автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Результаты исследований и обобщения характеристик теплообмена при продольном обтекании поверхностей тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями

На правах рукописи

Новожилова Ольга Олеговна

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОБЩЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ОБТЕКАНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЯЖЕЛЫМИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ

05.04.11 - Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ек)ч 20^0

Нижний Новгород 2010

004604932

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Безносов Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жуков Альберт Владимирович

кандидат технических наук, Дедуль Александр Вячеславович

Ведущая организация: Научно-исследовательский и

конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля», г. Москва

Защита состоится 21 июня 2010г. в 14 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».

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 142103, Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21, диссертационный совет ОАО ОКБ "Гидропресс".

Автореферат разослан 4L. мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Чуркин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание и развитие ядерных энерготехнологий на первом этапе их освоения в середине прошлого века осуществлялось на базе военных разработок - технологий получения плутония для создания оружия и ядерных реакторов для атомных подводных лодок. Основным направлением мирной атомной энергетики было развитие реакторов на тепловых нейтронах типа ВВЭР и РБМК.

Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволят ядерной энергетике принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост элсктропроизводства в течение последующих десятилетий. В качестве теплоносителей реакторов на быстрых нейтронах рассматриваются натрий, свинец и эвтектический сплав свинец-висмут.

Проекты установок с быстрыми реакторами, охлаждаемые тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями показали перспективность этого направления. Для оптимизации принимаемых проектных решений целесообразно проведение ряда экспериментальных исследований по уточнению разработанных в 50-80 гг. прошлого века методик расчета теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, с учетом накопившейся и новой информации о свойствах теплоносителей и исходя из реального (фактического) содержания примесей в контуре ядерного реактора охлаждаемого тяжельм жидкометаллическим теплоносителем, включая возможные аварийные ситуации. В данных системах характеристики теплообмена в участках теплоотвода и теплоподвода не симметричны вследствие различного направления массопереноса примесей, составляющих основное препятствие теплообмену, и различного направления тепловых потоков. В связи с этим актуальной является разработка (уточнение) расчетных методик, расчетных формул теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контролируемом и регулируемом содержании примесей в контуре, прежде всего, примеси кислорода, а также в период и после аварийных ситуаций, связанных с резким и значительным

изменением содержания и физико-химического состояния примесей в контуре и в теплоносителе в условиях неизотермического контура.

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 в неизотермическом контуре с участками теплоподвода и теплоотвода, а также анализ и обобщение полученных ранее экспериментальных данных по теплообмену в круглой трубе и кольцевом зазоре при контролируемом и регулируемом содержании примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе и в контуре.

Задачи работы:

- проведение анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;

-разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активиоста 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 кольцевом зазоре и в круглой электрообогреваемой трубе;

- проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в кольцевом зазоре неизотермического контура с участками теплоподвода и теплоотвода;

-проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на распределение полей скоростей и температур в кольцевом зазоре неизотермического контура с участками теплоподвода и 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 одновременно на участках теплоподвода и теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

- Методические основы измерения полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в круглой трубе и кольцевом зазоре.

- Массив экспериментальных данных исследований полей температур и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в каналах неизотермического контура при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

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

Научная новизна

Усовершенствована методология исследований теплофизических характеристик тяжелых жидкометаллических теплоносителей в неизотермическом контуре с контролем и управлением содержанием примеси кислорода.

Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования характеристик теплообмена в неизотермическом контуре с теплоподводящим и теплоотводящим участками при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре, и получены зависимости Ыи=ДРе) в диапазоне чисел Пекле 500...5000 при контролируемом и регулируемом содержании примеси термодинамически активного кислорода в диапазоне 10"5...10° и при наличии слоя отложений примесей. Экспериментально определены поля температур и скоростей в кольцевом зазоре неизотермического контура в потоке тяжелого жидкометаллического 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.

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.

Предложена и отработана методика теплофизических исследований характеристик теплообмена в кольцевом зазоре 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 результатов.

Личный вклад автора

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТСиМИ» НГТУ им. P.E. 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, обработай и обсуждении результатов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на межведомственном семинаре «Теплофизика-2007» «Тепломассоперенос и свойства жидких метало» в г. Обнинске; на VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» г. Нижний Новгород, 2007 г.; на Пятой курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2007 г., на Шестой курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2008 г., на семнадцатой международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-17», г. Брюссель,

Бельгия, 2009 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 тридцати докладах на отечественных и международных научных конференциях, в двух зарегистрированных научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, пяти приложений. Объем работы составляет 212 страниц, 78 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 76 наименований

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

В первой главе анализируется и обосновывается возможность применения ТЖМТ в атомной энергетике. Проведенный анализ характеристик свинца и эвтектики свинец-висмут показывает возможность их применения в качестве теплоносителя в реакторах деления тяжелых ядер.

Во второй главе диссертации приводится аналитический обзор исследований характеристик теплообмена жидких металлов в круглых трубах и кольцевых каналах в условиях отсутствия регулирования и контроля содержания примесей в теплоносителе и контуре, а также при контроле содержания примесей. Производится постановка задач исследований.

В третьей главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целью которых являлось определение локальных характеристик теплообмена, включая поля температур, одновременно в участках подвода и отвода тепла неизотермического контура при регулируемом содержании примесей.

Объединенный экспериментальный стенд ФТ-2АК представляет собой

комбинацию двух стендов - ФТ-2 со свинцовым теплоносителем и ФТ-1 со свинец-висмутовым теплоносителем, и предназначен для исследований процессов теплообмена к свинцовому теплоносителю в кольцевом зазоре от продольно обтекаемого трубчатого электронагревателя (имитация одиночного тепловыделяющего стержня) и от свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре к продольно обтекаемой круглой трубе (имитация одиночной трубки парогенератора и/или теплообменника) с регулируемым содержанием примеси кислорода в свинце и в контуре.

Отвод тепла в экспериментальном участке 1 (ЭУ1) - «холодном» экспериментальном участке осуществляется эвтектическим сплавом свинец-висмут, подаваемым от стенда ФТ-1. Данное техническое решение позволяет существенно упростить стендовое хозяйство и проводить исследования характеристик теплообмена без применения водяного контура с закритическим давлением.

Экспериментальный участок 1 (ЭУ1) представляет собой теплоотводящий («холодный») участок, имитирующий одиночную трубку парогенератора, выполнен горизонтально с уклоном 3° по движению свинца в виде коаксиально расположенных труб (¿-¡¡¿л = 2,35) (рис. 1). Внутренняя труба длиной 2095 мм, 17x3 мм - штатная трубка парогенератора проектируемого реактора БРЕСТ-ОД-ЗОО изготовлена из ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ.

1, 2 -верхнее и нижнее измерительное сечение соответственно; 3, 7 - патрубок

подвода и отвода свинец-висмутового теплоносителя соответственно; 4,6 - патрубок отвода и подвода свинцового теплоносителя соответственно;

5 - термозонд

Рис. 1. Конструктивная схема «холодного» экспериментального участка

Внешняя груба длиной 1348 мм, 45x2,5 мм изготовлена из аустенитной стали 12Х18Н10Т. По внутренней трубе осуществляется циркуляция свинец-висмутового (РЬ-ВГ) теплоносителя. В объеме между внешней и внутренней трубой осуществляется циркуляция свинцового (РЬ) теплоносителя. Направление движения - противоток.

Экспериментальный участок 2 (ЭУ2) представляет собой нагревательный («горячий») участок (рис. 2), имитирующий одиночный тепловыделяющий стержень, выполненный в виде вертикальных коаксиально расположенных труб Ш<1\ = 4,2).

Внутренняя труба представляет собой специально созданный трубчатый электронагреватель (ТЭН) со штатной оболочкой твэла проектируемого реактора БРЕСТ-ОД-300 из ферритно-мартенситной стали 16Х12МВСФБАР-Ш длиной 2100 мм и активной частью 1600 мм, диаметром 9x0,25 мм. Внешняя труба длиной 1570 мм, 45x2,5 мм изготовлена из аустенитной стали 12Х18Н10Т.

По результатам исследований, были построены графики (рис. 3-6) зависимости локальных значений чисел Нуссельта во всех сериях эксперимента.

Из рис. 3 - 5 (б) видно, что в неизотермическом контуре на теплоподводящем экспериментальном участке характеристики теплоотдачи слабо зависят от термодинамической (т/д) активности кислорода в незначительно ухудшаться в диапазоне

1,2- верхнее и нижнее измерительное сечение; 3,5- патрубок подвода и отвода свинцового теплоносителя; 4 - термозонд Рис, 2. Конструктивная схема «горячего» экспериментального участка

диапазоне 10"4...10° и могут

термодинамической активности ШЛ.ЛО"5, вероятно, за счет образования отложений соединений компонентов сталей, интенсивнее выходивших в поток при глубоком раскислении контура.

В процессе данной серии экспериментов для теплоподводящего экспериментального участка при постоянно неизотермическом режиме работы стенда удалось получить характеристики теплообмена близкие к теоретическим расчетным данным для чистых металлов и условий смачивания поверхности теплоносителем и к экспериментальным данным теплообмена от нагретой стенки, охлаждаемой свинцом, описываемых функцией:

ДОи = 7 + 0,025Ре0

(1)

25,0 20,0 15,0

....... 25,0

20,0

_______________о 15,0

10,0

о

о о 5,0

0.0

1000

,„Ре

-№=7+0,025Ре ----N11=3+0,025Ре

----Nи=5+0,025Ре°'°------N4=2+0,002Рео'8 ^

а)-ЭУ1,б)-ЭУ2

Рис. 3. Локальные характеристики теплообмена, сводный график. Избыток кислорода по отношению к насыщению

25,0 20.0 15.0

з

гю,о 5,0 0,0

■■■■■

25.0 20,0 15,0

я

710,0

5,0

0.0

1000

❖ Восстановление контура Н2

Ре

Саморегулирование контура в атмосфере Не и Аг

——N11=7+0,025Ре°'----Ми=3+0,025Рем

----N11=5+0,025Ре0,8------Ми=2+0,015Ре°' а)

1000 Ре

♦ Восстановление контура Н2 □ Саморегулирование контура в атмосфере Не и Аг

— N4=7+0,025Рем----№=3+0,025Ре°'

----N11=5+0,025Реи------N□=7+0,018Ре° 8

а)-ЭУ1,б)-ЭУ2 Рис. 4. Локальные характеристики теплообмена, сводный график, т/д активность кислорода 10"3<а<10"2

Рис. 5. Локальные характеристики теплообмена, сводный график, восстановление контура (Н2), т/д активность кислорода 10"4<а<10"5

Введение кислорода в контур и повышение термодинамической активности кислорода до 10"1 практически не приводило к заметному ухудшению характеристик теплообмена на данном участке. Введенный кислород, по-видимому, отлагался в виде оксидов на теплоотводящей («холодной») поверхности соответствующего экспериментального участка.

Для теплоотводящего экспериментального участка в диапазоне высокой термодинамической активности кислорода, при введении количеств кислорода, образующего отложения нерастворенных оксидов свинца на поверхности данного участка наблюдаются существенно худшие характеристики теплообмена (рис. 3, а). В диапазонах изменения термодинамической активности кислорода в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе 10 3...10"2 и ЮЛ.ЛО"4 (рис. 4, а; 5, а) изменение характеристик теплообмена на теплоотводящем участке менее существенно, чем в диапазоне Ю'.-ЛО0.

Следует отметить, что в режимах восстановления оксидов (ввод водорода) и в режимах саморегулирования контура в атмосфере инертного газа (аргона, гелия) полученные характеристики теплообмена на теплоподводящем экспериментальном участке практически не различаются. На основании проведенных исследований могут быть рекомендованы следующие расчетные выражения, соответствующие содержанию примеси кислорода в ТЖМТ (в установившемся режиме) и определенного им состояния пристенного слоя.

Теплоподводящий экспериментальный участок

Характеристики теплообмена в диапазоне высокой термодинамической

активности кислорода 101...10° (с введением избыточного количества кислорода - сверх насыщения) и при термодинамической активности кислорода (Ю-4...10"') можно представить зависимостью:

N11=7 + 0,018Ре°'8, (500<Ре<5000). (2)

В диапазоне термодинамической активности кислорода 10"*... 10"5 параметры теплообмена можно представить зависимостью:

N11 = 5,6 + 0,018Ре°'\ (500<Ре<5000, 105<а<10^). (3)

В диапазоне чисел Ре = 500...2000 (Ие = 35000... 130000) и в диапазоне термодинамической активности кислорода 10"'... 10"4 (возможные условия реакторных контуров) полученные точки удовлетворительно описываются кривой Ыи = 7 + 0,025Ре0'8.

Теплоотводящий экспериментальный участок

Характеристики теплообмена на теплоотводящем участке существенно отличаются от аналогичных характеристик на теплоподводящем экспериментальном участке вследствие существешюй разницы массопереноса примесей и определяемого им состояния пристенной области.

В диапазоне чисел Ре = 600...6000 и высокой термодинамической активности кислорода 10"'...10° (с введением количества кислорода сверх насыщения, что маловероятно в условиях реакторных контуров и возможно только при тяжелых авариях) при отложениях слоев оксидов на теплопередающих поверхностях (недопустимых при нормальной эксплуатации) характеристики теплообмена можно представить зависимостью:

N4=2. (4)

В диапазоне термодинамической активности кислорода ЮЛ..10'1 (условия нормальной эксплуатации) параметры теплообмена можно представить зависимостью:

ЛГи = 2 + 0,015 Реы, (600<Ре<6000, 10^<а<10'1). (5)

В диапазоне термодинамической активности кислорода 10Л..10"5 параметры теплообмена можно представить зависимостью:

Лгм = 2 + 0,018Ре°',(600<Ре<6000, 10"5<а<1(И). (6)

По результатам исследования профилей температур в потоке свинцового теплоносителя в каналах неизотермического контура с регулированием и

контролем содержания примесей были получены зависимости безразмерной нормированной температуры от нормированного расстояния у/с!г - с!, (где у -текущий радиус кольцевого зазора, (¿2-с/|) - ширина кольцевого зазора) в диапазоне термодинамической активности кислорода 10"5...10° (рис. 6).

Профиль температур в ядре потока на обоих экспериментальных участках несколько уплощается при больших числах Пекле, что вероятнее всего связано с некоторой локализацией основного теплоперепада в пристенной области. Ввод кислорода практически не влияет на характер профиля для тсплоподводящего участка (рис. 6, б) можно лишь отметить некоторое увеличение скачка температур в пристенной области при малых значениях числа Пекле (Ре ~ 500).

0.1 0.2 0.3, 0,^ Д Ре=800, ч=30КВт/м -

о Ре=2000, ц=35КВт/м2-----

□ Ре=5500, я=50КВт/м2- • •

а)

0.0 0,1 0,2 0.3 0.4 X Ре=600, я=113 кВт/м2 —

• Ре=2400, я=108 кВт/м2-----

О Ре=4500, ч=108 кВт/м2- ■ • •

0.5

б)

229ч работы стенда, а =7,7-10"' (обработка 02, введено 30 г)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Д Ре=900, ц=40КВт/м2--

о Ре=3100, ч=60КВт/мг-----

о Ре-5400, ц=120КВт/м2- ■

0.0 0.1 0.2 0.3 X Ре=600, р=67 кВт/м' • Ре=2600,д=64 кВт/м2

0.4 0.5 2_ Ж-Ч,)

Г)

в) <> Ре=4600, д=75 кВт/м----

349ч работы стенда, а =4,3-10"4 (обработка Н2) Рис. 6. Локальные профили температур на ЭУ1 (а, в) и ЭУ2 (б, г) В общем случае градиент температуры вблизи поверхности определяется

интенсивностью переноса тепла слоями более далекими от стенки и, следовательно, зависит от профиля скорости в потоке. Профиль температур зависит от числа Пекле, теплового потока и состояния пристенной области течения теплоносителя.

В четвертой главе представлены результаты проведенных автором и при его непосредственном участии исследований, целью которых являлось экспериментальное определение полей температур и осевых скоростей в кольцевом зазоре и в канале круглого сечения в потоках тяжелых жидкометаллических теплоносителях с контролем и регулированием содержания примесей.

Исследования полей скоростей проводились с помощью двух специально созданных устройств - датчиков скорости. Конструктивная схема датчика скорости для кольцевого зазора представлена на рис. 7, а и для круглой трубы на рис. 7, б.

Датчик позволяет измерять потенциальный Япот и полный напор Нпол потока жидкого металла. По разности этих напоров вычисляется локальная скорость в заданной точке по сечению кольцевого зазора или круглой трубы. Измеряемая среда: свинцовый теплоноситель с температурой 450 - 550 °С, средняя скорость в экспериментальном участке (кольцевой зазор) 0,64 -1,0 м/с; эвтектика свинец-висмут с температурой 400 - 420 °С, средняя скорость в экспериментальном участке (круглая труба) 1,0-1,7 м/с.

Статическое давление в потоке до 1,0 МПа. Полный напор измеряется с помощью капилляра (трубки внутренним диаметром 1 мм, толщиной стенки 0,25 мм). Потенциальный напор измеряется через отверстие в стенке экспериментального участка. Свободный конец капилляра и отверстие для измерения потенциального напора в стенке находятся в одном поперечном сечении трубы.

а) б)

1 - устройство крепления обтекателя с патрубком отвода к бачку измерения

полного напора (кольцевой зазор); 2 - опорные штанги; 3 - перемещающие

гайки; 4 - дистанционирующая пластина; 5 - устройство радиального перемещения капилляра; 6 - отверстие и патрубок отвода к бачку измерения потенциального напора; 7 - капилляр; 8 - внутренняя труба (ТЭН);

9 - внешняя труба экспериментального участка; 10 - термозонд; 11 - дистанционирующие шпильки; 18 - патрубок отвода к бачку измерения полного напора (круглая труба) Рис. 7. Конструктивные схемы датчиков измерения скорости а) - кольцевой зазор, б) - круглая труба По результатам исследований полей температур и осевых скоростей в кольцевом зазоре были построены графики зависимостей и = f{y/{d2-d,)), где у - текущий радиус кольцевого зазора, ((12 - ¿/1) - ширина кольцевого зазора вертикального экспериментального участка, равная 30 мм, и~ 1-У/Ур -

безразмерная скорость, Уср - средняя скорость, рассчитанная как среднее арифметическое измеренных значений локальной скорости по сечению кольцевого зазора канала, а также безразмерной нормированной температуры (рис. 8)вдиапазонетермодинамической активности кислорода 10"5...Ю"1.

и, 0; 0,80,40,0 -0,4

......-.....—

; 'О--..

а)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 1

-0,4

1 1

■й

о"-

М-а,)

5от в)

а ~ 10~\ Яе ~ 2,87-Ю5, ТЭН в работе

и, 0 0,8

0,4

0,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

а ~ 10 ", Яе ~ 2,87-10 , ТЭН в работе и, ©г 0,8

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

у/ад)

а ~ 10-5, Яе ~ 2,76-105, ТЭН в работе

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 ,Д,5, ч

у/ад,)

и,в| 0,8

0,4

0,0

-0,4

а ~ 103, Яе ~ 2,76-105

1 :

■¿-о.., -

; .......

е)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

у/ад,)

а~ 10"5, Яе~2,55-105

Рис. 8. Безразмерные профили скорости (С) и температуры (■) при течении свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре По результатам исследований полей температур и осевых скоростей в круглой трубе в потоке эвтектики свинец-висмут также были построены графические зависимости нормированной температуры и осевой скорости от нормированного расстояния (рис. 9).

и, о

0,8 0,6 0,4 0,2 0.0 -0,2.

\ \ 1 1 1

\\ 1 1

■Ц

......— 'Г ^ 1 ;

-\t-o-..

1 "

0.0 0,2 0,4 0,6 0.8 о~а~ 10^,^-2,2-Ю5

-5

г/г

1,0

и,0

0.8 0.6 0.4 0,2 0.0 -0,2

\ 1 !

Г........ ._______

_____

0.8

0.0 0.2 0.4 0.6 о - д ~ 10°, Ле ~ 2,23-Ю5

я-а~ 10°, Яе ~ 2,55-Ю5

Г/Гч

1.0

ы-а ~ 10°, Ые-2,4-Ю5 Рис. 9. Безразмерные профили скорости (о) и температуры (■) при течении эвтектики свинец-висмут в круглой трубе Распределения осевой составляющей локальной скорости в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в канале круглого сечения и в кольцевом зазоре имеют подобный вид.

Графическое отображение теплового и гидродинамического пограничных слоев вблизи внутренней поверхности трубы в канале круглого сечения и внешней поверхности внутренней трубки (ТЭНа) в кольцевом зазоре одинаково при термодинамической активности кислорода в теплоносителях а~10"'. В режимах с меньшим содержанием кислорода вблизи ТЭНа в кольцевом зазоре угол наклона кривых изменения температуры больше, чем угол наклона кривых изменения локальной скорости. В канале круглого сечения вблизи внутренней поверхности трубы кривые локальных скоростей подобны во всем диапазоне содержания примесей в теплоносителе и контуре.

В кольцевом зазоре кривые изменения локальной скорости и температуры в ядре потока имеют подобный вид во всем диапазоне содержания примесей в теплоносителе и контуре. В канале круглого сечения в ядре потока кривые изменения локальной скорости подобны во всем диапазоне содержания примесей в теплоносителе и контуре, кривые изменения температур приобретают И'-образную форму, с большим изменением температур в режимах с меньшим содержанием кислорода в теплоносителе и контуре.

Поля локальных осевых скоростей и, соответственно, гидравлическое сопротивление каналов с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, а

также поля температур зависят от содержания примесей в теплоносителе, процессов массопереноса и массообмена примесей в контуре, от режимных параметров,

В пятой главе представлены результаты проведенного автором анализа структуры формул для определения характеристик теплообмена жидких металлов в круглых трубах и кольцевых каналах в условиях регулирования и контроля содержания примеси кислорода в теплоносителе и контуре, а также при отсутствии такого контроля. Рассматриваются особенности обработки экспериментальных данных и вид формул для расчета характеристик теплообмена.

Показано, что массообмен и массоперенос примесей в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем оказывают существенное влияние на характеристики теплообмена в данных системах. Уточнение и экспериментальное определение характеристик теплообмена для рекомендаций по проектным инженерным расчетам теплообменных поверхностей реакторных контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями недопустимо проводить без моделирования и учета массообмена и массопереноса примесей в пеизотермическом контуре.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Предложены и экспериментально обоснованы методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, включающие одновременно участки теплоподвода и теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и в контуре.

2. Предложена и экспериментально обоснована методика исследований полей скоростей в потоке высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в круглых трубах и кольцевых зазорах. Варианты устройства измерения полей скоростей в потоке высокотемпературных теплоносителей защищены патентами РФ.

3. Определен и представлен массив экспериментальных данных полей температур и осевых скоростей потока тяжелого жидкометаллического теплоносителя в канале круглого сечения (сталь 08Х18Н10Т) в потоке

эвтектики свинец-висмут при температуре 480-520 °С, числах Re = (1,6 -2,7)-105 и в кольцевом зазоре в потоке свинцового теплоносителя при температуре 450 - 550 °С, числах Re = (2,33 - 2,99)-105 в диапазоне термодинамической активности кислорода в теплоносителях 10"5 - 10°.

4. Определен и представлен массив экспериментальных данных зависимостей локальных характеристик теплообмена от поверхности оболочки твэла (сталь 16Х12МВСФБAP-III) к свинцовому теплоносителю в кольцевом зазоре при температуре 450 - 550 °С, скорости потока 0,1-1,5 м/с в диапазоне чисел Ре = 500 - 5000 при содержании кислорода в теплоносителе от 10~5 до 10° и при наличии дисперсной фазы оксидов свинца в явно выраженном неизотермическом контуре.

5. Исследовано влияние содержания примеси кислорода в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе на характеристики теплообмена и экспериментально подтверждена существенная разница влияния содержания примеси кислорода в теплоносителе и процессов массообмена и массопереноса примесей в контуре на характеристики теплообмена на теплоподводящих и теплоотводящих поверхностях.

6. Полученные критериальные формулы характеристик теплообмена, соответствующие возможным эксплуатационным состояниям теплоносителя и контура, рекомендованы для проведения соответствующих инженерных расчетов поверхностей теплообмена применительно к инновационным проектам установок с реакторами на быстрых нейтронах охлаждаемых свинцовым (БРЕСТ) и свинец-висмутовым (СВБР) теплоносителями.

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

1. Пат. 2325717 Рос. Федерация, МПК(7) G 21 С 9/00. Ядерная энергетическая установка / Безносов A.B., Молодцов A.A., Бокова Т.А., Новожилова О.О.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. - №2006128812; заявл. 08.08.2006; опубл. 27.05.2008, бюл. №15.

2. Пат. на полезную модель 65677 Рос. Федерация, МПК(7) G 21 D 1/00. Теплообменник для ядерной энергетической установки / Безносов A.B.,

Новожилова О.О., Мелузов А.Г., Кудрин О.О., Савинов С.Ю.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. - №2005141092/06; заявл. 27.12.2005; опубл. 10.08.2007, бюл. №22.

3. Пат. на полезную модель 72302 Рос. Федерация, МПК(7) F 22 В 1/02, В 63 J 1/00. Парогенератор со свинцовым теплоносителем или его сплавами / Безносов A.B., Новожилова О.О., Бокова Т.А., Зефиров М.Д.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. -№2007139432; заявл. 23.10.2007; опубл. 10.04.2008, бюл. №10.

4. Пат. на полезную модель 72303 Рос. Федерация, МПК(7) F 22 В 1/02, F 22 D 5/28. Парогенератор со свинцовым теплоносителем или его сплавами / Безносов A.B., Новожилова О.О., Бокова Т.А., Антоненков М.А.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государствешшй технический университет. - №2007139395; заявл. 23.10.2007; опубл. 10.04.2008, бюл. №10.

5. Пат. на полезную модель 73758 Рос. Федерация, МПК(7) G 21 D 9/00. Насос погружного типа для перекачки жидких металлов / Безносов A.B., Новожилова О.О., Антоненков М.А., Зефиров М.Д.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. - № 2007149307; заявл. 29.12.2007; опубл. 27.05.2008, бюл. №15.

6. Пат. на полезную модель 73924 Рос. Федерация, МПК(7) F 04 D 1/00, F 04 D 3/00. Насос погружного типа для перекачки жидких металлов / Безносов A.B., Новожилова О.О., Антоненков М.А., Савинов С.Ю.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический университет. - №2007149297; заявл. 29.12.2007; опубл. 10.06.2008, бюл. №16.

7. Пат. на полезную модель 68702 Рос. Федерация, МПК(7) G 01 Р 5/02. Устройство для измерения локальной скорости жидкого металла / Безносов A.B., Кудрин О.О., Савинов С.Ю., Новожилова О.О.; заявитель и патентообладатель Нижегородский государственный технический

университет. - № 2007122432/22; заявл. 14.06.2007; опубл. 27.11.2007, бюл. №33.

8. Характеристики теплообмена моделей поверхностей активной зоны и парогенератора при регулировании содержания примесей в контуре со свинцовым теплоносителем / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, A.A. Молодцов [и др.] // Атомная энергия. - 2008. - Т. 104, вып.2. - С. 74-80.

9. Экспериментальные исследования трения и изнашивания подшипников скольжения в среде высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей / A.B. Безносов, A.B. Назаров, О.О. Новожилова [и др.] // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика - Обнинск, 2007.-№4- С. 84-92.

Ю.Экспериментальные исследования процессов теплообмена и профилей температур потока тяжелого жидкометаллического теплоносителя / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика,- Обнинск, 2008,-№3.- С. 80-90.

11.Экспериментальные исследования осевых скоростей потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре с разным окислительным потенциалом / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов [и др.] // Атомная энергия. - М., 2010. - Т. 108, вып.З. - С. 230-232.

^.Экспериментальное исследование полей скоростей в потоке свинец-висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле при варьируемом содержании в нем кислорода / A.B. Безносов, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова // Вопросы атомной науки и техники. - М„ 2008-Вып.4,- С. 56-61.

13.Особенности работы подшипников скольжения и зубчатых зацеплений в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, A.B. Назаров, Т.А. Бокова // Веспшк машиностроения - М„ 2009,-№2.-С. 43-47.

14.0собенности подшипников скольжения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях ядерных установок / A.B. Безносов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков, П.А. Боков // Вестник машиностроения - М., 2009-№2.-С. 37-41.

^.Экспериментальное исследование полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов // Атомная энергия. - М., 2009. - Т. 106, вып.4. - С. 234236.

16. Heat exchange characteristics in heat supply and heat removal parts of a nonisothermal circuit, including temperature and velocity fields in a HLMC flow, for controlled impurity content / 0.0. Novozhilova, A.V. Besnosov, S.Yu. Savinov, M.A. Antonenkov: Abstracts. 17th International Conference on Nuclear Engineering IC0NE17. - Belgium, Brussels, July 12-16,2009. - P.85.

17.Heat exchange characteristics in heat supply and heat removal parts of a nonisothermal circuit, including temperature and velocity fields in a HLMC flow, for controlled impurity content / S.Yu. Savinov, A.V. Besnosov, 0.0. Novozhilova, M.A. Antonenkov: Abstracts. 17th International Conference on Nuclear Engineering ICONE17. - Belgium, Brussels, July 12-16,2009. - P.86.

^.Характеристики теплообмена в участках подвода и отвода тепла неизотермического контура, включая поля температур и скоростей в потоке ТЖМТ, при регулируемом содержании примесей / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов, М.А. Антоненков.: Тез. докл. третьей межотраслевой научно-практической конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2008).- Обнинск, 2008 - С.76-78.

19. Совмещенные характеристики МГД-сопротивления и теплообмена при формировании электроизолирующих покрытий на теплопередающих поверхностях в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле / А.В. Безносов, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков.: Тез. докл. третьей межотраслевой научно-практической конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2008).- Обнинск, 2008,- С.48-51.

20. Экспериментальные исследования характеристик теплообмена на «горячей» и «холодной» поверхностях одновременно при введении в контур свинцового теплоносителя примесей и очистки от них / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов, А.А. Молодцов.: Тез. докл.

Межведомственный семинар «Теплофизика-2007» Тепломассоперенос и свойства жидких металлов. - Обнинск, 2007. - С.89-91.

21.Экспериментальные исследования теплообмена от свинцового теплоносителя к поверхностям вертикальной и горизонтальной трубы / A.B. Безносов, A.A. Молодцов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов.: Тез. докл. Межведомственный семинар «Теплофизика-2007» Тепломассоперенос и свойства жидких металлов - Обнинск, 2007.- С.92-94.

22.Экспериментальные исследования характеристик теплообмена к свинец-висмутовому теплоносителю и МГД-сопротивления потока в поперечном магнитном поле / A.B. Безносов, С.Ю. Савинов, A.A. Молодцов, О.О. Новожилова.: Тез. докл. Межведомственный семинар «Теплофизика-2007» Тепломассоперенос и свойства жидких металлов - Обнинск, 2007-С.71-73.

23.Исследования полей температур и скоростей в потоке ТЖМТ при продольном и поперечном обтекании труб / М.А. Антоненков, A.B. Безносов, О.О. Новожилова [и др.]: Тез. докл. Седьмая курчатовская молодежная научная школа.- М., 2009.- С. 75.

24.Комплексные исследования теплоотвода от свинцового теплоносителя для верификации рабочих методик (продольное обтекание горизонтальной круглой трубы): отчет о НИР (заключ.) / Нижегородский государственный технический университет; рук. A.B. Безносов. -Н.Новгород, 2007. - 168 с. - Исполн.: A.A. Молодцов, A.B. Назаров, Т.А. Бокова, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов, О.О. Кудрин, И.Ю. Ляхов. -№ГР 01200608891. - Инв. № 02000708668.

25 .Экспериментальное исследование характеристик теплообмена от модели твэла РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода: отчет о НИР (промежуточ) / Нижегородский государственный технический университет; рук. A.B. Безносов. - Н.Новгород, 2008. - 166 с. - Исполн.: О.О. Новожилова, A.B. Назаров, С.Ю. Савинов, Т.А. Бокова, - № ГР 01200608891. - Инв. № 02200803985.

Подписано к печати 13.05.2010. Формат 60 х 84 Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 336.

Типография А52. 603000, г. Н.Новгород, ул. Белинского, 110

Перечень сокращений, условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Основные свойства свинцового и свинец-висмутового теплоносителей и их применение в атомной энергетике. Аналитический обзор.

1.1 Физико-химические свойства свинца и эвтектики свинец-висмут.

1.1.1 Свинец.

1.1.2 Эвтектика свинец-висмут.

1.2 Примеси в контурах со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями и их влияние на характеристики контура.

1.3 Область применения свинцового теплоносителя и его сплавов в атомной энергетике.

Глава 2. Исследования теплообмена в жидких металлах. Аналитический обзор.

2.1 Полуэмпирические теории теплообмена.

2.1.1 Теплообмен к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям при течении в круглых трубах.

2.1.2 Теплообмен к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям при течении в кольцевых каналах (щелях).

2.2 Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре.

2.2.1 Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре при течении в круглой трубе.

2.2.2 Экспериментальные исследования без контроля и регулирования содержания примесей в теплоносителе и контуре при течении в кольцевом зазоре.

2.3 Экспериментальные исследования при контроле и регулировании примесей в теплоносителе и в контуре.

2.3.1 Экспериментальные исследования характеристик теплообмена при контроле и регулировании примесей в теплоносителе и в контуре при течении в трубе.

2.3.2 Экспериментальные исследования характеристик теплообмена при контроле и регулировании примесей в теплоносителе и в контуре при течении в кольцевом зазоре.

2.4 Постановка задач исследований.

Глава 3. Совмещенные экспериментальные исследования характеристик теплообмена на «горячих» и «холодных» поверхностях при регулировании содержания примесей в контуре (продольное обтекание).

3.1 Общие положения.

3.2 Описание экспериментального стенда.

3.3 Описание теплоотводящего и теплоподводящего экспериментальных участков.

3.4 Программа и методика экспериментов.

3.5 Результаты экспериментальных исследований локальных характеристик теплообмена на теплоподводящих и теплоотводящих поверхностях.

3.5.1 Последовательность и характеристика исследований.

3.5.2 Результаты экспериментальных исследований локальных значений •характеристик теплообмена.

3.5.3 Результаты исследования профилей температур при различных режимных параметрах.

3.6 Выводы по главе 3.:.

Глава 4. Экспериментальные исследования полей температур и скоростей в потоках свинцового и свинец-висмутового теплоносителей при контроле и регулировании содержания примесей.

4.1 Общие положения.

4.2 Совмещенные поля температур и скоростей потока свинцового теплоносителя в кольцевом зазоре.

4.2.1 Описание экспериментального стенда.

4.2.2 Описание экспериментального участка.

4.2.3 Программа и методика испытаний.

4.2.4 Результаты исследований полей скоростей и температур в кольцевом зазоре в потоке свинцового теплоносителя при контроле и регулировании содержания примесей.

4.3 Совмещенные поля температур и скоростей потока эвтектики свинец-висмут в канале круглого сечения.

4.3.1 Описание экспериментального стенда.

4.3.2 Описание экспериментальных участков.

4.3.3 Программа и методика испытаний.

4.3.4 Результаты исследований полей скоростей и температур в канале круглого сечения при контроле и регулировании содержания примесей.

4.3 Выводы по главе 4.

Глава 5. Сопоставление формул для определения характеристик теплообмена в круглых трубах и кольцевых зазорах обтекаемых тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.

5.1 Сравнение расчетно-теоретических и экспериментальных выражений характеристик теплообмена к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям.

5.2 Особенности обработки экспериментальных данных при исследованиях характеристик теплообмена в ТЖМТ.

5.3 Влияние наличия примесей в ТЖМТ на характеристики теплообмена.

5.4 Экспериментальные исследования на моделях и на натурных конструкциях теплообменных аппаратов с ТЖМТ.

5.5 Выводы по главе 5.

Создание и развитие ядерных энерготехпологий на первом этапе их освоения в середине прошлого века осуществлялось на базе военных разработок — технологий получения плутония для создания' оружия и ядерных реакторов для атомных подводных лодок. Несколько сот работающих в настоящее время энергетических ядерных реакторов на АЭС, являются, таким образом, гражданскими копиями военных разработок. По современной классификации это реакторы второго поколения, разработанные и построенные, в основном, до чернобыльских событий.

Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволит ядерной энергетике принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост электропроизводства в течение ближайших десятилетий. При этом автоматически выполняются требования Киотского протокола и стабилизируются на любом заранее заданном уровне выбросы парниковых газов, связанные с электроэнергетикой [1]. Европейское сообщество интенсивно продвигает работы по созданию ускорительно управляемых систем с жидкометаллическими мишенями, в, которых используется эвтектический сплав свинец-висмут для трансмутации долгоживущих радионуклидов и для других целей [2 - 4]. Повышение требований к безопасности и надежности работы ядерных реакторов побуждают к поиску новых теплоносителей, обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода, натрий и др.). Одним из таких теплоносителей 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.

Концептуальные проработки быстрых реакторов, охлаждаемых свинцом, показавшие перспективность этого направления в плане создания реакторов повышенной безопасности [5, 6], требуют проведения ряда экспериментальных исследований по уточнению расчетных методик поверхностей теплообмена, исходя из реального (фактического) содержания примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, включая возможные аварийные ситуации с использованием современной вычислительной техники, которая в сороковых-пятидесятых годах прошлого века просто отсутствовала.

Одной из основных проблем, возникающих в процессе проектирования ядерных энергетических установок, охлаждаемых тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, является учет влияния эксплуатационного содержания примесей в теплоносителе и контуре на характеристики теплообмена.

В тяжелых жидкометаллических теплоносителях характеристики теплообмена в участках теплоотвода и теплоподвода не симметричны вследствие различного направления массопереноса примесей, составляющих основное препятствие теплообмену, и различного направления тепловых потоков. В связи с этим актуальной является разработка (уточнение) расчетных методик, расчетных формул теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контролируемом и регулируемом содержании примесей в контуре, прежде всего, примеси кислорода, а также в период и после аварийных ситуаций, связанных с резким и значительным изменением содержания и физико-химического состояния примесей в контуре и в теплоносителе в условиях неизотермического контура.

Целью диссертационной 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 в неизотермическом контуре с участками теплоподвода и теплоотвода, а также анализ и обобщение полученных ранее экспериментальных данных по теплообмену в круглой трубе и кольцевом зазоре при контролируемом и регулируемом содержании примесей в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе и в контуре.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: 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 кольцевом зазоре и в круглой электрообогреваемой трубе;

- проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в кольцевом зазоре неизотермического контура .с участками теплоподвода и теплоотвода;

- проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого, регулирования содержания примесей на распределение полей скоростей и температур в кольцевом зазоре неизотермического контура с участками теплоподвода и теплоотвода;

- разработка выражений для инженерных расчетов характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями на основе проведенных иссле71;ований в неизотермическом контуре при различных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре.

Научная новизна работы заключается в разработке методологии исследований теплофизических характеристик тяжелых жидкометаллических теплоносителей в неизотермическом контуре с контролем и управлением содержания примеси кислорода. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования характеристик теплообмена в неизотермическом контуре с теплоподводящим и теплоотводящим участками при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре, и получены зависимости Nu=/(Pe) в диапазоне чисел Пекле 500.5000 при контролируемом и регулируемом содержании примеси термодинамически активного кислорода в диапазоне 10"5.10° и при наличии слоя отложений примесей. Экспериментально определены поля температур и скоростей в кольцевом зазоре неизотермического контура в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя при контролируемом и регулируемом содержании примесей.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств проведения экспериментов, использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость работы: 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 теплообменпого оборудования и установки в целом.

Предложена и отработана методика теплофизических исследований характеристик теплообмена в кольцевом зазоре 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 результатов.

Личный вклад автора: Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТСиМИ» 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 разработке программ-методик, проведении исследований, обработки и обсуждении результатов. Подготовка диссертационной работы осуществлялась под научным руководством доктора технических наук, профессора Безносова Александра Викторовича.

В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «АТСиМИ» НГТУ им. Р.Е. Алексеева автором самостоятельно и в соавторстве с д.т.н., проф. Безносовым А.В., инж. Серовым В.Е., доц. Боковой Т.А., асп. Савиновым С.Ю., асп. Антоненковым М.А., лаб. Кудриным О.О., лаб. Кузнецовым Д.В., лаб. Ярмоновым М.В. (НГТУ).

На защиту выносятся следующие положения:

- Методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающие исследования одновременно на участках теплоподвода и теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

- Методические основы и устройства измерения полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в круглой трубе и кольцевом зазоре.

- Массив экспериментальных данных исследований полей температур и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в каналах неизотермического контура при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

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

Апробация работы и публикации: Результаты работы докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах.

Результаты работы докладывались и обсуждались на межведомственном семинаре «Теплофизика-2007» «Тепломассоперенос и свойства жидких металов» в г. Обнинске; на VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» г. Нижний Новгород, 2007 г.; на Пятой курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2007 г., на Шестой курчатовской молодежной научной школе г. Москва, 2008 г., на семнадцатой международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-17», г. Брюссель, Бельгия, 2009 г.

Результаты исследований, выполненных автором лично или при его непосредственном участии, опубликованы в статьях в журнале «Атомная энергия», в журнале «Ядерная энергетика», в журнале «Вопросы атомной науки и техники», в журнале «Вестник машиностроения».

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору А.В. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 2 приложений. Объем работы составляет 212 страниц, 78 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 76 наименований, в том числе 48 работ автора.

5.5 Выводы по главе

Массообмен и массоперенос примесей в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем оказывает существенное влияние на характеристики теплообмена в данных системах.

Экспериментальное определение характеристик теплообмена для рекомендаций по проектным инженерным расчетам теплообменных поверхностей реакторных контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями недопустимо проводить без моделирования и/или учета массообмена и массопереноса примесей в неизотермическом контуре.

Целесообразно экспериментально полученные выражения для определения характеристик теплообмена в тяжелых жидкометаллических теплоносителях представлять в виде:

Nu = {A + В ■ Рес) • к:к2к3, где А — постоянная величина, которая определяется геометрией поверхности, содержанием кислорода в теплоносителе и направлением теплового потока;

В - коэффициент, величина которого определяется режимом обтекания поверхностей теплообмена и их геометрией;

С - показатель степени, величина которого близка к 0,8; к}, к2, к3 - коэффициенты, учитывающие шаг между теплообменными элементами по фронту и в глубину, угол наклона оси теплообменных элементов к направлению потока и другое, характеризующее конкретное исполнение конструкций (наличие и характеристики дистанционирующих решеток, условия подвода теплоносителя к теплообменным элементам и др.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены и экспериментально обоснованы методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями, включающие одновременно участки теплоподвода и теплоотвода при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и в контуре.

2. Предложены и экспериментально обоснованы методики исследований полей скоростей в потоке высокотемпературных свинцового и свинец-висмутового теплоносителей в круглых трубах и кольцевых зазорах. Варианты устройства измерения полей скоростей в потоке высокотемпературных теплоносителей защищены патентами РФ.

3. Определен и представлен массив экспериментальных данных полей температур и осевых скоростей потока высокотемпературного тяжелого жидкометаллического теплоносителя в канале круглого сечения в потоке эвтектики свинец-висмут при температуре 480 - 520 °С, числах Re = (1,6 - 2,7)-105 и в кольцевом зазоре в потоке свинцового теплоносителя при температуре 500 - 550 °С, числах Re = (2,33 - 2,99)-105 в диапазоне термодинамической активности кислорода в теплоносителях 10~5 — 10°.

4. Определен и представлен массив экспериментальных данных зависимостей локальных характеристики теплообмена от поверхности оболочки твэла (сталь 16Х12МВСФБАР-Ш) к свинцовому теплоносителю в кольцевом зазоре при температуре 470 — 520 °С, скорости потока 0,1-1,5 м/с в диапазоне чисел Ре = 500 - 5000 при содержании кислорода в свинце от 10° до 10~5 и при наличии дисперсной фазы оксидов свинца в контуре в явно выраженном неизотермическом контуре.

5. Исследовано влияние содержания примеси кислорода в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе на характеристики теплообмена и экспериментально подтверждена существенная разница влияния содержания примеси кислорода на характеристики теплообмена на теплоподводящих и теплоотводящих поверхностях.

6. Полученные критериальные формулы характеристик теплообмена, соответствующие возможным эксплуатационным состояниям теплоносителя и контура, рекомендованы для проведения соответствующих ■ инженерных расчетов поверхностей теплообмена применительно к инновационным проектам установок с реакторами на быстрых нейтронах охлаждаемых свинцовым (БРЕСТ) и свинец-висмутовым (СВБР) теплоносителями.

1. Экспериментальное исследование характеристик проточной части жидкометаллической мишени на свинцово-висмутовом сплаве / А.В. Безносов, А.Г. Мелузов, О.О. Новожилова, А.Д. Ефанов // Атомная энергия. 2007. - Т. 103, вып.З. - С. 186-192.

2. Орлов, В.В. Новый этап ядерной энергетики и быстрые реакторы, охлаждаемые свинцом / В.В. Орлов // Ядерное общество СССР. Информационный бюллетень. — 1991. № 3 (Ю).-С.б.

3. Адамов, Е.О. Развитие атомной энергетики на базе новых концепций ядерных реакторов и топливного цикла / Е.О. Адамов, В.В. Орлов: Тез. докл. конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях.- Обнинск, 1998.- С.15.

4. Свойства элементов: Справочник / под ред М.Е. Дрица.- М.: Металлургия, 1985. 671 с.

5. Козин, Л.Ф. Физико-химия и металлургия высокочистого свинца / Л.Ф. Козин, А.Г. Морачевский.- М.: Металлургия, 1991.- 233 е.: ил.

6. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник / под ред. П.Л. Кириллова.- Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2005.

7. Конструкционные материалы для ЯЭУ с теплоносителями свинец-висмут и свинец / Горынин И.В., Карзов Г.П., Лаврухин B.C. и др.: Тез. докл. конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях.- Обнинск, 1998.- С.22.

8. Опыт эксплуатации ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем на стенде КМ-1 / Филатов Б.В., Василенко В.А., Воронин В.Е. и др.: Тез. докл. конференции Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях.- Обнинск, 1998 — С. 19.

9. Чечеткин, А.В. Высокотемпературные теплоносители / А.В. Чечеткин.— М.: Энергия, 1971.-496 е.: ил.

10. Безносов, А.В. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / А.В. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков М.: ИздАт, 2007.- 434 с.

11. Жуков, А.В. Теплогидравлический расчет реакторов. В 3 ч. Ч. 2. Конвективный теплообмен при однофазном течении (классические и современные представления и решения) / А.В. Жуков — Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2003,- 400 с.

12. Кириллов, П.Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках: учебник для вузов / П.Л. Кириллов, Г.П. Богословская— М.: Энергоатомиздат, 2000.—456 е.: ил. Библиогр.: с.440-445.

13. Жуков, А.В. Теплогидравлический расчет реакторов. В 3 ч. Ч. 1. Общие вопросы / А.В. Жуков.- Обнинск : ГНЦ РФ ФЭИ, 2001.-210 с.

14. Жидкометаллические теплоносители / С.С. Кутателадзе,

15. B.М. Боришанский, И.И. Новиков, О.С. Федынский- М.: Атомиздат, 1958.

16. Кириллов, П.Л. Справочник по гидродинамическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков,-М.: Энергоатомиздат, 1990.

17. Рекомендации, правила, методы расчета гидравлических и тепловых характеристик элементов и оборудования энергетических установок. РТМ 1604.062-90.-М., 1990.

18. Семенов, А.В. Теплообмен свинцового теплоносителя в круглой трубе и кольцевой щели при условии регулирования и контроля его примесей : дис.на соиск. ученой степ. кан. тех. наук : 05.04.11 / Семенов Андрей Валерьевич. Н.Новгород, 2003. -251 с.

19. Молодцов, А. А. Характеристики теплообмена от свинцового теплоносителя в оборудовании ЯЭУ при эксплуатационном содержании в нем примесей : дис.на соиск. ученой степ. кан. тех. наук : 05.04.11 / Молодцов Антон Анатольевич Н.Новгород, 2007. -296 с.

20. Антоненков, М.А. Подшипники скольжения в ТЖМТ / М.А. Антоненков, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова.: Тез. докл. VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки».-Н.Новгород, 2009. С. 251.

21. Особенности работы подшипников скольжения и зубчатых зацеплений в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, А.В. Назаров, Т.А. Бокова // Вестник машиностроения — М., 2009.- №2.- С. 43-47.

22. Особенности подшипников скольжения в тяжелых жидкометаллических теплоносителях ядерных установок / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков, П.А. Боков // Вестник машиностроения.-М., 2009-№2.-С. 37-41.

23. Повышение быстроходности лопаточных насосов для перекачки ТЖМТ (кавитация в потоке ТЖМТ) / М.А. Антоненков, А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов.: Тез. докл. Шестая курчатовская молодежная научная школа — М., 2008 — С. 28.

24. Кириллов, П.Л. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей / П.Л. Кириллов, Н.Б. Денискина. М.: ЦНИИатоминформ, 2000 - 42 с.

25. Безносов, А.В. Исследования характеристик теплообмена от свинцового теплоносителя к поверхности вертикальной и горизонтальной трубы / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов: Тез. докл. Пятая курчатовская молодежная научная школа— М., 2007.-С. 37.

26. Петухов, Б.С. Теплообмен в ядерных энергетических установках : учебное пособие для вузов / Б.С. Петухов, Л.Г. Генин, С.А. Ковалев, С.Л. Соловиев. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 548 с. ил.

27. Экспериментальные исследования полей температур и скоростей в потоке ТЖМТ при регулируемом содержании примесей / М.А. Антоненков, А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов.: Тез. докл. Шестая курчатовская молодежная научная школа- М., 2008.— С. 41.

28. Исследования полей температур и скоростей в потоке ТЖМТ при продольном и поперечном обтекании труб / М.А. Антоненков, А.В. Безносов, О.О. Новожилова и др.: Тез. докл. Седьмая курчатовская молодежная научная школа — М., 2009 С. 75.

29. Экспериментальные исследования полей скоростей в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле при варьируемом содержании в нем примеси кислорода / М.А. Антоненков, А.В. Безносов, О.О.

30. Новожилова, С.Ю. Савинов: Тез. докл. Шестая курчатовская молодежная научная школа — М., 2008 — С. 50.

31. Безносов, А.В. Экспериментальное исследование полей скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов // Атомная энергия. М., 2009. - Т. 106, вып.4. — С. 234-236.

32. Lyon, R.N. Liquid metal heat transfer coefficients / R.N. Lyon // Chem. Eng. Progress. 1951.- Vol. 47, n.2. - P.75 - 79.

33. Субботин, В.И. Теплообмен при течении жидких металлов в круглых трубах / В.И. Субботин, П.А. Ушаков, Б.Н. Габрилович и др. // Инж.-физ. журн. М., 1963. - Т. 6, №4. - С.4.

34. Skupinski, E. Determination des coefficients de convection d'un alliage sodium — potassium dansun tube cirlulaire / E. Skupinski, I. Tortel, L. Vantrey // Internat. J. Heat Mass Transfer. 1965. - Vol. 8, №6. - P.937.

35. Субботин, В.И. Обобщающая зависимость коэффициента переноса тепла в потоке жидкости / В.И. Субботин, М.Х. Ибрагимов, Е.В. Номофилов // Теплофизика высоких температур. М., 1965. - Т. 3, №3. — С.421.

36. Жуков, А.В. Теплогидравлический расчет реакторов. В 3 ч. Ч. 3. Т. 2. Конвективный теплообмен при однофазном течении (классические и современные представления и решения) / А.В. Жуков,- Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2006,- 559 с.