. 08.12.2008; опубл. 27.06.2009.

2. Пат. 93159 Рос. Федерация, МПК(7) G01P5/02. Устройство для измерения локальной скорости жидкого металла / Антоненков М.А., Безносов A.B., Новожилова О.О., Савинов С.Ю., Ярмонов М.В; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет.-№2009143430/22; заявл. 23.11.2009; опубл. 20.04.2010.

3. Пат. на полезную модель 105514 Рос. Федерация, МПК(7) G21C9/00. Ядерная энергетическая установка / Безносов A.B., Баранова B.C., Кустов М.С., Ярмонов М.В., Боков П.А., Махов К.А.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. - № 2010152625/07; заявл. 22.12.2010; опубл. 10.06.2011.

4. Пат. на полезную модель 108203 Рос. Федерация, МПК(7) G21D1/00. Ядерная энергетическая установка / Безносов A.B., Бокова Т.А., Баранова B.C., Боков П.А., Ярмонов М.В.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. - № 2011114714/07; заявл. 14.04.2011; опубл. 10.09.2011.

5. Экспериментальное исследование осевой скорости потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре с разным окислительным потенциалом / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов, М.А. Антоненков, М.В. Ярмонов // Атомная энергия. - 2010. - Т. 108, вып.З. -С. 173-177.

6. Экспериментальные исследования естественной циркуляции в системах со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителем / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, А.В. Львов, В.Л. Химич, А.К. Матюнин, М.В. Ярмонов // Атомная энергия - 2012. - Т. 113 №6. - С. 351-354.

7. Реакторные установки с горизонтальными парогенераторами / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, А.А. Молодцов, П.А. Боков, А.В. Назаров, М.В. Ярмонов // Вопросы атомной науки и техники. - 2013. - Вып.2 -С. 79-83.

8. Experimental study of liquid-metal target designs of accelerating controlled systems / K.A. Makhov, O.O. Novozhilova, A.G. Meluzov, A.V. Beznosov, M.V. Iarmonov.: Abstracts 19 International Conference on Nuclear Engineering ICONE19. - Osaka, Japan, 2011. - P. 121.

9. Experimental studies of thermal hydraulics of a HLMC flow around hear exchange surfaces / O.O. Novozhilova, P.A. Bokov, A.V. Beznosov, M.V. Iarmonov.: Abstracts 21th International Conference on Nuclear Engineering ICONE21. - Chengdu, China, 2013.-P. 152.

10.Experimental studies of heat transfer characteristics and features of transverse floe pipe flow liquid heavy metal/ A.V. Beznosov, M.V. Yarmonov, A.D. Zudin, A.S. Chernysh, O.O. Novozhilova.: Abstracts 22 International Conference on Nuclear Engineering ICONE22. - Prague, Czech Republic, 2014. - P. 185.

11.Исследования полей температур и скоростей в потоке ТЖМТ при продольном и поперечном обтекании труб / О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов, М.А. Антоненков, А.В. Безносов, М.В. Ярмонов.: Тез. докл. Седьмой Курчатовской молодежной научной школы. - Москва, 2009. -С. 75.

^.Экспериментальные исследования характеристик теплообмена при поперечном обтекании трубок свинцовым теплоносителем / М.В. Ярмонов, О.О. Новожилова, А.С. Черныш, А.Д. Зудин, А.В. Безносов,,:Тез. докл. Межотраслевого семинара Тяжелые

жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2013). - Обнинск, 2013. - С. 126-127.

13.Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при поперечном обтекании потоком теплоносителя , движущимся «СНИЗУ ВВЕРХ» при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода.: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический университет; рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород, 2013. - 59 с. - Исполн.: М.В. Ярмонов, A.C. Черныш, О.О. Новожилова, А.Д. Зудин -№ГР 01201351302.

14.Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при-поперечном обтекании потоком теплоносителя, движущимся «СВЕРХУ ВНИЗ» при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода.: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический университет; рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород, 2013. - 48 с. - Исполн.: М.В. Ярмонов, A.C. Черныш, О.О. Новожилова,- №ГР 01201351356.

^.Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при поперечном обтекании потоком теплоносителя, движущимся «ГОРИЗОНТАЛЬНО» при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода.: отчет о НИР / Нижегородский государственный технический университет; рук. A.B. Безносов. -Н.Новгород, 2014. - 53 с. - Исполн.: М.В. Ярмонов, A.C. Черныш, О.О. Новожилова,- №ГР01201351383.

Подписано в печать 22.10.14. Формат 60 х 84'/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 696.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.