15242

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (ИМИТАТОРА БОРА) НА ВХОДЕ В АКТИВНУЮ ЗОНУ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РАСХОДОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ОТДЕЛЬНЫХ ПЕТЛЯХ

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №3 ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ИМИТАТОРА БОРА НА ВХОДЕ В АКТИВНУЮ ЗОНУ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РАСХОДОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ОТДЕЛЬНЫХ ПЕТЛЯХ Объект исследования: изучение динамики распределения температуры при подогреве воды подав

Русский

2013-06-11

454 KB

1 чел.

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (ИМИТАТОРА БОРА) НА ВХОДЕ В АКТИВНУЮ ЗОНУ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РАСХОДОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ОТДЕЛЬНЫХ ПЕТЛЯХ

  Объект исследования: изучение динамики распределения температуры при подогреве воды, подаваемой в один из напорных патрубков, и различных расходах воды в трех других патрубках (одинаковых, различных по величине, в том числе нулевых), что является моделированием процессов в напорном коллекторе, протекающих при работе одного из четырех каналов системы аварийного ввода бора.

  Изучение распределения температуры на входе в активную зону выполняется для двух вариантов исполнения коллекторов в части объема между днищем шахты и решеткой: без установки имитаторов опор ТВС и с установкой 55 имитаторов опор ТВС, геометрически подобных натурным опорам в части проходного сечения для подвода теплоносителя к ТВС.   

  В ходе работы будет исследовано распределение температуры в 55 точках на входе в активную зону при подогреве до 85 0С воды, подаваемой в один из напорных патрубков, и различных расходах воды в трех других патрубках (одинаковых, различных по величине, в том числе нулевых). Инерционные характеристики термопар (постоянная времени ~0,2 с) позволят получить динамику распространения подогретой воды по времени переходного процесса, начиная от момента замены воды постоянной температуры (~20 0С) подогретой водой (~85 0С) до момента исчерпания емкости подогретой воды и возвращения к режиму подачи во все работающие патрубки воды одинаковой температуры. Такая организация эксперимента является моделированием процессов в напорном коллекторе, протекающих при работе одного из четырех каналов системы аварийного ввода бора в условиях нарушения циркуляции в других петлях. Условия измерений температуры на входе в активную зону при отключении расхода в одном или нескольких патрубках не в полной мере моделируют потоки теплоносителя в напорном коллекторе: не учитываются «обратные» потоки теплоносителя в петлях с «неработающими ГЦНА».

Изменение температур в переходном процессе

  Подогретая вода подается в модель при ее вытеснении из блока батарей водой контура стенда. На выходе из модели подогретая и холодная вода смешиваются во всасывающем коллекторе стенда и в напорный коллектор стенда начинает поступать вода с температурой, более высокой по сравнению с начальной. В первую очередь, вода с повышенной температурой поступает в патрубки, непосредственно соединенные с напорным коллектором (патрубки 2, 3, 4, если все они открыты). В первый патрубок вода с повышенной температурой поступает с задержкой по времени, которая определяется объемом батареи нагревателей, первоначально заполняемой подогретой водой, которая вытесняется вначале холодной водой, а затем водой контура стенда повышенной температуры.

  Изложенное иллюстрируется зависимостями температур во входных патрубках №1 и №2 (термопары 56 и 57) модели и в характерных точках сечения на входе в активную зону, представленных в форме временных зависимостей на рисунках 54…60. Например, на рисунке (54 а) показан переходной процесс для варианта модели со «свободным» объемом в эллиптическом днище, а на рисунке (54 б) – переходной процесс для варианта модели с установленными опорами под ТВС. Для термопар 56 и 57 переходные процессы вследствие равенства расходов по патрубкам и суммарного в модели, близких температур воды в контуре стенда (~22…250С) и в батарее нагревателей (~750С) практически идентичны. Момент времени «0» на графиках соответствует моменту включения измерительной системы. Начало подачи нагретой воды в модель соответствует моменту начала роста температуры  в патрубке №1 (термопара 56). Переходный процесс подачи нагретой воды в патрубок №1 длится около 40 сек, после чего температура воды в первом патрубке определяется изменением температуры в контуре стенда. Температура в патрубке №2 (термопара 57) начинает изменяться через ~15 сек после начала подачи нагретой воды в модель, когда после смешения горячей и холодной воды во всасывающем коллекторе стенда вода повышенной температуры поступает в патрубки №2, 3, 4. В последующие моменты времени температура в патрубке №2 увеличивается (в контуре стенда увеличивается объем воды, вытесненной из нагревательных батарей), превышая асимптотическое значение температуры (~400C) вследствие «сохранения» в этот момент части холодной воды в батарее нагревателей, а затем стремится к асимптотическому значению. Различная крутизна фронта подъема и уменьшения температуры во время подачи нагретой воды из батареи связана с процессами смешения в направлении течения нагретой воды, протекающими в объеме батареи нагревателей и трактах от батареи к модели.

  Изменение температур на входе в активную зону (термопары 32, 1, 28, 55) в пределах первых 5 сек переходного процесса связано с изменением температуры в патрубке №1 (обусловленным меньшим нагревом воды в соединительных трубах нагревательной батареи) и флуктуациями температуры вследствие турбулентного режима смешения струйных потоков. После 15 сек на изменение температур в сечении входа в активную зону начинают влиять изменяющиеся температуры в патрубках №2, 3, 4.

  В связи с изложенным, для характеристики уровня смешения разнотемпературных потоков в условиях определенного распределения расходов воды по подводящим патрубкам выбирается момент времени, лежащий в пределах отрезка времени от установления постоянной температуры в патрубке №1 до начала подъема температуры в патрубке №2. Для условий рисунка 54 а и б - это 13 и 22 сек.

  Данные для иных распределений расхода по подводящим патрубкам качественно подобны представленным на рис.54. Различаются лишь моменты времени начала изменения температуры в патрубке №2, связанные с изменением суммарного расхода в контуре стенда. В то же время установившаяся температура в контуре остается постоянной (определяется неизменными начальными объемами нагретой и холодной воды в контуре стенда). Мало изменяется зависимость температуры от времени для патрубка №1, поскольку расход в этом патрубке в представленных экспериментах сохранялся постоянным (~25 м3/ч).

  Полученные данные изменения температур в контуре могут быть использованы для верификации программ, описывающих переходные процессы в условиях работы системы быстрого ввода бора. Турбулентный характер смешения потоков является основанием считать тепловые и диффузионные процессы протекающими с одинаковой интенсивностью, т.е. смешение разнотемпературных потоков представительно моделирует смешение потоков с различной концентрацией раствора борной кислоты. Различие в замыкании контуров циркуляции в условиях моделирования и петлях реактора ВВЭР-1000 естественно вносит особенности в изменение характеристик потоков (что было представлено ранее), но не является принципиальным для использования полученных данных с целью верификации программных продуктов.

Распределение температуры на входе в активную зону

  Распределение температуры потока в сечении входа в активную зону представлено на рисунках 54…60 а и б в форме теневых картин для условий отсутствия моделей опор ТВС (а) и при их наличии (б). Теневые картины характеризуют области сечения входа в активную зону, имеющие различную температуру. Наиболее светля область (у патрубка №1)* соответствует температуре нагретой воды, поступающей из батареи, наиболее темная область (у патрубка №3 и смежных с ним) – температуре холодной воды в контуре стенда. Указанные области разделены 8 областями с изменяющейся насыщенностью «потемнения», имеющими 9 границ между собою со светлой и темной областью. Указанные границы соответствуют изотермам, для которых относительная температура

  0,1; 0,2; 0,3;…; 0,9,     

  где - температура на изотерме;

        -температура нагретой и холодной воды.

  Представленные зависимости получены линейной интерполяцией значений температур, измеренных термопарами №1, …, №55.

  Анализ пространственного положения изотерм позволяет сделать вывод об интенсивности перемешивания неизотермических потоков в напорном коллекторе в зависимости от:

  •  расходов потоков во входных патрубках, что влияет на характер течения в опускном кольцевом тракте и эллиптическом коллекторе;
  •  конструктивного решения модели в объеме от перфорированного днища шахты до дистанционирующей решетки на входе в активную зону: «свободный» объем или установка моделей опор ТВС. Течение в «свободном» объеме неустойчиво и при различных расходах воды в патрубках характеризуется возникновением вихревых зон в области второго и третьего рядов отверстий решетки на входе в активную зону. При установке моделей опор ТВС течение на входе в активную зону устойчиво, характеризуется малыми флуктуациями скорости, а средние значения скорости являются приблизительно постоянными во всем сечении.

  Общие результаты анализа пространственного положения изотерм сводятся к следующим:

  •  при любом распределении расходов по патрубкам подвода воды к напорному коллектору имеет место значительная неравномерность температуры (концентрации бора) на входе в активную   зону,   если   нагретая   вода  (иная  концентрации  бора) поступает  в  один  из патрубков;
  •  положение области смешения (изотерм) зависит в первую очередь от распределения расхода по патрубкам модели:

  для равномерного распределения расходов изотермы симметричны оси,

                           близкой по направлению к оси патрубков 1 и 3 (рисунок 54);

 для уменьшенного расхода в одном из патрубков (четвертом или втором, рисунки 55 и 56) ось зоны  смешения разворачивается в сторону патрубка с меньшим расходом; расход  в  патрубке 3,   расположенном  на одной оси с патрубком 1 (рисунок 57), слабо влияет на пространственное положение области смешения;

 для уменьшенного расхода в двух соседних патрубках (втором и третьем, рисунок 58 и 59) ось зоны смешения поворачивается в сторону этих патрубков в большей степени, чем при уменьшении   расхода   в   одном   из   патрубков;   уменьшение  расхода   в  двух встречных  патрубках  (втором и четвертом, рисунок 60)  сохраняет  положение  оси  зоны смешения, подобно наблюдаемому при равномерном распределении  расхода по патрубкам (рисунок 54),  но  ширина  зоны  смешения  увеличивается  (уменьшается   расход холодной воды);

  •  конструктивное решение модели в объеме шахты оказывает заметное влияние на положение изотерм:

 при наличии опор  ТВС  смешение   на   входе   в   активную   зону   оказывается меньшим,  в  первую   очередь   для   вариантов   нарушения   равномерной   подачи   расхода  в  патрубки;

  смешение на входе в центральную область активной зоны при наличии опор  

                           ТВС меньше (зона изотерм более узкая);

  для периферийной части сечения  входа в активную зону смешение при  

                          наличии опор ТВС несколько больше.

  Полученные данные о распределениях температуры на входе в активную зону и данные о гидродинамике течения в кольцевом опускном тракте, эллиптическом коллекторе и в объеме эллиптической части шахты, находятся в хорошем качественном соответствии. Изменение положения зоны смешения потоков на входе в активную зону объясняется особенностями формирования струй в кольцевом опускном тракте, а размеры зоны смешения – течением за эллиптическим днищем шахты.

  Таким образом, можно сделать следующие выводы:

    - исследование распределений имитатора бора на входе в активную зону при различных расходах воды во входных патрубках, в том числе при отключении одного или двух патрубков, показывают, что как в условиях равномерного распределения расхода по входным патрубкам, так и при нарушениях циркуляции в контурах охлаждения реактора, обеспечить равномерное распределение бора на входе в активную зону невозможно.

  - в сечении входа в активную зону при различных распределениях расхода воды по подводящим патрубкам и подаче имитатора бора в один из патрубков создается область переменной концентрации бора, изменяющейся от нарушенной концентрации бора в одном из патрубков до номинальной концентрации бора в других патрубках. Область изменяющейся концентрации бора занимает от половины до трех четвертей сечения входа в активную зону и занимает различное положение относительно входных патрубков в зависимости от распределения расхода по входным патрубкам модели.

 - динамика изменения концентрации бора в сечении входа в активную зону определяется изменением концентрации бора в подводящем патрубке в начальный период подвода бора (от системы быстрого ввода бора) и зависит от степени смешения на границе раздела потоков с разной концентрацией бора при ее движении по трубопроводам к реактору. В периоды времени, превышающие время циркуляции теплоносителя по контуру охлаждения, концентрация бора в сечении входа в активную зону зависит от степени перемешивания потоков, движущихся через различные патрубки.

а

б

Рисунок 54 -  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-1-1-1) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)

а

б

Рисунок 55 -  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-1-1-0,5) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)

а

б

Рисунок 56 -  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-0-1-1) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)

а

б

Рисунок 57 -  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-1-0-1) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)

а

б

Рисунок 58 -  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-0,5-0,5-1) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)

а

б

Рисунок 59 -  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-0-0-1) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)

а

б

Рисунок 60-  Изменение температур во времени переходного процесса и изотермы на входе в активную зону в режиме (1-0-1-0) для вариантов модели без опор ТВС (а) и с опорами (б)