авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Теплообмен и гидродинамика тяжелых жидкометаллических теплоносителей в ядерных и термоядерных реакторах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Савинов Сергей Юрьевич

ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ТЯЖЕЛЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ЯДЕРНЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

05.14.03 – Ядерные энергетические установки,

включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород

2010

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

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Безносов Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Свиридов Валентин Георгиевич;

кандидат технических наук

Шпанский Юрий Сергеевич

Ведущая организация – Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва

Защита состоится 28 сентября 2010г. в          часов          минут на заседании диссертационного совета Д 520.009.06 при Российском научном центре «Курчатовский институт» по адресу 123182 г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Российского научного центра «Курчатовский институт»

Автореферат разослан 2010г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор Мадеев В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из ключевых научно технических проблем при создании реакторов деления тяжёлых ядер на быстрых нейтронах является обоснование выбора теплоносителя. Одним из оптимальных вариантов теплоносителя являются тяжёлые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ), такие как свинец, эвтектика свинец–висмут. Наша страна обладает значительным опытом разработки и эксплуатации установок с ТЖМТ (бортовые установки подводных лодок проектов 645, 705 и 705К), а также ведёт работы по созданию реакторных установок БРЕСТ и СВБР со свинцовым и свинец–висмутовым теплоносителями соответственно. При создании термоядерного реактора (ТЯР) встаёт аналогичная проблема выбора типа теплоносителя для бланкета и дивертора. Традиционным теплоносителем для систем теплоотвода бланкета токамака рассматривается литий. Тяжелые жидкие металлы (свинец, галлий, эвтектики свинец–висмут и свинец–литий) могут рассматриваться как перспективные теплоносители для систем теплоотвода указанных элементов ТЯР, в первую очередь по соображениям безопасности.

Течение теплоносителя в системах теплоотвода ТЯР происходит в мощном магнитном поле, необходимом для удержания плазмы. В случае применения жидкометаллических теплоносителей наличие магнитного поля приводит к значительному изменению характеристик теплообмена между потоком ЖМ и теплообменной поверхностью и гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования.

Основным способом снижения влияния магнитного поля на поток жидкого металла является формирование электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях, ограничивающих поток жидкого металла, обладающих высоким электрическим сопротивлением. В системах теплообмена с тяжёлыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ) роль ЭИП выполняют оксидные покрытия на стенках каналов, формируемые путём обработки теплоносителя кислородом. Снижение гидравлического сопротивления потока ТЖМТ, путём формирования оксидных плёнок, электроизолирующих стенки от потока ТЖМТ, и улучшения их характеристик приводит к монотонному ухудшению характеристик теплообмена вследствие увеличения термического сопротивления пристенной области, создаваемого оксидными пленками. Таким образом, содержание кислорода в теплоносителе и характеристики ЭИП, определяемые этим содержанием, являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов при течении ТЖМТ в магнитном поле.



В настоящее время отсутствуют экспериментальные работы, в которых характеристики теплообмена и МГД–сопротивление исследуются одновременно, а также расчётные зависимости характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления, учитывающие содержание примеси кислорода в теплоносителе и соответствующее ему состояние оксидных ЭИП, необходимые для проектирования теплообменного оборудования с ТЖМТ, работающего в мощном магнитном поле.

Разработка (уточнение) расчётных методик, расчётных формул теплообмена и гидравлического сопротивления каналов в системах с ТЖМТ, работающих в магнитном поле при контролируемых и регулируемых содержании кислорода и характеристиках оксидных ЭИП, и определение содержания кислорода в ТЖМТ, оптимальное при совместном учёте гидродинамики и теплообмена в этих условиях являются актуальными для выбора и разработки концепций систем теплоотвода ТЯР типа токамак.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по обоснованным инженерным расчётным формулам теплообмена и полного гидравлического сопротивления при течении свинец–висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле во всём диапазоне содержания примеси кислорода, возможного при эксплуатации, и определение оптимального содержания примеси кислорода в эвтектике, при котором происходит наиболее эффективное снижение МГД–сопротивление при минимально возможном ухудшении теплообмена.

Задачи работы:

– проведение анализа материалов накопленных к настоящему моменту в исследуемой области;

– разработка и создание высокотемпературного теплофизического стенда со свинец–висмутовым теплоносителем с температурой 380…600 °С и экспериментальным участком в мощном (до 1,0 Тл) поперечном магнитном поле;

– проведение экспериментального исследования по обоснованию выбора оптимального типа датчиков температур для измерения температур в высокотемпературном (380…600 °С) потоке ТЖМТ и стенках каналов в поперечном магнитном поле;

– проведение комплекса экспериментальных работ по одновременному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и варьируемом содержании кислорода в теплоносителе;

– проведение экспериментального исследования осевой составляющей полей локальных скоростей при течении высокотемпературной эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителе;

– разработка рекомендаций по формулам для инженерных расчётов теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения на основе проведённых исследований для различных состояний ЭИП и содержания кислорода в теплоносителе.

 На защиту выносятся следующие положения:

– Методология одновременного экспериментального исследования теплообмена и МГД–сопротивления и исследования полей скоростей при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контролируемых и целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителе;

– Результаты исследования влияния магнитного поля на высокотемпературные характеристики термопар и обоснование применения термопар типа ХК для измерения температур в потоке высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле;

– Массив экспериментальных данных исследования характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученных применительно к условиям систем теплоотвода бланкета ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец–висмут 480…520 °С; термодинамическая активность кислорода в теплоносителе (ТДАК) 10-5…100 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); тепловой поток q=20…25 кВт/м2 магнитная индукция поперечного магнитного поля B=0…0,85 Тл; числах Пекле 320…4600; числах Рейнольдса (0,2…3,5)·105 числах Гартмана 0…500;

– Массив экспериментальных данных исследования МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученные применительно к условиям систем теплоотвода ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец-висмут 480…520 °С; ТДАК в теплоносителе 10-5…100 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); числах Рейнольдса (0,2…3,5)·105; числах Гартмана 0…500;

– Массив экспериментальных данных исследования профиля скорости в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при следующих режимных параметрах: температуре эвтектики свинец-висмут 400…420 °С; ТДАК в теплоносителе а=10-4…100; средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке w=1,0…1,7 м/с; числах Рейнольдса (1,6…2,7)·105 и числе Гартмана 0…365;

– Результаты по совместному экспериментальному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания кислорода в теплоносителе и характеристик ЭИП;

– Рекомендации по компромиссному диапазону содержания кислорода в ТЖМТ, при котором достигается максимальное снижение МГД–сопротивления при наименьшем ухудшении теполообмена.

Практическая значимость

Экспериментально полученные критериальные зависимости характеристик теплообмена и МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения во всём диапазоне возможного содержания примеси кислорода в теплоносителе рекомендованы для расчёта поверхностей теплообмена и полного гидравлического сопротивления теплообменного оборудования и трубопроводов с ТЖМТ, работающих в поперечном магнитном поле. На основе полученных критериальных зависимостей предложен оптимальный (компромиссный) диапазон содержания примеси кислорода в теплоносителе, при котором снижение МГД–сопротивления достигается при минимально возможном ухудшении теплообмена.

Предложены и отработаны методики: 1) проведения совместных теплофизических исследований характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в теплоносителе, которая рекомендована для проведения аналогичных экспериментов со свинец–висмутовым и другими тяжёлыми жидкими металлами, что повышает качество и представительность полученных результатов; 2) проведения исследования полей скоростей (осевой составляющей) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода, которая рекомендована для проведения экспериментальных робот со свинец–висмутовым и другими тяжёлыми металлами, что даёт возможность исследовать распределение скоростей и давлений в каналах системы с ТЖМТ, в том числе и работающей в магнитном поле.

Личный вклад автора

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились по оригинальным программам–методикам на экспериментальных установках и оборудовании предложенных и созданных на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» НГТУ автором лично или при его непосредственном участии. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования и контура в целом, в проведении исследований, обработке и обсуждении результатов исследований.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях. Полученные результаты рекомендованы к использованию при разработке концепций систем теплоотвода ТЯР с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем.





Автором сделаны доклады по результатам работы 3–6 курчатовских молодёжных научных школах, г. Москва 2005–2008гг., на VI–VIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород 2007–2009гг., на Межведомственном семинаре «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов», г. Обнинск 2007г., на третьей межотраслевой конференции «Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ – 2008), г. Обнинск, 2008г., на 17 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 17), г. Брюссель, 2009г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в статьях в реферируемых журналах «Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика», «Вопросы атомной науки и техники. Серия термоядерный синтез», «Вопросы атомной науки и техники. Серия физика ядерных реакторов», «Атомная энергия», «Теплофизика и аэромеханика», в 16 докладах на российских и международных конференциях, в трёх зарегистрированных научно технических отчётах, в трёх патентах на изобретение и четырёх патентах на полезную модель.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трёх приложений. Объём работы составляет 242 страницы, 157 рисунков, одной таблицы, список использованных источников из 77 наиминований, в том числе 47 работ автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

В первой главе проводится анализ и обосновывается возможность применения ТЖМТ и в частности эвтектики свинец–висмут в качестве теплоносителя систем теплоотвода (бланкет) ТЯР.

Рассматривается влияние магнитного поля на теплогидравлические характеристики контура с ТЖМТ и способы снижения влияния магнитного поля на поток теплоносителя. Проведённый анализ показывает, что наиболее эффективным способом снижения влияния магнитного поля является формирование оксидных ЭИП на стенках каналов.

Во второй главе рассматривается процесс теплообмена при течении ЖМ в магнитном поле, и приводятся результаты проведённых автором исследований, целью которых являлось определение характеристик теплообмена при течении свинец–висмутовой эвтектики в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в контуре и теплоносителе.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальном стенде ФТ–1 ТОМГД предназначенном для одновременного исследования характеристик теплообмена и МГД–сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле при контролируемом и варьируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре.

В состав экспериментального стенда ФТ – 1 ТОМГД входил экспериментальный участок (ЭУ) выполненный из прямой трубы круглого сечения с внутренним диаметром dвн=25 мм, толщиной стенки ст=3,5 мм и длиной lЭУ=1800 мм. Материал трубы – аустенитная сталь 08Х18Н10Т. Схема экспериментального участка представлена на рисунке 1.

ЭУ ориентирован вертикально в воздушном зазоре электромагнита. Теплоноситель в ЭУ течет снизу вверх. Протяженность экспериментального участка в зазоре электромагнита составляет 640 мм. Участок гидродинамической и тепловой стабилизации потока теплоносителя до входа в зазор электромагнита составляет 800 мм (32 калибра). В состав экспериментального участка входит термозонд, предназначенный для измерения профиля температуры по диаметральному сечению канала. Для измерения температур на “внутренней” и “внешней” поверхностях стенки экспериментального участка в шести сечения по высоте сборки установлено по 4 микротермопары.

Рисунок 1 Схема экспериментального участка

В четырёх сечениях по высоте экспериментальной сборки расположены отборы теплоносителя (О1–О4) системы измерения перепада давления.

По результатам исследований были получены зависимости характеристик теплообмена в виде критариальной зависимости числа Нуссельта от чисел Пекле и Гартмана Nu=f(Pe, Ha) и профили температур по сечению ЭУ. На рисунках 2–5 представлены характерные графики зависимости характеристик теплообмена для различных содержаний примеси кислорода (различной термодинамической активности кислорода (ТДАК) в контуре a).

Рисунок 2 Зависимость характеристик теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=10-5

Рисунок 3 Зависимость характеристик теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=10-3

Рисунок 4 Зависимость характеристик теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=10-2

Рисунок 5 Зависимость характеристик теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=100

В режиме с глубоким раскислением теплоносителя ТДАК a=10-5 отмечено наибольшее влияние поперечного магнитного поля на поток эвтектики. В данном режиме зависимость характеристик теплообмена имеет вид:

(1)

В диапазоне содержания примеси кислорода, соответствующем эксплуатационным нормам контуров с ТЖМТ, a=10-4…10-2, зависимость характеристик теплообмена описывается следующим выражением:

(2)

При аварийном загрязнении теплоносителя и контура оксидами теплоносителя, что соответствует ТДАК a=10-1…100, отмечено наиболее слабое влияние магнитного поля на поток теплоносителя, одновременно, характеристики теплообмена в данном режиме наихудшие. Полученные характеристики теплообмена описываются критериальной зависимостью вида:

 (3) На рисунках 6, 7 представлены-7 (3)

На рисунках 6, 7 представлены графики временной зависимости температур с указанием времени включения и отключения магнитного поля. Термопары Т11 и Т12 располагались на «внешней» и «внутренней» поверхности ЭУ соответственно; термопары Т25–Т29 входили в состав термозонда ЭУ и равномерно распределены по сечению ЭУ от оси Т29 до пристенной области ЭУ Т25 (расстояние от внутренней стенки ЭУ 1 мм).

Рисунок 6 Временная зависимость температуры по сечению ЭУ T=f(t) tвкл=15 с, tвыкл=61 с, w=0,18 м/с, Pe=450, Ha=500, q=24 Вт/м2, а=10-5

Рисунок 7 Временная зависимость температуры по сечению ЭУ T=f(t) tвкл=15 с, tвыкл=53 с, w=0,18 м/с, Pe=450, Ha=500, q=25,4 Вт/м2, а=100



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.