19963

Схема тепловых расчетов для конкретной экспериментальной установки

Лекция

Физика

Рассмотреть конкретный пример использования методики расчета температурного поля облучательного устройства. В качестве примера предлагается облучательное устройство Ритм, предназначенное для комплексного исследования пластических свойств ядерного топлива и газовыделения при одновременной регистрации акустической эмиссии в процессе облучения.

Русский

2013-08-13

29.19 KB

1 чел.

Конспект занятия 11.

Цель.

   Рассмотреть конкретный пример использования методики расчета температурного поля облучательного устройства.   В качестве примера предлагается  облучательное устройство "Ритм", предназначенное для комплексного исследования пластических   свойств   ядерного  топлива  и  газовыделения  при одновременной регистрации акустической эмиссии в процессе облучения. Обосновать выбор схемы для тепловых расчетов, выбор конструкционных материалов, теплофизических параметров и источников тепловыделений. Познакомить слушателей с результатами расчетов и их сопоставлением  с экспериментальными данными.

План.

1. Схема тепловых расчетов для конкретной экспериментальной установки.

2.Выбор теплофизических характеристик для проведения расчетов.

3. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета.

  В качестве примера рассматривается облучательное устройство "Ритм", предназначенное для комплексного исследования пластических   свойств   ядерного  топлива  и  газовыделения  при одновременной регистрации акустической эмиссии в процессе облучения.  

  Схематическое изображение экспериментальной установки для проведения тепловых расчетов показано на рис.3.4.

   Для практических расчетов поля температуры в установках необходимо задаться зависимостями теплофизических характеристик материалов от температуры, величинами тепловыделений в элементах установки и коэффициентами теплообмена. Кроме того необходимо задать геометрические характеристики облучательного устройства.

    

    Конструкционными материалами облучательных устройств обычно являются: алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь молибден и вольфрам. Исследования могут проводиться на образцах из урана, его соединений и сплавов с различным обогащением по урану-235.

Рис.3.4.Модель для расчета аксиального поля температуры.

5

Z1

Z2

Z3

Z4

Z=0

R0

R1

RН

R2

R3

Rоб JjОБ

R4

1

2

3

4

6

    В соответствии с рекомендациями [12] зависимость теплопроводности от температуры молибдена может быть аппроксимирована двумя прямыми:

λ = 144-0,0378 (Т-273) (Вт/м K)  при Т < 2120 К   

λ=  74-0,0092 (T-2I20) (Вт/м K)   при Т > 2120 К   

Теплопроводность нержавеющей стали [13] может быть описана параболической зависимостью от температуры:   

λ = 33,2 - 11,2*I0-6 (730 + Т)*(1273 - Т) (Вт/м K).

Теплопроводность алюминия в [ 13] аппроксимирована формулой:

λ = 210 (1,2)(T-350)/345 (Вт/м K)

    Зависимость теплопроводности вольфрама   от температуры [12] можно представить полиномом второй степени:

λ= 0,971*10-5 Т2 + 0,0548 T + 168,6.

    Теплопроводность гелия, которым заполняется испытательная камера, как функция температуры, в соответствии с рекомендацией [14] описывается: соотношением:

λ = λ0*(Т/273)0.73

где λ0 - теплопроводность гелия при Т = 273 К.

    Степень черноты по данным [15 ] и [11] в зависимости от температуры апроксимируется следующими уравнениями:

для молибдена - ε = I,024*I0-4 T,

для вольфрама - ε = I,389*I0-4 T,

для нержавеющей стали в диапазоне температуры 400-1200 К

                            ε = 0,0814(Т)0.3,

для алюминия в пределах 293-323 К  ε  может быть принята постоянной, равной 0,1.

     Коэффициент теплообмена с окружающей средой α определяется по рекомендациям [11] . Его величина для воздуха меняется слабо и может быть принята постоянной, равной 7 Вт/м 2  К .

При охлаждении стенки камеры водой  в отсутствии кипения в пристенном слое α   рекомендуется [11] выбирать в пределах ; 600-1800 Вт/м 2 К. В условиях бассейнового реактора ИРТ-МИФИ при температуре воды 318 К и возможной разности температур между стенкой и водой ~ 45 К можно принять   α = 880 Вт/м2 К.

   

    Тепловыделение в  топлива в соответствии с рекомендациями

[ 9 ] определяется выражением:

qv = 0.3*10-10 N (m 5 σ 5 Ф Т / A 5 + m 8 σ 8 Ф Б / A 8 ) + ρ q γ 

где

N - число Авогадро;

σ 5 и σ 8 - сечения деления изотопов U235 и U238

Ф ТБ - потоки тепловых и быстрых нейтроновА5 и А8 - массовые числа изотопов U235 и U238 

q γ-удельное энерговыделение при поглощении гамма-квантов Вт/г   
ρ - плотность образца.

    Расчет удельного энерговыделения в конструкционных материалах за счет поглощения γ-излучения проводится на основании известной зависимости поглощенной мощности дозы p (рад/с) от мощности реактора.

В этом случае для средней энергии    γ -квантов, равной I МэВ:

q γ = 3,57*10 -4 p γj (μ/ρ )j ,

где γj и (μ/ρ )j - плотность материала и  массовый коэффициент поглощения   j -го элемента конструкции соответственно [16] .

     

    Изложенная выше общая методика теплового расчета высокотемпературных реакторных устройств была использована  при проектировании конкретных облучательных установок. Вне и в поле излучений были проведены эксперименты по исследованию температурных распределений в облучательных устройствах.

     На рис.3.5,3.6 представлены сопоставления расчетных полей температуры с экспериментальными результатами. Представленная общая методика расчета, как видно из приведенного примера, конкретно реализуется в случае задания геометрических размеров системы.

    Таким образом, это типичный пример "поверочного" расчета конструкции. Такой подход к решению задачи оправдан и при наличии ЭВМ экономически целесообразен, т.к.  предполагает неоднократное обращение к программе расчетов на стадии проектирования облучательного устройства.

    При повторных обращениях возможны уточнения геометрических размеров системы, использование других материалов в конструкции. В этом случае необходимы изменения только в блоках программы, и все повторные (вариантные) расчеты не являются трудоемкими.

    Необходимо отметить и еще один аспект использования методики. Поставленная задача стационарна, однако с помощью нее возможно рассмотрение и нестационарных  задач.

    Для реализации таких расчетов необходимо использование программы с изменением параметров (температура, внутренние источники тепла и др.) "шагами", зависящими от времени таким образом, что рассматриваемая система будет проходить последовательно множество стационарных состояний, отвечающих за ее поведение во времени.

Рис.3.5. Зависимость температуры образца (1- эксперимент, 2- расчет) и температуры фланца (4- эксперимент, 3- расчет) от мощности нагревателя при мощности реактора 2,5 МВт.

Т К

1200

900

600

0                                       200                                     400   Р, Вт

1

2

3

4

Т К

1800

1200

600

            0                        40                        80      Z мм

            

Эксперимент

2

3

1

Рис.3.6. Осевое распределение температуры по элементам установки «Ритм». (1, 2, 3 – расчет при температурах нагревателя 2400К, 1500К,990К.) соответственно).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78135. СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОТИВОБОКСОВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМЕ «КОЛЕСО-РЕЛЬС» 152 KB
  Рассмотрена задача снижения потерь энергии вследствие скольжения колеса по рельсу. Появилась новая проблема: фрикционные автоколебания возникающие при боксовании могут вызывать повреждения механизмов передачи тяги от ТЭД к колесам.
78136. Перекрытия. Требования, предъявляемые к перекрытиям 1.3 MB
  Требования предъявляемые к перекрытиям. Перекрытия являются одновременно несущими и ограждающими элементами зданий. Перекрытия вместе тем являются горизонтальными диафрагмами связывающими между собой вертикальные несущие конструкции и обеспечивающие устойчивость здания в целом. Кроме того перекрытия подвергаются также воздействиям связанным с эксплуатацией здания эксплутационная влага ударный и воздушный звук и т.
78137. Полы. Требования предъявляемые к полам 456.5 KB
  Полы устраиваются на грунте или по междуэтажным перекрытиям. Покрытия полов разделяют по способу устройства на полы из листовых материалов штучные и сплошные. Полы из листовых материалов К ним относятся полы из тапифлекса линолеля релина полихлоридных плиток древесностружечных и древесноволокнистых плит. Полы упруги эластичны водостойки и гигиеничны.
78138. Крыши. Требования, предъявляемые к крышам 1.29 MB
  В зависимости от величины уклона крыши подразделяются на: Скатные с уклоном более 10; Пологоскатные 410; Плоские 04. Крыши могут быть односкатными двухскатными четырехскатными вальмовыми полувальмовыми и многоскатными а также пирамидальными коническими купольными и сводчатыми рис. Скаты наклонные плоскости крыши.
78139. Кровли. Кровли из волнистых асбестоцементных листов 2.3 MB
  Недостатки: большой собственный вес и необходимость устройства крупного уклона в результате чего увеличивается площадь крыши и следовательно стоимость. Совмещенные крыши устраиваются вентилируемые и невентилируемые. Совмещенные невентилируемые крыши возводятся только в летнее время в районах с сухим климатом и соблюдением необходимых мер по предохранению покрытий от увлажнения. Мансардные крыши применяются при использовании чердака для жилья или хозяйственных помещений.
78140. Перегородки жилых и общественных зданий 1019 KB
  Перегородки представляют собой ненесущие стены, предназначенные для деления в пределах этажа больших, ограниченных капитальными стенами, объемов на отдельные помещения.
78141. Окна и двери 357 KB
  Как ограждающие элементы, окна должны удовлетворять теплотехническим и акустическим требованиям. Они также должны быть увязаны с архитектурно - художественным решением фасадов и интерьеров. Они состоят из створок и фрамуг. Створки и фрамуги бывают открывающиеся и глухие. Открываются, как правило, вовнутрь.
78142. Лестницы 967.5 KB
  Классификация лестниц и требования к ним: Лестницы служат для сообщения между этажами или разными уровнями. По назначению лестницы делятся на: Основные служащие для постоянного пользования и эвакуации; Вспомогательные для служебного сообщения между этажами; Аварийные наружные эвакуационные лестницы; Пожарные устраиваются открыто вне здания. Конструкция лестницы состоит из чередующихся площадок и маршей. В зависимости от числа маршей в пределах высоты одного этажа лестницы бывают одномаршевые двумаршевые трехмаршевые.
78143. Крупноблочные здания 257.5 KB
  Наружные и внутренние стены монтируются из сборных конструкций заводского изготовления массой до 5 тонн. Для зданий высотой до 5ти этажей применяют бескаркасную конструктивную систему с продольными несущими стенами а для зданий повышенной этажности с большим или смешанным шагом поперечных стен. Наружные стены в пределах высоты каждого этажа членят по горизонтали на два три или четыре ряда блоков. Крупные блоки наружных стен изготавливают из легких бетонов марок М50 М75 М100 плотностью не более 1600 кг м3 а блоки внутренних стен ...