ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ СБОРКА Российский патент 2007 года по МПК G21C3/34 F28F13/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих устройствах, например в ядерных энергетических установках.

Одним из путей повышения энергонапряженности реакторных установок (РУ) и различных теплопередающих устройств является использование средств интенсификации теплосъема. Использование средств интенсификации позволяет увеличить критический тепловой поток и, соответственно, критическую мощность РУ (запасы до кризиса теплоотдачи). Последнее позволяет также увеличить удельную мощность реакторной установки. Наиболее распространенные способы интенсификации теплосъема, используемые в ТВС - турбулизация и закрутка потока.

Известны ТВС, в которых интенсификация достигается за счет нанесения на поверхность твэл различных элементов, создающих то или иное воздействие на поток. Наибольшее распространение получил метод интенсификации, заключающийся в закрутке потока. Известны различные технические решения, позволяющие с помощью винтовых вставок, лопаточных завихрителей, винтообразного оребрения цилиндрических поверхностей твэлов, проволочных навивок вокруг стержней осуществлять вращение всего потока или его части. Результаты выполненных работ свидетельствуют о возможности интенсификации процесса теплообмена при использовании в стержневых сборках интенсификаторов, закручивающих поток теплоносителя с помощью скручивающих лент, расположенных в межстержневом пространстве. (1. Барулин Ю.Я., Коньков А.С., Леонтьев А.И., Тарасова Н.В. и др. Исследование интенсификации теплосъема и гидравлических сопротивлений в модели кассеты кипящего реактора. В сб. докладов Семинар ТФ-74. Исследования критических тепловых потоков в пучках стержней. М.: Совет экономической взаимопомощи. Постоянная комиссия по использованию атомной энергии в мирных целях. 1974 г. с.323-334).

Основной недостаток закручивающих устройств типа скрученных лент заключается в том, что наряду с увеличением критической мощности значительно повышается гидравлическое сопротивление сборки. Конструктивно создание таких устройств достаточно сложно. Внесение каких-либо конструктивных элементов требует экспериментальной проверки в условиях сборки с большим числом стержней.

Известна тепловыделяющая сборка, содержащая тепловыделяющие элементы и закручивающие устройства (2. Жуков А.В., Сорокин А.П., Матюхин Н.М. Межканальный обмен в ТВС быстрых реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1989. с.89., 3. Чесна Б. Теплоотдача и гидродинамика в газооохлаждаемых стержневых тепловыделяющих сборках/ Под редакцией Ю.Вилемаса, Каунас. Литовский энергетический институт, 2003. с.64. 4. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат 1990 г. с.320-323). Закручивающие устройства представляют собой проволоку, навитую на выпуклую теплоотдающую поверхность тепловыделяющих элементов. Закручивающие устройства выполняют роль дистанционирующих устройств и интенсификаторов теплосъема.

Основной недостаток тепловыделяющих сборок (ТВС) такого типа заключается в низкой эффективности закручивающих устройств, используемых в качестве интенсификаторов. Так, например, в (3. Чесна Б. Теплоотдача и гидродинамика в газооохлаждаемых стержневых тепловыделяющих сборках/ Под редакцией Ю.Вилемаса, Каунас. Литовский энергетический институт, 2003 г.) на с.187 указано, что теплоотдача сборки с относительным шагом навивки проволоки T/d=69,8 и относительным шагом упаковки S/d=1,23 в стабилизированном участке течения на 30% меньше по сравнению с теплоотдачей в трубе.

В наших опытах установлено, что использование закрутки потока в парогенерирующих устройствах, в которых присутствуют выпуклые теплоотдающие поверхности, приводит к обратному эффекту - снижению критических тепловых потоков (КТП), преждевременному наступлению кризиса, входу канала в закризисные режимы и выходу из строя реакторной установки (РУ) (5. Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11. с.25-30).

Тепловыделяющие элементы, используемые в ТВС, имеют выпуклые теплоотдающие поверхности. В связи с этим, использование в сборках закручивающих элементов в целях интенсификации теплосъема нецелесообразно.

Для повышения интенсификации теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях твэл в кольцевых каналах с закруткой использован транзитный поток, движущийся вдоль выпуклой теплоотдающей поверхности твэл. При взаимодействии транзитного и закрученного потоков образуются микровихри, которые и способствуют интенсификации теплосъема. Транзитный поток образован с помощью установки на выпуклую теплоотдающую поверхность твэл пуклевок или продольных ребер. Закручивающее устройство фиксировано на вогнутой поверхности кольцевого твэл. (6. Патент России 1540426, МКИ 3 F 28 F 3/12. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко // Заявка №4423162/24-06 от 07.05.88. Открытия. Изобретения. 1992. №31. 7. А.с. 1605671 СССР, МКИ 3 F 28 F 13/12. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко, В.М.Селиванов, О.А.Судницын // Заявка №4647860/24-06 от 26.12.88. Открытия. Изобретения. 1992. №31. 8. Патент РФ 2115083, МКИ 3 F 28 D 7/10. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко, В.Н.Дельнов // Заявка №4891553/06 от 17.12.90. Открытия. Изобретения. 1998. №19).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является тепловыделяющая сборка, содержащая тепловыделяющие элементы и закручивающие устройства, установленные по отношению к теплоотдающим поверхностям твэл с зазором, образованным с помощью фиксирующих элементов, закрепленных на выпуклой теплоотдающей поверхности твэл (7. A.с. 1605671 СССР, МКИ 3 F 28 F 3/12. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко, В.М.Селиванов, О.А.Судницын // Заявка №4647860/24-06 от 26.12.88. Открытия. Изобретения. 1992. №31).

Основной недостаток этого технического решения применительно к тепловыделяющим сборкам ТВС заключается в том, что установка фиксирующих элементов на выпуклой поверхности твэл затрудняет сборку ТВС. Последнее связано с тем, что ТВС имеет дистанционирующие решетки, в которых установлены твэлы. При наличии на поверхности твэл фиксирующих элементов сборка ТВС невозможна.

Предлагается тепловыделяющая сборка, содержащая тепловыделяющие элементы и закручивающие устройства, установленные по отношению к выпуклым теплоотдающим поверхностям твэл с зазорами.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении удельной мощности ТВС, что обеспечивается тем, что зазоры образованы с помощью закрепления закручивающих устройств к дистанционирующим решеткам.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении удельной мощности ТВС, обеспечивается за счет того, что благодаря наличию зазора между закручивающим устройством и выпуклой теплоотдающей поверхностью тепловыделяющего элемента образуются вторичные вихревые структуры. Вихревые структуры образуются при взаимодействии закрученного потока, образованного закручивающим устройством, с транзитным потоком, который движется в образованном вдоль выпуклой теплоотдающей поверхности зазоре. Благодаря вихревым структурам происходит выброс влаги на теплоотдающую поверхность. Последнее способствует более позднему наступлению кризиса теплоотдачи, увеличению критических тепловых потоков (КТП). Увеличение КТП позволяет поднять мощность ТВС в тех же объемах, т.е. увеличить удельную мощность ТВС и, соответственно, реакторной установки (РУ). Вышесказанное экспериментально подтверждено применительно к трехстержневой сборке. Диаметр имитаторов твэл 9,1 мм, длина имитатора 3 м. На поверхности закручивающих устройств в виде завитой в спираль проволоки устанавливались 4 продольных ребра, на которые крепилась завитая в спираль проволока (шаг закрутки 50 мм). Ребра крепились со стороны поверхности имитаторов твэл. Высота ребер и диаметр проволоки 0,5 и 0,8 мм соответственно. В экспериментах получено, что использование закрученного и транзитного потоков позволило увеличить критические тепловые потоки по сравнению с гладкими имитаторами в 1,5-2 раза в зависимости от паросодержания в месте кризиса.

На фиг.1 представлен вариант выполнения тепловыделяющей сборки ТВС. В данном случае зазор между выпуклой теплоотдающей поверхностью твэл обеспечивается с помощью фиксирующих элементов (ребер), закрепленных на закручивающих устройствах со стороны твэл. На фиг.2 показан вариант выполнения закручивающего устройства. Закручивающее устройство содержит элементы, закручивающие поток, и фиксирующие элементы, которые придают жесткость закручивающим устройствам и фиксируют зазор. Фиксирующие элементы прикреплены к закручивающему устройству. Фиксирующие элементы крепятся к закручивающим устройствам со стороны твэл. Далее эта конструкция устанавливается на тепловыделяющие элементы и крепится к дистанционирующим решеткам, фиг.1, (например с помощью сварки), в которых установлены тепловыделяющие элементы.

Для достижения максимального эффекта от взаимодействия закрученного и транзитного потока длина тепловыделяющего элемента, на которой размещаются закручивающие устройства, должна быть выбрана из условия L_p≤L≤L_тв, где L длина тепловыделяющего элемента, на котором размещены закручивающие устройства; L_p - длина релаксации L_тв - длина твэла. Длина релаксации, т.е. длина на которой затухает воздействие на поток, определяется на основе опытных проливок сборки, при тех конкретных теплогидравлических и геометрических параметрах, при которых работает тепловыделяющая сборка. В первом приближении L_p можно определить как L_p=40d_г, где d_г - гидравлический диаметр сборки.

Для повышения эффективности закручивающих устройств они могут быть установлены так, что будут закручивать поток в противоположные стороны (закручивающие устройства на соседних твэлах завиты противоположные стороны). В этом случае при взаимодействии с транзитным потоком будут созданы дополнительные микровихри.

Пример конкретного выполнения рассмотрим на примере ТВС, характерной для РУ ВВЭР - 1000.

Тепловая мощность - 3000 МВт.

Число сборок - 163.

Число имитаторов в ТВС - 312.

Мощность одного твэла

Плотность теплового потока

ТВС набрана из трубчатых твэлов наружным диаметром 9,1 мм. Фиксирующие элементы выполнены в виде продольных ребер, которые прикреплены к закручивающим устройствам (проволока или капилляр, завитый в спираль с шагом 50 мм). Фиксирующие элементы придают жесткость закручивающим элементам, фиг.2. Далее конструктивные элементы в виде закручивающих элементов и фиксирующих элементов крепятся к существующим дистанционирующим решеткам. Высота (диаметр проволоки) ребер 0,5 мм, диаметр проволоки, создающей закрутку, 0,5 мм. Средняя плотность теплового потока в сборке q=0,58 МВт/м². После установки на твэлы закручивающих элементов с ребрами при движении потока возникает взаимодействие закрученного и транзитного потока, движущегося вдоль выпуклой теплоотдающей поверхности твэл. Оценки дают, что при этом запасы до кризиса возрастают в 1,5-1,8 раза. Последнее позволяет увеличить плотность теплового потока и, соответственно, удельную мощность ТВС примерно также (1,5-1,8 раза). Для сохранения параметров теплоносителя на выходе ТВС необходимо, например, увеличить расход теплоносителя через сборку.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить удельную мощность ТВС. Повышение удельной мощности ТВС обеспечивается за счет наличия зазора между закручивающими устройствами и выпуклыми теплоотдающими поверхностями тепловыделяющих элементов.

Источники информации

1. Барулин Ю.Л., Коньков А.С., Леонтьев А.И., Тарасова Н.В. и др. Исследование интенсификации теплосъема и гидравлических сопротивлений в модели кассеты кипящего реактора. В сб. докладов Семинар ТФ-74. Исследования критических тепловых потоков в пучках стержней. М.: Совет экономической взаимопомощи. Постоянная комиссия по использованию атомной энергии в мирных целях. 1974 г. с.323-334.

2. Жуков А.В., Сорокин А.Л., Матюхин Н.М. Межканальный обмен и ТВС быстрых реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 183 с.88.

3. Чесна Б. Теплоотдача и гидродинамика в газооохлаждаемых стержневых тепловыделяющих сборках/ Под редакцией Ю.Вилемаса, Каунас. Литовский энергетический институт, 2003.

4. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогвдравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат 1990 г. с.320-323). Закручивающие устройства представляют собой проволоку навитую

5. Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11. с.25-30.

6. Патент России 1540426, МКИ 3 F 28 F 13/12. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко //Заявка №4423162/24-06 от 07.05.88. Открытия. Изобретения. 1992. №31.

7. А.с. 1605671 СССР, МКИ 3 F 28 F 13/12. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко, В.М.Селиванов, О.А.Судницын // Заявка №4647860/24-06 от 26.12.88. Открытия. Изобретения. 1992. №31.

8. Патент РФ 2115083, МКИ 3 F 28 D 7/10. Теплопередающее устройство / Э.А.Болтенко, В.Д.Дельнов // Заявка №4891553/06 от 17.12.90. Открытия. Изобретения. 1998. №19

Настоящее изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих устройствах, например в ядерных энергетических установках. Тепловыделяющая сборка содержит тепловыделяющие элементы и закручивающие устройства. Закручивающие устройства установлены с зазорами по отношению к выпуклым теплоотдающим поверхностям твэл. Зазоры образованы с помощью закрепления закручивающих устройств к дистанционирующим решеткам. Изобретение позволяет повысить удельную мощность ТВС. 1 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая тепловыделяющие элементы и закручивающие устройства, установленные по отношению к выпуклым теплоотдающим поверхностям твэл с зазорами, отличающаяся тем, что зазоры образованы с помощью закрепления закручивающих устройств к дистанционирующим решеткам.2. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что закручивающее устройство образует зазор, по крайней мере, с двумя соседними твэлами.3. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что длина участка тепловыделяющего элемента, на котором закручивающее устройство образует зазор, выбирается из условия L_p≤L≤L_тв, где L - длина участка тепловыделяющего элемента, на котором закручивающее устройство образует зазор; L_p - длина релаксации, L_тв - длина твэла.4. Тепловыделяющая сборка по п.1, отличающаяся тем, что закручивающее устройство контактирует, по крайней мере, с одним соседним закручивающим устройством.5. Тепловыделяющая сборка по п.4, отличающаяся тем, что закручивающие устройства имеют противоположные направления закрутки.