автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Обоснование системы пассивного отвода тепла из объема защитной оболочки АЭС с ВВЭР

На правах рукописи

СЕМАШКО Сергей Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ОБЪЕМА ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АЭС С ВВЭР

Специальность 05.14.03 — «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005544792

САНКТ ПЕТЕРБУРГ - 2013

005544792

Работа выполнена на кафедре "Реакторные и котельные установки" в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ").

Научный руководитель:

- Безлепкнн Владимир Викторович - доктор техн. наук

Официальные оппоненты:

- Федорович Евгений Данилович - доктор техн. наук, профессор, ФГБОУ ВПО "СПбГПУ", профессор;

- Капинкин Александр Иванович - кандидат техн. наук, старший научный сотрудник, НИИ кораблестроения и вооружения ВМФ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия", старший научный сотрудник

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский технологический институт им. А. П. Александрова» (НИТИ), г. Сосновый Бор

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 18-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, в аудитории 411 ПГК

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Факс: (812)412-9032 E-mail: kgl210@mail.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

К.А. Григорьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В новых проектах АЭС с ВВЭР существенное внимание уделяется управлению запроектными авариями (ЗПА). Для защиты от превышения допустимого давления внутри защитной оболочки (ЗО) здания реактора спроектирована система пассивного отвода тепла (СПОТ) из 30. Основным преимуществом таких систем является отсутствие зависимости их функционирования от наличия источников электроснабжения. СПОТ 30 предназначена для длительного отвода тепла из объема 30 к конечному поглотителю посредством теплообменников-конденсаторов, расположенных в подкупольном пространстве ЗО при авариях, связанных с течами теплоносителя из элементов реакторной установки внутри 30.

Эффективность работы СПОТ ЗО в значительной мере определяется интенсивностью теплообмена при конденсации пара из парогазовой среды на теплооб-менных поверхностях. В свою очередь, условия конденсации пара, в основном, определяются характером конвективных течений и распределением неконденсирующихся газов в гермообъеме ЗО.

Для расчетного обоснования этой системы были использованы коды в сосредоточенных параметрах, такие как КУПОЛ-М, и трехмерные гидродинамические коды, такие как ПГС-ТК (парогазовая смесь - тепломассообмен и конденсация), STAR-CD. В настоящее время эти коды проходят этап тестирования и верификации применяемых методик и замыкающих соотношений при моделировании процессов теиломассопереноса в контейнментах АЭС с ВВЭР с учетом функционирования СПОТ ЗО.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью расчетного и экспериментального обоснования работоспособности и эффективности СПОТ ЗО проекта АЭС-2006.

Целыо работы являлось обоснование работоспособности и тепловой эффективности СПОТ 30 проекта АЭС-2006 во всех предполагаемых режимах работы этой системы. Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи:

- проведение комплексного анализа литературных источников, посвященных теплоотдаче и массообмену при свободной и смешанной конвекции у вертикальных обогреваемых пластин и труб;

- экспериментальное исследование теплоотдачи к трубам модельных теплообменников при свободноконвективном течении воздуха в модели подкупольного пространства на стенде СМК (ФГУП "ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова", масштаб 1:4);

- экспериментальное исследование тепломассообмена при конденсации водяного пара на поверхностях модельных теплообменников СПОТ 30 и процессов тепломассопереноса внутри модели защитной оболочки на крупномасштабном стенде (KMC), (ФГУП «НИТИ им. А.П.Александрова»);

— выработка рекомендаций по выбору зависимостей для расчета поверхностной конденсации пара на вертикальных поверхностях в условиях свободной конвекции;

— валидация компьютерного кода КУПОЛ-М и CFD кодов на полученных экспериментальных данных;

— выполнение расчетного обоснования работоспособности натурного СПОТ

30.

Методический подход. В работе приняты методы экспериментальной теплофизики, методы вычислительной математики, теории тепломассообмена, эмпирические формулы коэффициентов теплоотдачи. На защиту выносятся:

идеология создания крупномасштабных стендов и их представительность; экспериментальные данные, полученные на стендах KMC и СМК; рекомендации по расчету коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи (с учетом влияния поперечного потока пара из-за конденсации пара на стенке) при свободной конвекции у вертикальных труб и плоских пластин;

результаты валидации кодов КУПОЛ-М, ПГС-ТК, STAR-CD на задачах, в которых реализуются основные процессы, характерные для рассматриваемого случая;

результаты валидации кодов КУПОЛ-М, ПГС-ТК, STAR-CD на экспериментальных данных, полученных на крупномасштабных стендах; результаты расчетных исследований СПОТ ЗО. Научная новизна работы обусловлена следующим:

разработаны рекомендации по расчету коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи при свободной и смешанной конвекции на вертикальных трубах и пластинах, которые позволили уточнить замыкающие соотношения кода в сосредоточенных параметрах КУПОЛ-М;

экспериментально исследованы тепломассообмен при свободноконвективном течении сред в подоболочечных пространствах моделей геометрически подобных теплообменников-конденсаторов СПОТ 30 (стенды KMC и СМК);

проведена валидация специализированного контейнментного кода ПГС-ТК и кода STAR-CD на экспериментальных данных, полученных на стендах KMC, СМК и «СПОТ-ЗО», а также на задачах, в которых реализуются основные процессы, характерные для рассматриваемого случая;

проведены трехмерные расчеты течения среды в гермообъеме защитной оболочки и конденсации пара из тернарной смеси (пар, воздух, водород) на поверхности теплообменников натурного СПОТ ЗО.

Достоверность научных положений основывается на следующем:

— эксперименты выполнены на трех крупномасштабных моделях теплообменников-конденсаторов СПОТ ЗО. Эксперименты выполнены в диапазоне режимных параметров сред внутри ЗО, охватывающем диапазон этих параметров на всех ста-

днях протекания аварийных условий;

- предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями;

- в исследованиях использованы современные средства измерения; выполнен анализ погрешности; предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена;

- выполнена кросс-верификация различных кодов и проведен анализ их чувствительности.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что проведенные исследования позволили обосновать работоспособность СПОТ ЗО проекта АЭС-2006, проверить новые инженерные решения, используемые в пассивных системах, получить новые данные для валидации расчетных кодов.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при создании других новых конструкций, например, для расчета температурного режима бассейна выдержки отработанного топлива с системой пассивного отвода тепла АЭС БН-1200.

Созданные крупномасштабные стенды будут включены в матрицы валидации и являются базовыми экспериментальными стендами для исследования процессов тепломассообмена в СПОТ ЗО. Полученные экспериментальные данные позволят организации-заявителю расширить область применения расчетных кодов при аттестации в Ростехнадзоре России.

Основные этапы экспериментальных работ выполнялись по взаимосогласованным техническим заданиям совместно с ведущими организациями в отечественной атомной энергетике: ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова», ОАО «ОКБМ Аф-рикантов» и др.

Личный вклад автора. Автор участвовал в разработке крупномасштабных стендов СМК, «СПОТ-ЗО» и модернизации стенда KMC, разработке методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.

Участие в проведении валидации кодов ПГС-ТК, STAR-CD на тестовых опытных данных по свободной конвекции на вертикальных пластинах и трубах (включая влияние поперечного потока массы при конденсации пара из парогазовой смеси) и на опытных данных, полученных на стендах СМК, KMC и «СПОТ-ЗО».

Автором проведено сопоставление опытных данных и обобщающих зависимостей по теплоотдаче при турбулентной свободной конвекции на вертикальных обогреваемых пластинах и трубах и разработаны рекомендации по уточнению замыкающих соотношений кода в сосредоточенных параметрах КУПОЛ-М.

Расчетное исследование работоспособности натурного объекта (СПОТ 30). Выбор режимных параметров характерных для функционирования СПОТ 30.

Разработка рекомендаций по размещению теплообменников-конденсаторов во внутреннем объеме ЗО, выбору их конструктивных параметров и определение тепловой мощности СПОТ.

Апробация результатов работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на 4-й Международной научно-технической конференции (МНТК) «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2005); Международной конференции «NUCLEAR POWER AND ENVIRONMENT» (Варна, Болгария, 2006); 5-й МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2007); 6-й МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2009); 7-й МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2010); 7-й МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск, 2011); Научно-практической конференции (НПК) «Перспективы развития атомной энергетики в Республике Беларусь» (Минск, 2011); 11-й МНТК "Оптические методы исследования потоков" (Москва, 2011); Научно-техническом семинаре "Проблемы верификации и применения CFD-кодов в атомной энергетики" (Нижний Новгород, 2012).

Публикации. Результаты диссертации изложены в 28 печатных работах, включая 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ на полезную модель, 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.

Внедрение. Результаты работ внедрены в качестве проектных материалов и материалов обоснования безопасности проектов АЭС-2006 и MIR-1200, а также в рабочую документацию сооружаемых АЭС: Ленинградская АЭС (блоки № 1, 2); Балтийская АЭС (блоки № 1, 2); Белорусская АЭС (блоки № 1, 2); АЭС «Темелени» (блоки № 3, 4 - тендерное предложение).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 91 источник, и одного приложения. Она изложена на 157 страницах текста, имеет 62 рисунка и 35 таблиц. Общий объем диссертации - 198 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы её цели, приведён перечень результатов работы, вынесенных на защиту, обоснованы их научная новизна и достоверность.

В первой главе приведен обзор современных зарубежных и отечественных систем пассивного отвода тепла из контейнмента. Приведены требования к СПОТ 30 ЛАЭС-2, описаны ее основные конструктивные особенности (рис. 1).

Работа СПОТ ЗО основана на физических законах теплообмена и не требует внешних источников энергии, изменения состояния элементов схемы и действий оператора. Эффективность определяется интенсивностью теплообмена при конденсации пара из парогазовой среды на теплообменных поверхностях. В свою очередь, условия конденсации пара определяются характером свободноконвективных течений и распределением неконденсирующихся газов в объеме ЗО. Термодинамические параметры атмосферы при авариях с течами теплоносителя внутри ЗО АЭС с ВВЭР рассчитываются с помощью кода КУПОЛ-М и с помощью поддерживающих

трехмерных кодов. В процессе создания интегральных расчетных кодов важным моментов является выбор замыкающих соотношений для расчета коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи от парогазовой смеси к поверхности пленки конденсата на поверхности водоохлаждаемых теплообменников, расположенных в подкуполь-ном пространстве. В данной главе был выполнен обзор работ, посвященных исследованию теплообмена при свободной конвекции.

В интегральных кодах КУПОЛ-М, АНГАР для расчета процесса конденсации пара из смеси с неконденсирующимися газами используется тройная аналогия, которая при значительных величинах поперечного потока нарушается с учетом сте-фановского потока и имеет вид: aD(l — К1да) = а/рср . Центральным вопросом этих методик является определение конвективного коэффициента теплоотдачи. При сво-бодноконвективном течении среды у вертикальных обогреваемых и охлаждаемых поверхностей для обобщения опытных данных по теплоотдаче в области развитой турбулентности используется формула следующей структуры:

~NüL = c-Ral/3. (1)

Коэффициент "с" по данным из различных источников изменяется в диапазоне от 0,17 до 0,1. В работе указываются причины такого разброса опытных данных и обосновывается значение с = 0,1. Следует отметить, что в интегральных кодах эта формула используется с коэффициентом с = 0,13-Ю, 15. Для смешанного режима течения среднее значение коэффициента теплоотдачи рекомендуется определять по формуле:

^-м^Г+М'-сзгЛ- ®

Здесь ( ВдКР) = — условное значение высоты поверхности теплообмена,

на которой происходит переход от ламинарного свободноконвективного режима течения к турбулентному; ал L и äTL. Значение среднего коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме определяется по зависимости:

ШЛ1 = 0,54 ■ Ra^4. (3)

Условное значение критического значения числа Релея определяется из условия равенства выражений (1) и (3) в точке перехода и равно RaLKp = 6,15 ■ 10®.

Показано, что наряду с тройной аналогией, используемой в кодах, необходимо вводить поправку на искажение профилей скорости, температур и концентраций. Наиболее удобно для этого использовать теоретические решения Кутателадзе С.С. и Леонтьева А.И., Сполдинга Д.Б., Арефьева K.M., а именно:

g4i -Ylw) = fm (4)

D Yiw-Yy

где В =-— концентрационный параметр проницаемости, введенный Сполдин-

l-'l W

гом Д.Б., верхний индекс «-», указывает на среднее значение по высоте трубы или

пластины; NuD0, NuD - диффузионные значения чисел Нуссельта без учета поперечного потока и с его учетом, соответственно; Ylf = рх/Р - относительное парциальное давление пара в потоке; Ylw = рг/Р - относительное парциальное давление пара у стенки; Р - общее давление.

В процессе анализа литературных источников было установлено, что количество работ по исследованию конденсации пара из смеси с неконденсирующимися газами на внешней поверхности вертикальных труб (при свободноконвективном течении парогазовой смеси), проведенных на крупномасштабных стендах, по сравнению с конденсацией паров внутри труб относительно мало. Результаты этих исследований, как правило, обработаны в виде эмпирических зависимостей для среднего значения коэффициента теплоотдачи от объёмной или массовой доли неконденсирующегося газа в парогазовой смеси. Упрощения такого подхода не позволяют распространять их за пределы исследованной геометрии и диапазона режимных параметров и применительно к СПОТ ЗО не позволяют ответить на все вопросы.

На основе проведенного анализа сделаны выводы по учету влияния поперечного потока на интенсивность тепломассоотдачи. Отмечена необходимость введения в интегральный код поправки, учитывающей влияние поперечного потока на профили скорости, температуры и концентрации.

Учитывая то обстоятельство, что в натурных условиях работы СПОТ 30 масштабы подкупольного пространства и габариты теплообменника таковы, что числа Релея достигают величин порядка 1012, только крупномасштабные стенды позволяют получить опытные данные, необходимые для проведения валидации програм-ных продуктов и разработки расчетных рекомендаций, и обосновать натурную конструкцию.

С учетом вышесказанного в данной главе обоснована целесообразность модернизации стенда KMC для проведения экспериментальных исследований на интегральной модели с натурными параметрами среды и создания стенда СМК для исследования процессов естественной конвекции и тепломассопереноса внутри подкупольного пространства 30.

Кроме того для обоснования теплогидравлических характеристик теплообменника и контура охлаждения СПОТ 30 рекомендовано использовать стенд «СПОТ-ЗО» ОАО «ОКБМ Африкантов». Создание стенда «СПОТ-ЗО» и проведение экспериментов выполнялись по техническим заданиям, разработанным с участием автора. В состав модели контура охлаждения входит модель теплообменника-конденсатора (М 1:1).

Вторая глава содержит описание крупномасштабных теплофизических стендов (рис. 2 и 3) и методику проведения экспериментов, измерения параметров. В табл. 1 приведены основные характеристики защитной оболочки АЭС-2006 и стендов.

Рис. I. Размещение СПОТ ЗО в здании реактора ЛАЭС-2: I - т/о (16 шт.); 2 - ПГ; 3 - N ' реактор;4 разрыв; 5 - движение среды рис. 2. Стенд KMC

Для обоснования замыкающих соотношений по теплоотдаче при свободнокон-вективном течении воздуха внутри ЗО и валидации трехмерных кодов на базе ФГУП "ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова" был создан экспериментальный стенд СМК, который представляет собой модель (М 1:4 см. рис. 3,4 и табл. 1) подкуполь-ного пространства защитной оболочки Ленинградской АЭС-2.

Внутри оболочки по опорному кольцу расположены 16 теплообменников. Высота установки но верхнему коллектору составляет 8,3 м от основания купола, а суммарная площадь теплообменной поверхности составляет 224 м2 (с учетом коллекторов). По периметру основания стенда расположены электронагреватели (см. рис. 4). Эксперименты и численное моделирование течения на стенде СМК позволили установить характерные черты течения воздуха в объеме модели защитной оболочки и непосредственно у теплообменников.

Система экспериментальных измерений (СЭИ) стенда СМК включает в себя измерения температуры воздуха внутри модели ЗО (11 точек), температуры внутренней и наружной поверхности теплоизоляционного слоя модели 30 (8 точек), скорости потока воздуха под теплообменником (18 точек), температуры охлаждающей воды (27 точек), температуры воды внутри теплообменных трубок (24 точки), расхода охлаждающей воды (9 точек), давления в подводящем коллекторе (1 точка).

Для регистрации результатов экспериментов был использован измерительно-вычислительный комплекс «ТЕРМ». Метрологические характеристики ИВК «ТЕРМ» подтверждены результатами метрологической аттестации в НИТИ.

Рис. 3. Стенд СМК: 1 - купол; 2 - каркас нижней части купола; 3 - утеплитель 4-х слойный; 4 - ограждение теплоизолирующее; 5 - панели теплоизоляционные; 6 - каркас несущий

Рис. 4. Электрооборудование СМК: 1 рубильник; 2 - трансформаторы; 3 -электронагреватель; 4 - теплоизоляционный экран нагревателей; 5 - соединительные провода; 6 - теплоизоляция 30

Для обоснования работоспособности СПОТ 30 был использован экспериментальный стенд KMC (см. рис. 2), созданный на базе ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова». На этом стенде обеспечены физические процессы и диапазон режимных параметров, соответствующие натурному объекту (табл. 1).

Основной состав оборудования стенда включает в себя ЗО, систему пассивного отвода тепла из герметичной защитной оболочки, технологические системы подачи сред (воздух, пар, гелий) в ЗО.

Стенд KMC оборудован системой экспериментальных измерений (СЭИ), измерительно-управляющим вычислительным комплексом ИВК-У-КМС, а также системой автоматизированного газового контроля среды контейнмента KMC (САГК1 и САГК2). СЭИ стенда разделено на две части: СЭИ гермообъема и защитной оболочки и СЭИ модели СПОТ ЗО.

СЭИ гермообъема и защитной оболочки включает в себя датчики измерений температуры среды в модели 30 (105 точек); температуры окружающей среды (14 точек); температуры внутренних поверхностей модели 30 (24 точки); температуры внешних поверхностей модели ЗО (30 точек); давления, перепада давления (5 то-

чек); теплового потока на внешней поверхности ЗО (27 точек); температуры пара на выходе из паропровода (2 точки); расхода среды (пара, воздуха, гелия) (6 точек).

СЭИ модели СПОТ 30 включает в себя датчики измерений температуры внешней поверхности трубок ТО (34 точки); температуры теплоносителя (40 то-чек);расхода теплоносителя и конденсата (7 точек); избыточного давления, перепада давления (6 точек).

Система автоматизированного газового контроля включает 34 точки отбора газовых проб.

Метрологические характеристики измерительного оборудования стенда подтверждены результатами метрологической аттестации в НИТИ.

Таблица 1. Характеристики защитной оболочки АЭС-2006 и стендов

Параметр АЭС-2006 KMC Масштаб СМК Масштаб

Высота, м 67 28,9 1:2,3 12 -

Внутренний диаметр, м 44 12,0 =1:4 12 =1:4

Суммарный объем, м"' 76700 1830 =1:40 -

Объем над кольцевым зазором, м3 48622 769 1:63 1130 1:43

Нижний объем, м' 28078 1069 1:26 - -

Площадь прямых участков труб теплообменника, м2 1200 32,6 1:21,8 176 1:6,8

Объем над кольцевым зазором, деленный на площадь теплообменника 40,5 23,6 1:1,72 6,42 1:6,3

Высота от щели до теплообменника, м 22,8 4,3 1:5,3 5,8 1:4

Высота теплообменника, м 5,0 1,70 1:2,94 2,5 1:2

Мощность системы, МВт 24 0,570 =1:40 0,14 1:160

В третьей главе приведено описание экспериментальных данных, полученных на крупномасштабных стендах СМК и KMC.

На стенде СМК проведены эксперименты, целью которых являлась верификация зависимостей, используемых для расчета теплоотдачи на теплообменниках СПОТ ЗО в отсутствии конденсации пара на их поверхностях.

Получены стационарные значения параметров среды под оболочкой при циркуляции охлаждающей воды в теплообменниках. Мощность электронагревателей в экспериментах задавалась в диапазоне 130-140 кВт.

Основные результаты экспериментов:

1. Время выхода на стационарное состояние для подведенной мощности составило примерно 2 часа. В это время наблюдался монотонный рост температур как воздуха в подоболочечном пространства, так и воды в элементах циркуляционного контура.

2. После выхода на стационарное состояние подогрев теплоносителя в теплообменниках составлял величину 21-^-25 °С. Установленные по высоте тепло-обменных трубок термопары зарегистрировали равномерный подогрев воды, текущей в трубке. Также наблюдается небольшой подогрев воды (примерно 2 °С) при ее движении внутри раздаточного коллектора.

3. Общая характеристика циркуляции в оболочке характеризуется восходящим горячим потоком воздуха от электрического нагревателя к теплообменнику и нисходящим потоком охлажденного воздуха от теплообменника. Более высокий уровень температуры, регистрированный термопарой, расположенной внутри купола у стены на высоте 1,5 м (Рис. 5), свидетельствует о смещении восходящего горячего потока к стене. Пульсации, зарегистрированные системой измерения скорости, свидетельствуют о существовании крупномасштабных турбулентных вихрей. Вертикальная скорость течения под теплообменником СМК достигала 1,2 м/с.

! ^

.'/г ' 2

3.5 4 45 2 „3 4

Время, час Время, час

Рис. 5.- Температура под ЗО и температу- Рис. 6. - Мощность, 1 - на электронагревате-

ра в т/о, 1 —у стены на высоте 1,5 м, ле, 2 — отведенная на теплообменник 2,3,4,5,6 -на высоте 2, 4,6,8,10 м, соответственно, 7,8 -на выходе и входе т/о.

4. По результатам проведенных экспериментов оценен уровень тепловых потерь. Сопоставление рассчитанной по тепловому балансу мощности теплообменника и подведенной электрической мощности к оболочке (Рис.6) показывает, что тепловые потери оболочки находились на уровне 10 кВт).

На стенде KMC был проведен ряд экспериментов по исследованию работы теплообменников-конденсаторов СПОТ 30 в условиях параметров среды, близких к расчетным параметрам при авариях в контейнменте ЛАЭС-2.

Методика проведения экспериментов обеспечивает достижение стационарных граничных условий в парогазовой среде контейнменга и в контуре принудительной циркуляции теплоносителя СПОТ 30 при разных условиях давления парогазовой среды и скорости циркуляции теплоносителя в теплообменниках-конденсаторах.

В таблице 2 приведены основные теплогидравлические параметры экспериментов, проведенных при испытаниях модели СПОТ ЗО на стенде KMC за 2008 г., 2011 г. и 2012 г.

Для каждого стационарного состояния определялись значения мощности секций теплообменников-конденсаторов на основе измерений величины расхода и подогрева теплоносителя в них.

Таблица 2. - Параметры основных экспериментов на стенде KMC.

№ ■среды ЗО, т 1 срслы ЗО, Твх, СПОТ G еп от, Q слот, С газа К,

эксн-та кПа °с °с м'/ч кВт % кВт/(м2х°С)

1 274 1 12 100 56 114 44 324

2 360 126 100 56 354 35 356

3 400 131 100 90 563 31 455

4 371 120 100 56 271 46,4 346

5 374 122 100 56 316 44 326

6 489 135 100 56 589 36 443

7 468 133 78 30 682 37 282

8 362 120 78 30 441 45 279

9 240 98 76 30 173 61 179

10 263 101 77 30 191 60 181

11 285 103 78,5 30 195 60 181

12 349 115.5 80,5 30 334 51 217

13 362 117.5 77 30 397 49 223

14 466 131 78 30 622 40 266

На рисунке 7 и в таблице 3, в качестве примера, приведены результаты характерных экспериментальных данных для режима со стационарным состоянием -среднее давление парогазовой среды 489±2 кПа, температура воды на входе в СПОТЗО 100"С.

-ц 1500

ч о

X 1000 CJ

а

о.

—1

«

а Ю5 н

S

си

Н

1 - TFACl_2_IN2a

2 - TFACl 2 OUT2a

~l--1—I—I—Г

5 10

Рис. 7 - а) Расход пара, подаваемого в ЗО; б) Абсолютное давление парогазовой среды 30; в) температура воды на входе (1) и выходе (2) секции №1 т/о СГТОТ ЗО.

Таблица 3. - Производительность т/о СПОТ ЗО при температуре охлаждения 100 °С и давлении среды в ЗО 489 кПа

Обозначение Тепловая мощность секции СПОТ ЗО, кВт Тепловая мощность СПОТ ЗО, кВт Тепловая мощность подаваемого пара в ЗО, кВт Тепловые потери, кВт

Секция № 1 150 589 710 121

Секция №2 146

Секция №3 149

Секция №4 144

Среднее знач. 147±3

Проведенные на стенде KMC крупномасштабные исследования подтвердили работоспособность СПОТ ЗО и позволили получить данные, необходимые для верификации расчетных кодов, применяемых при моделировании процессов отвода тепла из гермообъема с помощью теплообменников-конденсаторов и процессов гепломассопереноса внутри 30.

В четвёртой главе представлены результаты расчетных исследований проведенных экспериментов и натурного объекта.

Термодинамические параметры среды при авариях с течами теплоносителя внутри защитной оболочки АЭС с ВВЭР рассчитывались с помощью кода КУПОЛ-М с уточненными замыкающими соотношениями.

Уточнение замыкающих соотношений проведено на основе численного моделирования свободной конвекции у вертикальных пластин и цилиндров и сравнения их с опытными данными, полученными Тсюжи и Нагано (для пластины), и с опытными данными Клаузинга (вертикальный цилиндр). Установлено, что для области развитой турбулентности при свободноконвективном течении около вертикальной плоской поверхности (при Д£ < 30°С) для расчета теплоотдачи при турбулентном режиме справедлива формула (1), где коэффициент с = 0,1.

Значения по средней теплоотдаче, полученные в результате численного моделирования свободной конвекции воздуха и азота относительно вертикальных груб обобщаются зависимостью:

«"сад = {0,3164 ■ (RaL)1/6 + 0,6(L/d)1/2}2. (5)

Эта формула с приемлемой точностью справедлива как в ламинарной, так турбулентной областях не только для труб, но и для плоских вертикальных пластин (при d -* оо эта формула переходит в зависимость (1) с коэффициентом с=0,1).

Сравнение результатов расчетов по коду КУПОЛ-М с уточняющей зависимостью (5) подтвердили справедливость применения соотношений (4) и (5). Для детального анализа данных и понимания определяющих их процессов использовалось численное моделирование тепломассопереноса с помощью трехмерных гидродинамических кодов. Для этого в настоящей работе применялся специализированный контейнментный код ПГС-ТК и коммерческий код STAR-CD, позволяющие рассчитывать турбулентные течения сжимаемой многокомпонентной смеси. Коды основаны на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений гидродинамики, для замыкания используется полуэмпирическая низкорейнольдсовая к — е модель турбулентности (Lien, F.S., Chen, W.L., and Leschziner, M.A. Low-Reynolds-Number Eddy-Viscosity Modelling Based on Non-Linear Stress-Strain/Vorticity Relations. Proc. 3rd Symp. on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, Crete, Greece. 1996.), которая, как показали результаты тестовых расчетов, позволяет получить достаточно надежные результаты для рассматриваемых условий. В кодах реализована

модель поверхностной конденсации, включающая расчет тепломассообмена на поверхности пленки и течения пленки по трубам теплообменника-конденсатора. Эти коды были тщательно верифицированы на большом числе тестовых задач, для которых имеются известные решения или надежные экспериментальные данные.

Рис. 8. Рассчитанные по трехмерному коду (линии) и измеренные (символы) вертикальные скорости течения под теплообменником СМК на высотах 5,24 м (1, 2 и 7), 4,44 м (3, 4 и 8) и 3,44 м (5, б и 9)

Сравнение результатов экспериментального и численного моделирования на стенде СМК позволили установить характерные черты течения воздуха в объеме модели защитной оболочки и непосредственно у теплообменников.

Общая картина течения состоит в сложном взаимодействии восходящей струи, образующейся над нагревателем и распространяющейся вдоль стенки оболочки, и стекающей вниз с теплообменников холодной воздушной струи (рис. 8).

Из рисунка 8 видно, что результаты измеренных вертикальных компонент скорости удовлетворительно согласуются с рассчитанными величинами.

В таблице 4 приведены основные величины, полученные в процессе экспериментов на стенде СМК.

Таблица 4. - Параметры экспериментов на СМК

Вариант т °г 1 ВОДЫ; кВт Потери, % ^вну» °с Оконв °с М = ^впу" °с

Т1 19 Т„=Т„ (V), 11...24 135 5 69,2 106,19 21,9 48,8

Т2 20 00. 1.5...19.5 133 10 61,5 99,11 14,6 46,16

Сравнение средних значений коэффициентов теплоотдачи, полученных в расчетах, с опытными данными приведены в таблице 5. Из рассмотрения этой таблицы видно, что результаты расчета (<2Т) достаточно хорошо согласуются с коэффициентом теплоотдачи (акшш,опыт. д), полученном при обработке опытных данных .

Таблица 5. - Сравнение результатов расчетов в полной трехмерной постановке с опытными данными _ ______

Вариант Q, кВт т 1 средний' °с а г, Вт/м2/ К Nu Ra ¿¿КОПВ1 опыт. д. Вт/м2/ к

Т1 135 69.2 10.6 950 5.3-101 0 10,02

Т2 133 61.5 10.6 1020 6.2-10' 0 9,43

Были выполнены расчеты конвекции в защитной оболочке АЭС и на стенде KMC. Теплообменники моделировали участками вертикальных поверхностей эквивалентной площади. Расчеты течения среды в KMC выполнены с полным описанием всех помещений внутри защитной оболочки и моделированием теплообменников участками вертикальных поверхностей и детальным описанием отдельного теплообменника (или его фрагмента), помещенного в сектор подкупольного пространства.

Приведенные на рис. 9 результаты показывают сложную картину распространения парогазовой среды (ПГС) внутри защитной оболочки. На рис. 10 показано течение около теплообменника стенда KMC и натурного теплообменника. Это течение характеризуется сильной неоднородностью и зависит как от конфигурации теплообменника, так и от внешних условий.

Таблица 6. Результаты экспериментов на стенде KMC и расчетного моделирования с помощью кода КУПОЛ-М для бинарной смеси

№ экс. Секции теплообменников, ф 1 Р, кПа т,°с Qto, кВт QcyM, кВт к, Вт/(м2К)

Эксперимент

4 Секция №1 , ср = 0" Секция №2, ф = 90° Секция №3,ф= 180° Секция №4, ф = 270° 371±2 120±2 68.0±3.3 77.0±3.3 53.3±3.3 72.7±3.3 271±27

Расчет

4 Секция №1 , ф = 0" Секция №2, ф = 90° Секция №3,ф= 180° Секция №4, ф = 270° 374 117,4 74,6 78,3 73,9 77,2 304 373 369 370 369,8

*' <р - угловая координата расположения теплообменников (по часовой стрелке)

В таблицах 6 и 7 приведены сопоставления результатов экспериментов на стенде KMC и расчетного моделирования с помощью кодов КУПОЛ-М, ПГС-ТК, STAR-CD. Соответствие расчетных и экспериментальных данных вполне удовлетворительно. Сравнение с данными, приведенными в таблице 6 и 7, показывает, что расчетные результаты, полученные с помощью разных кодов и в разных постановках, согласуются между собой. Превышение рассчитанной мощности над полученной в эксперименте, связано с неопределенностью учета тепловых потерь.

Таблица 7. Сопоставление результатов расчетного моделирования по кодам ПГС-ТК и STAR-CD

№ экс п. Секции теплообменников Р30, кПа Т30, "С QT0, кВт Qcym, кВт к, Вт/(м"К)

Код ПГС-ТК

4 Секция №1 , ф = 0и Секция №2, <р = 90° Секция №3, ф= 180° Секция №4, ф = 270° 352 117.5 76 71 80 74 301 380 340 410 360

Код STAR-CD

4 Секция № 1 , ф = 0" Секция №2, <р = 90° Секция №3, ф= 180° Секция №4, <р = 270° 370 119.9 74 78 79 79 310 320 330 350 330

Сектор с теплообменником в виде участка поверхности

370 120.3 78 - 330

Сектор с реальным теплообменником

370 121.1 75 - 310

Рис. 9. Течение в помещениях стенда KMC (а) и 30 Ленинградской АЭС-2 (б)

Рис. 10. Течение около теплообменника стенда KMC (а) и теплообменника Ленинградской АЭС-2 (б)

На стенде KMC также было исследовано распространение легкого газа (гелия) по помещениям стенда и его влияние на тепломассоперенос. В табл. 8 в качестве примера приведено сопоставление результатов эксперимента на стенде KMC и расчетного моделирования по коду КУПОЛ-М для тернарной смеси.

В экспериментах было обнаружено хорошее перемешивание среды в помещениях герметичного объема при работе системы пассивного отвода тепла вне зависимости от места подачи гелия.

Таблица 8. Сопоставление результатов экспериментов на стенде KMC и расчетного моделирования по коду КУПОЛ-М для тернарной смеси

№ Секции теплообмен- Р, т, Концентр. Qto, QcyM)

эк ников кПа °С Не, % об. кВт кВт

СП.

Эксперимент

9 Секция №1 ,<р = 0° 240 98 0,15 43,6 173

Секция №2, ф = 90° 42,8

Секция №3, ф = 180° 44,5

Секция №4, ф = 270° 41,7

Расчет

9 Секция №1 , ф = 0" 235 92 0,16 39,5 159

Секция №2, ф = 90° 39,5

Секция №3, ф = 180° 39,8

Секция №4, ф = 270° 39,8

В данной главе с учетом полученных рекомендаций выполнен расчетный анализ натурного объекта СПОТ 30.

Некоторое представление о характере течения среды в объеме защитной оболочки и вблизи теплообменников можно сделать из рассмотрения рис. 9 б и 10 6.

Показано соответствие характеристик СПОТ 30 функциональным требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате выполненного анализа методик расчета конденсации водяного пара из парогазовой среды при свободной конвекции у вертикальных пластин и труб, а также анализа моделей для расчета конденсации пара, используемых в контейнментных кодах, выявлена необходимость валидации и верификации кода КУПОЛ-М и CFD кодов, применяемых для обоснования пассивной системы отвода тепла от защитной оболочки АЭС с ВВЭР (ПГС-ТК, STAR-CD).

2. Создана экспериментальная установки для исследования естественной конвекции и теплоотдачи от газовой среды к теплообменникам системы СПОТ 30 на модели подкупольного пространства защитной оболочки (стенд СМК), разработаны методики измерений и проведения экспериментов.

3. Разработаны требования по модернизации стенда KMC в г. Сосновый Бор для экспериментального исследования процессов тепломассопереноса внутри защитной оболочки и интенсивности конденсации пара на теплообменниках системы СПОТ ЗО, разработаны требования к системе измерений и методика проведения экспериментов.

4. В результате выполненных экспериментальных исследований на стендах СМК и KMC получены данные для валидации интегральных контейнментных кодов и CFD кодов.

5. По результатам сопоставления экспериментальных и расчетных данных, а также результатам численных экспериментов, выработаны рекомендации по корректировке замыкающих соотношений кода КУПОЛ-М, предназначенных для расчета конденсации пара в условиях естественной и смешанной конвекции.

6. Полученные с использованием верифицированных кодов результаты численного моделирований позволили надежно обосновать работоспособность натурного СПОТ 30.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Ведущие рецензируемые научные журналы из перечня ВАК:

1 Ефанов А.Д. Верификация кода КУПОЛ-М по результаттам экспериментов / А.Д. Ефанов, A.A. Лукьянов, С.Е. Семашко [и др.] // Теплоэнергетика. 2004. № 2. С. 12-16.

2. Онуфриенко C.B. Особенности концепции безопасности проекта АЭС-2006 на площадке ЛАЭС-2 / C.B. Онуфриенко, В.В. Безлепкин, С.Е. Семашко [и др.] // Тяжелое машиностроение. 2008. № 2. С. 6-10.

3. Бахметьев А.М. Экспериментальное обоснование контура охлаждения СПОТ 30 проекта АЭС-2006 для ЛАЭС-2 / А.М. Бахметьев, М.А. Большухин, С.Е. Семашко [и др.] // Атомная энергия. 2009. Том 106. Вып. 3. С. 148-152.

4. Семашко С.Е. Расчетно-экспериментальное моделирование процессов в защитной оболочке при наличии пассивного конденсатора в системе пассивного отвода тепла./ С.Е. Семашко, В.В. Безлепкин, М.А. Затевахин [и др.] // Атомная энергия. 2010. Том 108. Вып.

5. С. 308-312.

5. Безлепкин В.В. Расчетно-экспериментальное обоснование системы пассивного отвода тепла из защитной оболочки АЭС с ВВЭР-1200./ В.В. Безлепкин, М.А.Затевахин, С.Е. Семашко [и др.] // Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 183-189.

6. Безлепкин В.В. Экспериментальное исследование системы отвода тепла из защитной оболочки на СМК./ В.В. Безлепкин, М.А.Затевахин, О.П. Кректунов , Семашко С.Е. [и др.] //Атомная энергия. . 2013. Том 115. Вып. 4. С. 197-200.

7. Зайцев Д.К. Численное моделирование течения парогазовой смеси в защитной оболочке АЭС с ВВЭР при пассивном отводе тепла./ Д.К.Зайцев, Е.М.Смирнов, А.А Смирновский, С.Е. Семашко [и др.]// Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 205-211.

8. Василенко В.А. Значение и место крупномасштабного стенда КМС в решении проблем безопасности АЭС с ВВЭР./ В.А.Василенко, Ю.А.Мигров, В.В. Безлепкин, С.Е. Семашко [и др.] // Атомная энергия. 2013. Том 115. Вып. 4. С. 189-192.

9. Василенко В.А. Стенд КМС - крупномасштабная модель защитной оболочки АЭС с ВВЭР./ В.А.Василенко, Ю.А.Мигров, В.В. Безлепкин, С.Е. Семашко [и др.] // Атомная энергия. . 2013. Том 115. Вып. 4. С. 192-196.

10. Безлепкин В.В. Исследование теплоотдачи при свободной конвекции применительно к замыкающим соотношениям для расчетных кодов./ В.В.Безлепкин, М.А., О.П.Кректунов, С.Е. Семашко [и др.] // Атомная энергия. .2013. Том 115. Вып. 4. С. 201-205.

Патенты и свидетельства

11. Пат. 85029 Российская Федерация. Система пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки / Безлепкин В.В., Семашко С.Е. [и др.].- № 2009108307/22; за-явл. 26.02.2009; опубл. 20.07.2009, Бюл. № 20.

12. Пат. 96283 Российская Федерация. Система пассивного отвода тепла через парогенератор/ Безлепкин В.В.,Семашко С.Е. [идр.].0- № 2010110445/22, заявл. 16.03.2010; опубл. 20.07.2010, Бюл.№20.

13. Пат. 100328 Российская Федерация. Система пассивного отвода тепла от теплообменника устройства локализации расплава./ Семашко С.Е. [и др.].- № 2010124317/07, заявл. 17.06.2010; опубл.10.12.2010, Бюл.№ 34.

14. Программа для ЭВМ SPAS AEP. Свидетельство №2007612790, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 15.06.2007.

15. Программа для ЭВМ СОКРАТ-В1/В2. Свидетельство №2010610562, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.01.2010.

Статьи в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в сборниках научных трудов:

16. Защитная оболочка как барьер безопасности АЭС. / Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Молчанов A.B., Семашко С.Е., Ефанов А.Д.// Сб. трудов. Расчетные и экспериментальные исследования тепломассопереноса в защитной оболочке при тяжелой аварии на АЭС с ВВЭР. Часть 1. Обнинск -1995.

17. Верификационные исследования в обоснование системы пассивного отвода тепла от гермооболочки./ Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Солодовников A.C., Илюхин Ю.Н., Семашко C.E., Светлов C.B. //Сб. трудов. Процессы тепломассообмена и гидродинамики в системах безопасности АЭС с ВВЭР-640.С.-Петербург: АООТ «НПО ЦКТИ». 1997.С.42-60

18. Обоснование конструктивных и технологических решений, применяемых в пассивной системе отвода тепла от гермооболочки./ Кухтевич И.В., Безлепкин В.В., Солодовников A.C., Молчанов A.B., Семашко С.Е. //Сб. трудов. Процессы тепломассообмена и гидродинамики в системах безопасности АЭС с ВВЭР-640. С.-Петербург: АООТ «НПО ЦКТИ». 1997. С. 60-64.

19. Применение пассивных систем безопасности в проекте АЭС 91/99М. / Алексеев С.Б., Безлепкин В.В., Молчанов A.B., Светлов C.B., Семашко С.Е. . [и др.] // Сб. тезисов. 4-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск. 2005. С.92.

20. Passive Heat Removal System for Reactor Plant of New Generation VVER-640. Design and Experimental Justification./ V.V. Bezlepkin, S.V. Svetlov, S.B. Alexeev, V.O. Kuhtevich, S.E. Semashko, V.G. Sidorov. // Proceedings of Conference ICAPP '03 Córdoba, Spain, May 47, 2003. Paper 3154.

21. Experience Gained in Best-Estimate Codes Use for Safety Assurance of NPP with VVER./V. Bezlepkin, I. Ivkov, V. Kuhtevich, S. Svetlov, S. Semashko, V. Sidorov.// International Nuclear Forum «NUCLEAR POWER AND ENVIRONMENT»,organized by Bulgarian Atomic Forum, 2-4 June 2006, Varna

22. Бахметьев A.M. Задачи расчетно-экспериментального обоснования СПОТ ЗО для АЭС нового поколения. / Бахметьев A.M., Большухин М.А., Безлепкин В.В., Семашко С.Е. [и др.] // Сб. тезисов. 5-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск. 2007. С.54.

23. Безлепкин В.В. Расчетные анализы процессов в защитной оболочке KMC при моделировании аварий типа LOCA с отводом тепла пассивными конденсаторами. / Безлепкин В.В., Семашко С.Е. [и др.] // Сб. тезисов. 6-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск. 2009. С.42.

24. Мигров Ю.А. Экспериментальные исследования внутриконтейнментных процессов и пассивных систем безопасности проекта АЭС-2006 на стенде KMC. / Мигров Ю.А., Засуха В.К., Гошков А.И., Безлепкин В.В., Семашко С.Е., Ивков И.М. // Сб. тезисов. 6-я МНТК "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск. 2009. С.62.

25. Безлепкин В.В. Расчетно-экспериментальное моделирование процессов в контейн-менте при наличии пассивной системы СПОТ ЗО. / Безлепкин В.В., Затевахин М.А., Семашко С.Е., Симакова О.И., Ивков И.М.// 7-я МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». ОАО «Концерн Росэнергоатом».Москва. 26-27 мая 2010.

26. Семашко С.Е. Особенности концепции безопасности проекта АЭС-2006 на площадке ЛАЭС-2./Семашко С.Е.// III Международная специализированная выставка «Атомэкспо-Беларусь-2011». Научно-практическая конференция «Перспективы развития атомной энергетики в Республике Беларусь». Минск. 2-4 марта 2011.

27. Безлепкин В.В. Применение многоточечной системы ЛДА при экспериментальном исследовании системы отвода тепла из контейнмента. / Безлепкин В.В., Затевахин М.А., Семашко С.Е. [и др.]//CD-DISK: 11-й M1ITK "Оптические методы исследования потоков ". Москва. 2011.С.32.

28. Затевахин М.А. Верификация и валидация CFD- кодов на задачах свободноконвек-тивного теплообмена и поверхностной конденсации. / Затевахин М.А., Безлепкин В.В., Семашко С.Е.[и др.] // CD-DISK: Труды научно-технического семинара "Проблемы верификации и применения CFD - кодов в атомной энергетики ". Нижний Новгород. 19-20 сентября 2012.

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11278Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Государственное образовательное учреиедение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201450340

СЕМАШКО Сергей Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ ОБЪЕМА ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АЭС С ВВЭР

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ-доктор технических наук, БЕЗЛЕПКИН В.В.

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение .....................................................................................................................................4

1 Основные процессы, определяющие эффективность работы теплообменников СЛОТ ЗО. Анализ результатов исследований и состояние проблемы..........................7

1.1 Описание объектов исследований.......................................................................................7

1.1.1 Требования к СЛОТ 30 АЭС с ВВЭР ............................................................................9

1.1.2 Описание пассивных систем охлаждения защитных оболочек легководных реакторных установок АЭС.....................................................................................................11

1.1.3 Принципы и структура построения СПОТ 30 ЛАЭС-2..............................................15

1.2 Закономерности диффузионной конденсации паров из парогазовых смесей. Коэффициенты массо- и теплообмена....................................................................................20

1.3 Анализ работ по теплоотдаче при свободной конвекции у вертикальных пластин и труб.............................................................................................................................................24

1.4 Описание математических моделей, применяемых в расчетных кодах......................28

1.4.1 Модель с сосредоточенными параметрами. Расчетный код КУПОЛ-М...................28

1.4.2 Модель с распределенными параметрами. Расчетные коды ПГС-ТК и STAR-CD....32

1.5 Основные требования для выбора крупномасштабных стендов...................................37

1.6 Выводы по главе 1..............................................................................................................44

2 Экспериментальные исследования СПОТ ЗО...............................................................45

2.1 Описание экспериментальных стендов............................................................................45

2.1.1 Описание экспериментального стенда KMC................................................................46

2.1.2 Описание экспериментального стенда СМК................................................................51

2.2 Методика экспериментальных исследований..................................................................55

2.2.1 Система экспериментальных измерений и методика исследований на KMC..........55

2.2.2 Средства измерения и методика экспериментальных исследований на СМК..........80

3 Результаты экспериментальных исследований на крупномасштабных стендах ..91

3.1 Анализ экспериментальных исследований на СМК.......................................................91

3.2 Анализ экспериментальных исследований на KMC.....................................................101

4 Результаты расчетных исследований проведенных экспериментов и натурного объекта....................................................................................................................................119

4.1 Уточнение замыкающих соотношений по теплоотдаче при свободной конвекции у вертикальных пластин и труб в коде КУПОЛ-М на основе прямых численных

экспериментов.........................................................................................................................119

4.1.1 Свободноконвективный теплообмен на вертикальной плоской пластине: сравнение с экспериментом.....................................................................................................................120

4.1.2 Свободноконвективный теплообмен на цилиндре: сравнение с

корреляцией Бейли................................................................................................................125

4.2 Сравнение результатов расчетов с опытными данными, полученными на интегральных стендах............................................................................................................130

4.2.1 Сравнение результатов расчетов по коду КУПОЛ-М и CFD кодам с результатами экспериментов на стенде СМК..............................................................................................130

4.2.2 Сравнение результатов численного моделирования с опытными данными, полученными на стенде KMC................................................................................................132

4.3 Обобщение результатов опытных данных, полученных на интегральных стендах.............140

4.4 Численное моделирование работы натурной системы СПОТ 30...............................144

Заключение.............................................................................................................................151

Список основных сокращений .............................................................................................152

Список использованных источников...................................................................................153

Приложение А. Дополнительная информация для верификации кодов..........................158

ВВЕДЕНИЕ

В новых проектах АЭС с ВВЭР существенное внимание уделяется управлению за-проектными авариями (ЗПА). Для защиты от превышения допустимого давления внутри защитной оболочки (30) здания реактора спроектирована система пассивного отвода тепла (СПОТ) из 30. Основным преимуществом таких систем является отсутствие зависимости их функционирования от наличия источников электроснабжения. СПОТ 30 предназначена для длительного отвода тепла из объема 30 к конечному поглотителю посредством теплообменников-конденсаторов, расположенных в подкупольном пространстве 30 при авариях, связанных с течами теплоносителя из элементов реакторной установки внутри 30.

Эффективность работы СПОТ 30 в значительной мере определяется интенсивностью теплообмена при конденсации пара из парогазовой среды на теплообменных поверхностях. В свою очередь, условия конденсации пара, в основном, определяются характером конвективных течений и распределением неконденсирующихся газов в гермо-объеме 30.

Для расчетного обоснования этой системы были использованы коды в сосредоточенных параметрах, такие как КУПОЛ-М, и трехмерные гидродинамические коды, такие как ПГС-ТК (парогазовая смесь - тепломассообмен и конденсация), STAR-CD. В настоящее время эти коды проходят этап тестирования и верификации применяемых методик и замыкающих соотношений при моделировании процессов тепломассоперено-са в контейнментах АЭС с ВВЭР с учетом функционирования СПОТ 30.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью расчетного и экспериментального обоснования работоспособности и эффективности СПОТ 30 проекта АЭС-2006.

Общей целью работы являлось обоснование работоспособности и тепловой эффективности СПОТ 30 проекта АЭС-2006 во всех предполагаемых режимах работы этой системы. Исходя из общей цели, в работе решались следующие задачи:

- проведение комплексного анализа литературных источников, посвященных теплоотдаче и массообмену при свободной и смешанной конвекции у вертикальных обогреваемых пластин и труб;

- экспериментальное исследование теплоотдачи к трубам модельных теплообменников при свободноконвективном течении воздуха в модели подкупольного пространства на стенде СМК (ФГУП "ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова", масштаб 1:4);

- экспериментальное исследование тепломассообмена при конденсации водяного пара на поверхностях модельных теплообменников СПОТ 30 и процессов тепломассо-переноса внутри модели защитной оболочки на крупномасштабном стенде (KMC), (ФГУП «НИТИ им. А.П.Александрова»);

- выработка рекомендаций по выбору зависимостей для расчета поверхностной конденсации пара на вертикальных поверхностях в условиях свободной конвекции;

- валидация компьютерного кода КУПОЛ-М и CFD кодов на полученных экспериментальных данных;

- выполнение расчетного обоснования работоспособности натурного СПОТ 30.

Научная новизна работы обусловлена следующим:

- разработаны рекомендации по расчету коэффициентов теплоотдачи и массоотда-чи при свободной и смешанной конвекции на вертикальных трубах и пластинах, которые позволили уточнить замыкающие соотношения кода в сосредоточенных параметрах КУПОЛ-М;

- экспериментально исследованы тепломассообмен при свободноконвективном течении сред в подоболочечных пространствах моделей геометрически подобных теплообменников-конденсаторов СПОТ 30 (стенды KMC и СМК);

- проведена валидация специализированного контейнментного кода ПГС-ТК и кода STAR-CD на экспериментальных данных, полученных на стендах KMC, СМК и «СПОТ-ЗО», а также на задачах, в которых реализуются основные процессы, характерные для рассматриваемого случая;

- проведены трехмерные расчеты течения среды в гермообъеме защитной оболочки и конденсации пара из тернарной смеси (пар, воздух, водород) на поверхности теплообменников натурного СПОТ 30.

Достоверность научных положений основывается на следующем:

- эксперименты выполнены на трех крупномасштабных моделях теплообменников-конденсаторов СПОТ 30. Эксперименты выполнены в диапазоне режимных параметров сред внутри 30, охватывающем диапазон этих параметров на всех стадиях протекания аварийных условий;

- предлагаемые выводы и соотношения базируются на результатах экспериментов, проведенных как автором, так и другими исследователями;

- в исследованиях использованы современные средства измерения; выполнен анализ погрешности; предложенные физические модели и соотношения согласуются с современными представлениями о процессах теплообмена;

- выполнена кросс-верификация различных кодов и проведен анализ их чувствительности.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что проведенные исследования позволили обосновать работоспособность СПОТ 30 проекта АЭС-2006, проверить новые инженерные решения, используемые в пассивных системах, получить новые данные для валидации расчетных кодов.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при создании других новых конструкций, например, для расчета температурного режима бассейна выдержки отработанного топлива с системой пассивного отвода тепла АЭС БН-1200.

Созданные крупномасштабные стенды будут включены в матрицы валидации и являются базовыми экспериментальными стендами для исследования процессов тепломассообмена в СПОТ 30. Полученные экспериментальные данные позволят организа-

ции-заявителю расширить область применения расчетных кодов при аттестации в Ро-стехнадзоре России.

Основные этапы экспериментальных работ выполнялись по взаимосогласованным техническим заданиям совместно с ведущими организациями в отечественной атомной энергетике: ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова», ОАО «ОКБМ Африкантов» и др.

Личный вклад автора. Автор участвовал в разработке крупномасштабных стендов СМК, «СПОТ-ЗО» и модернизации стенда KMC, разработке методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.

Участие в проведении валидации кодов ПГС-ТК, STAR-CD на тестовых опытных данных по свободной конвекции на вертикальных пластинах и трубах (включая влияние поперечного потока массы при конденсации пара из парогазовой смеси) и на опытных данных, полученных на стендах СМК, KMC и «СПОТ-ЗО».

Автором проведено сопоставление опытных данных и обобщающих зависимостей по теплоотдаче при турбулентной свободной конвекции на вертикальных обогреваемых пластинах и трубах и разработаны рекомендации по уточнению замыкающих соотношений кода в сосредоточенных параметрах КУПОЛ-М.

Расчетное исследование работоспособности натурного объекта (СПОТ 30). Выбор режимных параметров характерных для функционирования СПОТ 30.

Разработка рекомендаций по размещению теплообменников-конденсаторов во внутреннем объеме 30, выбору их конструктивных параметров и определение тепловой мощности СПОТ.

Внедрение. Результаты работ внедрены в качестве проектных материалов и материалов обоснования безопасности проектов АЭС-2006 и MIR-1200, а также в рабочую документацию сооружаемых АЭС: Ленинградская АЭС (блоки № 1, 2); Балтийская АЭС (блоки № 1,2); Белорусская АЭС (блоки № 1, 2); АЭС «Темелин» (блоки № 3, 4 - тендерное предложение).

Публикации. Результаты диссертации изложены в 28 печатных работах, включая 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ на полезную модель [81-83], 2 авторских свидетельства на программы для ЭВМ.

1 ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННИКОВ СПОТ ЗО. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Описание объектов исследований

В концепции безопасности современных атомных станций используется принцип «защиты в глубину», который предполагает наличие глубокоэшелонированной защиты от распространения радиоактивности за пределы АЭС. Для удержания радиоактивного материала на АЭС с водоохлаждаемыми реакторами устанавливается четыре последовательных барьера: топливная матрица, оболочка твэлов, граница контура теплоносителя, защитная оболочка (контейнмент). Некоторые реакторные установки (РУ) не имеют 30, но используют систему герметичных помещений неполного давления (конфайнмент). Являясь последним барьером на пути распространения радиоактивных продуктов деления в окружающую среду, контейнмент/конфайнмент удерживает радиоактивные выбросы, а также выполняет функции радиационной защиты персонала от облучения.

Целостность защитной оболочки реакторной установки должна быть сохранена путем удержания внутреннего давления среды в проектных пределах при всем спектре аварий, включая запроектные тяжелые аварии с повреждением активной зоны. Разработка надежных систем отвода тепла из внутреннего объема ЗО является одним из важнейших направлений в развитии современных проектов АЭС.

В настоящее время для АЭС с водоохлаждаемыми реакторами применяется два типа систем охлаждения внутреннего объема 30 — активная и пассивная. Большинство действующих АЭС с РУ под давлением используют активную систему охлаждения (спринклерная система, принудительная вентиляционная воздушная система охлаждения). Однако успешное функционирование активных систем зависит от наличия внешнего электроснабжения, что является их недостатком. Поэтому в современных проектах прилагаются значительные усилия для разработки систем пассивного отвода тепла из внутреннего объема защитной оболочки, которые являются более простыми и надежными по сравнению с активными системами.

Эффективная работа теплообменника системы СПОТ 30 определяется процессами тепломассообмена, сопряженными с поверхностной конденсацией. Эти процессы происходят в режиме смешанной конвекции, как правило, с преобладанием свободноконвективного теплообмена внутри защитной оболочки. Основным параметром, определяющим эффективность работы теплообменника, является суммарная тепловая мощность, отводимая во внешний теплоноситель. Если процессы теплообмена внутри трубок теплообменника достаточно просты и прогнозируемы, то анализ теплообмена с атмосферой контейнмента представляет собой непростую задачу, требующую учета следующих факторов:

- турбулентный характер теплообмена, а также возможный ламинарно-турбулентный переход;

- процесс конденсации пара на поверхности теплообменника в присутствии неконденсирующегося газа;

- термическое сопротивление пленки конденсата и ее стекание.

При всей сложности этих процессов, в конечном итоге результат расчета будет сводиться к определению только одного параметра — среднего удельного теплового потока на поверхности теплообменника. Этот тепловой поток состоит из двух основных компонентов (1.1): потока, обусловленного конвективным теплообменом и потока, обусловленного конденсацией пара:

От. = Оконв + 0-КОНД ^

Конденсационный поток равен произведению теплоты фазового перехода на поток пара на стенку (1.2):

Оконд = >' Л ? (1.2)

а конвективный поток равен диффузионному тепловому потоку (1.3):

к;конв Щ1ФФ ~ л ~

Vдп), (1.3)

где Я- коэффициент теплопроводности газовой смеси на поверхности теплообмена, дТ/дп - производная температуры по нормали к этой поверхности.

Оценки показывают, что в условиях, характерных для типичных аварий, конденсационный поток заметно превышает конвективный.

Термодинамические параметры атмосферы при авариях с течами теплоносителя внутри 30 АЭС с ВВЭР рассчитываются с помощью кода КУПОЛ-М [75] и с помощью поддерживающих трехмерных кодов. В процессе создания интегральных расчетных кодов важным моментом является выбор замыкающих соотношений для расчета коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи от парогазовой смеси к поверхности пленки конденсата на поверхности водоохлаждаемых теплообменников, расположенных в подкупольном пространстве. В данной главе приведен обзор работ, посвященных исследованию теплообмена при свободной конвекции.

В интегральных кодах КУПОЛ-М, АНГАР [76] для расчета процесса конденсации пара из смеси с неконденсирующимися газами используется тройная аналогия, которая при значительных величинах поперечного потока нарушается с учетом стефановского потока и имеет вид: ар(1 — У1и,) = а/рср. Центральным вопросом этих методик является определение конвективного коэффициента теплоотдачи. При свободноконвективном течении среды у вертикальных обогреваемых и охлаждаемых поверхностей для обобщения опытн�