автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка методики теплового расчета вертикальных контейнеров для транспортирования отработавшего ядерного топлива на основе исследования вязкостно-гравитационного течения газового теплоносителя

В в е д е н и е

1. Задачи исследования теплообмена и гидродинамики в элементах оборудования вертикального контейнера.

1.1. Описание вертикального контейнера и процессов теплообмена в условиях естественной циркуляции теплоносителя.

1.2. Основные положения методики расчета водоза-полнеиного контейнера

1.3. Основные особенности расчета газонаполненного контейнера

1.4. Обзор исследований и анализ вязкостно-гравитационного течения около вертикальных поверхностей и в вертикальных каналах

2. Анализ естественной циркуляции теплоносителя в системе вертикальных каналов

3. Измерение перепада давления в вертикальных каналах при естественной циркуляции газового теплоносителя

3.1. Особенности измерения перепада давления в системах с естественной циркуляцией

3.2. Экспериментальное исследование "адиабатического" канала

3.3. Методика обработки опытных данных и оценка погрешности измерения перепада давления.

4. Описание экспериментальных установок

4.1. Конструкция экспериментальных установок и измерительных устройств

4.2. Анализ и методы обработки экспериментальных данных.

4.3. Погрешности измеряемых и расчетных величин

5. Результаты исследования процессов теплообмена и гидродинамики в условиях естественной циркуляции газового теплоносителя.

5.1. Анализ изменения профилей температуры в кольцевых каналах в условиях вязкостно-гравитационного течения газа.

5.2. Теплообмен в вертикальных каналах.

5.3. Гидравлическое сопротивление вертикальных каналов

6. Методика теплового расчета вертикального контейнера с газовым теплоносителем.

6.1. Основные положения.

6.2. Расчет циркуляционного контура.

6.3. Расчет средних по высоте температур теплоносителя

6.4. Расчет расхода теплоносителя и максимальной температуры оболочек твэл.

6.5. Расчет теплопередачи через крышку контейнера

6.6. Расчет лучистого теплового потока от сборок к корпусу контейнера.

6.7. Алгоритм теплового расчета контейнера.

6.8. Расчет максимальной температуры наружной поверхности корпуса контейнера.

6.9. Сравнение результатов расчета контейнера ТКс данными натурных испытаний.

8 В В Е Д Е Н И Е Народнохозяйственными и целевыми программами развития науки и техники и,2] предусмотрено ускоренное развитие атомной энергетики, которая в ближайшие 2 3 пятилетки внесет существенный вклад в црирост энергетических мощностей страны, В настоящее время в СССР сооружаются и проектируются новые мощные атомные электрические станции, а также станции, предназначенные для выработки технологического и бытового тепла. Большая часть этих станций будет построена в Европейской части СССР, где сосредоточено 70 населения и где недостаток энергии ощущается особенно остро. Увеличение масштабов производства энергии на атомных электростанциях требует развития соответствующей топливной базы. До сих пор для производства ядерного топлива использовался в основном природный уран, запасы которого ограничены. В то же время во всех действующих реакторах протекают ядерные реакции с образованием новых радиоактивных веществ, которые наряду с невыгоревшей частью основного делящегося вещества U могут быть использованы при производстве ядерного тошгава. Для этого отработавшее в реакторе топливо должно быть подвергнуто радиохимической переработке на специальных заводах [3]. Таким образом, появляется возможность создания замкнутого ядерного топливного цикла, в частности, с использованием реакторов на быстрых нейтронах, способного обеспечить атомные станции топливом в течение многих столетий [4] Отработавшее адерное топливо, выгруженное из реактора и помещенное во временное хранилище, обладает высоким уровнем радиоактивности и тепловыделения. После выдержки, определяемой временем распада большей части коротко живущих радионуклидов, это топливо может быть отцравлено для переработки.9 В настоящее врегля отработавшее топливо выдерживается на станции до 3-х лет, хотя оптималышй срок выдержки для реакторов на тепловых нейтронах составляет примерно 100 сзгток [5J. Трехлетняя выдержка увеличивает длительность внешнего топливного цикла и количество используемых делящихся материалов, но облегчает задачу транспортирования отработавшего ядерного топлива с пониженным уровнем радиоактивности и остаточного тепловыделения. С вводом в строй реакторов на быстрых нейтронах и созданием зашнутого топливного цикла планируется уменьшить время выдержки отработавшего ядерного топлива до I года и меньше [3] что приведет к необходимости транспортирования отработавших сборок с высоким уровнем радиоактивности и тепловыделения. Для целей транспортирования создаются специальные контейнеры, которые должны обеспечить: ядерную безопасность; радиационную защиту от всех видов ионизирующего излучения; герметичность как в нормальных, так и в аварийных (столкновение транспортных средств, падение с высоты, попадание в очаг пожара и т.д.) условиях транспортирования; созфанность сборок как в нормальных, так и в аварийных условиях (температура оболочек твэлов должна быть ниже предельно-допустимой) безопасный уровень температур (для обслуживающего персонала) на наружных поверхностях транспортного средства. В нашей стране применение получили контейнеры, ориентированные на..перевозку по железным дорогам. Контейнер представляет собой толстостенный (350 мм) стальной сосуд, вес которого приближается к 100 тоннам, поэтому для его перевозки пригодны 10 только специальные многоосные вагоны. Во внутреннюю полость контейнера устанавливается чехол, загруженный отработавшигли сборками, после чего контейнер закрывается крышкой. Для транспортирования сборок длиной свыше 3,6 м используются горизонтальные контейнеры. Остальные типы сборок (сборки реактора ВВЭР-440 и половинки сборок реакторов типа Р Б Ж транспортируются в вертикальных контейнерах, которые позволяют загрузить большее количество топлива [3] что определяется особенностяглп конструкции сборок и способом расположения их в чехле. При транспортировании сборок с кожухагли в горизонтальном контейнере тепло, выделившееся в твэлах, сначала должно быть передано кожуху кавдой сборки, а затем от кожухов сборок корпусу контейнера (см.рис.1). В вертикальном контейнере в цроцессе переноса тепла участвует один контур естественной циркуляции с подъемным движением в сборках и опускным в кольцевом зазоре между чехлом и внутренней поверхностью корпуса.Поэтому в вертикальном контейнере термическое соцротивление процессу передачи тепла от твэлов к корпусу несколько меньше. К другим достоинствам вертикальных контейнеров можно отнести хорошую технологичность изготовления продольного оребрения и простоту обслуживания, поскольку контейнеры этого типа не нужно кантовать при проведении погрузо-разгрузочных операций. В настоящее время вертикальные контейнеры обеспечивают весь объем перевозок отработанного топлива от реакторов ВВЭР-440, работающих как в нашей стране, так и за рубежом. Начато производство усовершенствованного вертикального контейнера Т К П рассчитанного на транспортирование сборок от реакторов ВВЭР-440 и Р Б Ж В качестве теплоносителя внутри контейнера может прголеа) Рис.1. С х е ш естественной циркуляции теплоносителя: а) вертикальный контейнер ТК-б; б) горизонталь

9. Результаты работы внедрены в практику проектирования вертикальных контейнеров. Выполнены тепловые расчеты контейнера ТК-6, серийно выпускаемого промышленностью и используемого для перевозки отработавшего топлива от реакторов ВВЭР-440, работающих в СССР, Болгарии, 1ДР и Финляндии,,а также контейнера

ТК-П, предназначенного для транспортирования сборок от реак-- *4 * торов ЕВЭР-440 и разделенных на две части (по длине) сборок реакторов РБМК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено экспериментальное исследование теплообмена и гидравлического сопротивления при естественной циркуляции газовых теплоносителей (воздух, углекислый газ) в вертикальных каналах. Исследование выполнено на двух установках (одноконтурная модель и установка с тремя параллельными каналами), моделирующих условия, существующие в вертикальном газонаполненном контейнере для транспортирования отработавших сборок твэл. Показано, что при увеличении давления наблюдается усиление естественной циркуляции, интенсификация процессов теплообмена и увеличение гидравлического соцротивления каналов (в 5*8 раз по сравнению с условиями вынужденного ламинарного течения), связанные с развитием вязкостно-гравитационного течения в вертикальных каналах.

2. Разработан метод измерения перепада давления по высоте контуров с естественной циркуляцией газового теплоносителя, основанный на применении "адиабатического" канала. Использование этого метода позволило выделить из общих потерь циркуляционного контура величину потерь на трение отдельно для подъемного и опускного каналов. Получены данные по коэффициентам гидравлического сопротивления вертикальных кольцевых каналов и пучка стержней в условиях вязкостно-гравитационного течения газового теплоносителя.

3. Развитие вязкостно-гравитационного течения характеризуется величиной параметра //Се :

- при /£е< 20 процессы конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления вертикальных каналов описываются зависимостями, рекомендованными для условий вынужденного ламинарного течения;

- область ^ .(2xI02; I0S) является переход . ■ ' . ной. В ее пределах наблюдается относительное увеличение в 1,5 т 2,0 раза значений параметров, характеризующих интенсивность этих процессов;

- в области развитого вязкостно-гравитационного течения >(2хЮ2; 10 ) изменение коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления происходит пропорционально величине

4. На участке стабилизированного теплообмена в вертикальных

О О V / J о каналах различной геометрической формы (труба, кольцевой канал, пучок) рекомендуется зависимость:

Nu/Muh (ri/Re. e(l0}10*) описывающая относительное (по сравнению с условиями вынузденноч го ламинарного течения) изменение местной теплоотдачи в широком диапазоне параметров вязкостно-гравитационного течения.

5. В условиях Еязкостно-гравитационного течения газа

10 ) в вертикальном кольцевом канале с изотермической наружной стенкой существует пропорциональная связь между относительным увеличением средней теплоотдачи и относительным ростом среднего коэффициента гидравлического сопротивления:

ЛЬ/Ж/д- f-Re/A = fi <0,1X5iGi/R&)

Полученные зависимости могут быть использованы при расчете процессов в опускных кольцевых каналах с k/d € [80; 100 J различных установок с естественной циркуляцией газового теплоносителя.

6. Теоретическим и экспериментальным путем исследовано распределение расходов однофазного теплоносителя в системе

- 192 - . * параллельных подъемных каналов, замкнутых на один общий опускной канал. Показано, что в каналах одинаковой геометрии величина расхода теплоносителя прямо пропорциональна мощности, расходуемой на его нагрев, если потери на трение в таких каналах меньше потерь в остальной части естественно-циркуляционного контура.

7. Рекомендуется зависимость для расчета средней по сечению кольцевого канала с односторонним теплообменом температуры теплоносителя ( Т ), учитывающая результаты замеров температуры стенок канала ( 11 и ) и характер течения:

Зависимость позволяет отказаться от измерения поперечных профилей температуры, облегчает определение веса столба среды в кольцевых каналах и упрощает расчет установок с естественной циркуляцией.

8. Разработана методика теплового расчета вертикальных газонаполненных контейнеров для транспортирования отработавшего ядерного топлива АЭС. При расчете процессов передачи тепла (вследствие остаточного тепловыделения) от сборок к корпусу и крышке контейнера и дальше в окружающую среду учитывалось совместное действие лучистого и конвективного теплообмена. Расчет конвективного теплообмена и потерь на трение в опускном канале контейнера основан на зависимостях, полученных при выполнении настоящей работы.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС,- М.: Политиздат, 1981.223 с.

2. Котов Ю.В. »Кротов В.В., Филиппов Г.А. Оборудование атомных электростанций. М.: Машиностроение, 1982.- 376 с.

3. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС/ Землянухин В.И., Ильенко Е.И., Кондратьев А.Н., Лазарев Л.Н., Царенко А.Ф., Царицына Л.Г.- М.: Энергоатомиздат, 1983. 232 с.

4. Александров А. П. Атомная и термоядерная энергетика. Вестн.АН СССР, 1975, № 2, с.24-31.

5. Ядерная технология. Учебн.пособие для вузов/ Шведов В.П., Седов В.М., Рыбальченко И.Л., Власов И.Н.- М.: Атомиздат, 1979.- 336 с.

6. Правила безопасной перевозки радиоактивных веществ. -МАГАТЭ, Вена, 1973. 104 с.7. ,П е т у х о в B.C. Теплообмен и сощютивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967.- 412 с.

7. Biow/г W.O. Die LLßet£ageiu/tg von eizwunpe-пег Lend naiäzilcAez ftonvectio/i Sei rtie^l^e/t Durchsätzen ¿n eines* £ottecA£e/i #0/1 г.- VDI~

8. ForscfLunps/LßJi, /960, S. N480, /-3/.

9. Б р д л и к П.М., К о ж и н о в И.А. .Петрова A.A. Теплообмен при ламинарной смешанной конвекции у вертикальной стены. В сб.: Теплообмен 1974. Советские исследования. М. : Наука. 1975, с.189-194.

10. O-tyzayotidis JComßineä fi ее and fotced codirection jiom an LsothezmaP aeitica? p fa te.-Int. JHMT, 1975,v. /8, N?/8, p. 911-916.

11. П e T p о в a A.A. Исследование локального теплообмена при ламинарной смешанной конвекции на вертикальной изотермической поверхности.: Автореф. дис.на соиск.учен.степ. канд.техн. наук. Ашхабад: Б.и., 1975, - 22 с.-В надзаг.: Ин-т химии АН ТССР.

12. H Вi е/ e E J. И. Laminaz fiee and forced connective beat hansfei fiom a vezticaf ffat pfaâe- Univesity о/ Caäfoznia, PAD thesis, 1959, p. 25-26.

13. С ft иг с h i f E S.W. A comprehensive corre Eating equation for Eaminar, assisting, forced and free convection.- AIChE, /977y v. 25, N/j p. Í0-/6.

14. Лыков A.B. Тепломассообмен. 2-е изд., перераб. - M. : Энергия, 1978. - 480 с.

15. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.- 9-е изд., стереотипное.- М. : Физматгиз, 1962.- 608 с.

16. Ei с h horn R. Measurement о/ âow speed gas ftows ig partie Ее traje ctozies • а пей/ determination of free convection velocity profites. -Int. JUMT, /962, v. 5, N10,p. 915' 92в.

17. G- г g г a g о % i dis leading edge effects on tke NusseEt numSez for a vertical piate in free convection. Int. J//MT, /9Pô, к /6, A/2, p. 5/7- 520.

18. Ид А. Дж., Свободная конвекция.- В кн.: Успехи теплопередачи.- М. : Мир, 1970, с.9-80.

19. К а н е в С.Н., Р и с В.В., Шаров В.Г. Теплообмен при ламинарном течении в вертикальном кольцевом зазоре с постоянной температурой наружной стенки.- ИФЖ, 1977, т.33, № I, с.П-16.

20. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках.- М. : Наука, 1982.- 472 с.

21. На iРта п Т.М. ComSined forced and /гее-fa minai keat transfer in veitica? tuSes witk uniform. InternaP /íeatgeneration.- Tzans. ASME, i956, v. 78, N&^p. 183i- 1841.

22. Va P В ext A.M. Natura P, mixed and forced con-vection. ¿ft a vertical channeP with asymmetric uniform Zieatcnp. Heat Transfer ? /982, v. 3,p. 43/- 434.

23. Свободно-конвективный тепло- и массообмен (I797-I98I): Библиографический указатель. 4 1.- Шнек: Б.и., 1982.- 390 с.-(Препринт/ ИТМ АН БССР).

24. Nakafima Т, Mats и то ta R., На к a tan i A. Numérica? prediction of entry Pengt/i heat transfer comSined con vection in vertical rod arraas wiitv uniform Ae at- /Eux. Heat Transfer^ /982, v. 3, p. 465- 4 ?0.

25. Л у 3 и h И.П., Федорович Е.Д. Расчет естественной циркуляции в многоконтурных системах параллельных каналов.- Тр.ЦКТИ, 1982, вып.192, с.105-110.

26. Нормативный метод гидравлического расчета паровых котлов. Рук.,указ., вып.33.- Л.: НПО ЦКТИ и БТИ, 1973. - 166 с.

27. К л е м и н А.И., Полянин Л.Н. .Стригу-л и н М.М. Теплогидравлический расчет и теплотехническая надежность ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1980. - 267 с.

28. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин.- Л.: Наука, 1974.- 108 с.

29. Btadshaw P. h compact,n¿/№ teadis?^ tiHing U-iuBe mictomanometer wiéA a zidig tynid container.

30. Scíent. Instw/r?., /96 S, v. 42¿ p. 6 77- 680.40. 1 и H e в e г Ф. Измерение температур в технике: Сцравочник.- М.: Металлургия, 1980. 544 с.

31. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и цриборы.- 3-е изд., перераб.- М.: Энергия, 1978.- 704 с.

32. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник.- М.: Энергия, 1974. 472 с.

33. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Сцравочник по теплопередаче,- М.-Л.: Госэнергоиздат, I959.-4I4 с.

34. Исаченко В.П., 0 с и п о в а В.А., С у к о -мел A.C. Теплопередача: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоиздат, 1981.- 416 с.

35. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. -М.: Недра, 1970. 216 с.

36. CA и г с A i //оS.W.Jsag ¿ Р. А депега? expiession jfor ¿he correlation of rates of tzansjez and otAet pAenomena. AT CAE, /972, v. /8, A/6, p. //2/- //28.

37. X a у 3 e и X. Теплопередача цри противотоке, прямотоке и перекрестном токе.- М.: Энергоиздат, 1981. 384 с.

38. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках / Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А., Бобков В.П., Жуков A.B., Юрьев Ю.С.- М.: Атомиздат, 1975.- 408 с.

39. Смирнов В.И. Курс высшей математики, т.2 -19-е изд., перераб.- М.: Наука, 1965. 656 с.