IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

С 2015 года в Институте Атомной Энергии НЯЦ РК ведутся работы по проекту грантового финансирования «АЭС на основе газоохлаждаемого реактора с водным замедлителем». Данные работы включают в себя как расчетные исследования, так и экспериментальные работы. На сегодняшний день решены следующие задачи: расчет нейтронно-физических характеристик газоохлаждаемого реактора с водным замедлителем; расчет теплофизических и конструкционных параметров теплообменников реактора; моделирование процессов образования и перегрева пара в теплообменной трубке [1].

Для решения последней задачи проекта были произведены разработка и сборка демонстрационной установки образования и перегрева пара и проведены методические эксперименты, направленные на получение перегретого до температуры 500 С пара в тонкостенной теплообменной трубке. Настоящая работа посвящена обсуждению полученных в ходе данных экспериментов результатов.

Целью работы является выработка рекомендаций, направленных на модернизацию конструкции и оптимизацию режимов работы демонстрационной установки для улучшения ее технических характеристик.

Описание установки

Демонстрационная установка предназначена для отработки процесса образования и перегрева пара в тонкостенной теплообменной трубке. Конструкция установки, представленная на рисунке 1, включает в себя следующие элементы: емкость с водой (поз. 1); электронагреватели (поз. 2, 5); теплоизоляция (поз. 3, 6); теплообменная трубка 8×1 мм (поз. 4); расход задающее устройство (поз. 7); запорно-регулирующая арматура (В1, В2, К1); термоэлектрические преобразователи (Т1, Т2 и Т3); манометр.

Емкость с водой служит для предварительного разогрева питательной воды до температуры, близкой к температуре насыщения при данном давлении. Теплообменная тонкостенная трубка предназначена для осуществления трех последовательных процессов: догрев воды до кипения, испарение воды и перегрев пара. Расход задающее устройство предназначено для обеспечения стабильного расхода питательной воды при постоянном давлении. Подвод тепла к системе осуществляется электрическими нагревателями, намотанными на емкость с водой и теплообменную трубку. На днище емкости с водой, на входе и выходе теплообменной трубки установлены термоэлектрические преобразователи (ТЭП). Управление электромагнитным клапаном и регистрация показаний ТЭП осуществляется компьютером посредством базового модуля управления ADAM TCP5000.

Рисунок 1 – Конструкция демонстрационной установки

Порядок проведения эксперимента

На рисунке 2 показан порядок проведения методического эксперимента, который разделен на три этапа: подготовительный, рабочий и расхолаживание [2]. С целью оптимизации времени эксперимента на этапе разогрева воды в емкости и трубки были использованы полученные ранее диаграммы их разогрева.

Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма работы установки

Обсуждение результатов

В результате проведенного методического эксперимента были получены следующие данные (рисунок 3). На рисунке показаны зависимости температуры днища емкости, на входе и выходе из теплообменной трубки от длительности эксперимента. Перегрев пара до 500 С осуществлялся в интервале времени 1320-1380 с.

Рисунок 3 – Результаты эксперимента

Рассмотрим подробнее вышеупомянутый интервал времени. По предварительным расчетам при давлении 4 атм и расходе питательной воды 3,2 г/с через дроссельное соединение требуемая мощность для образования и перегрева пара составляла ~9,8 кВт (таблица 1). В эксперименте эта величина уменьшилась до ~1,8 кВт. Такое различие между расчетными и экспериментальными данными объясняется тем, что давление, создаваемое трубопроводом подачи воды, было недостаточным для обеспечения стационарного расхода на протяжении всего эксперимента. Что привело к торможению потока (снижению расхода) пароводяной смеси в трубке за счет повышения давления во время интенсивного парообразования. Эта проблема может быть решена использованием баллона со сжатым под высоким давлением газом (азот, аргон).

Таблица 1. Сравнение результатов эксперимента и предварительного расчета.

Параметр	Предварительный расчет				Эксперимент
	Подогрев	Испарение	Перегрев	Подогрев		Испарение и перегрев
Температура, С на входе (Т2) на выходе (Т3)	20 100	100 144	144 500	20 100		100 500
Энтальпия, кДж/кг на входе на выходе	84,29 419,39	419,39 2738,05	2738,05 3485,54	84,29 419,39		419,39 3485,54
Требуемая мощность, Вт	1072	7420	2392	1600		1800

Выводы

Проведен методический эксперимент на демонстрационной установке образования и перегрева пара. Получена требуемая температура перегретого пара – 500 С. Подтверждена работоспособность отдельных компонентов системы. Обнаружено расхождение в значении требуемой мощности нагревателя трубки, которое имеет понятное объяснение.

Таким образом, с целью модернизации установки можно выработать следующие рекомендации:

– обеспечить стабильный расход питательной воды на всех участках от подогрева до сброса перегретого пара;

– обеспечить возможность отсечки емкости с водой от системы водопровода, для предотвращения обратного тока пароводяной смеси;

– рассмотреть возможность подключения баллона с газом к установке;

– установить дополнительный манометр после электромагнитного клапана для контроля перепада давления на участках трубки.

Данная работа выполняется в рамках проекта грантового финансирования МОН РК «АЭС на основе газоохлаждаемого реактора с водным замедлителем» (Договор №271 от 12.02.2015 г.)

Список литературы

1 Котов В.М., Сураев А.С. Расчет характеристик газоохлаждаемого реактора с водным замедлителем. – Вестник НЯЦ РК, вып. 3, 2014, с. 87-93.

2 А.С. Сураев, М.К. Скаков, В.М. Котов, А.Г. Коровиков. Демонстрационная установка для отработки процесса получения и перегрева пара. – Сборник аннотаций XIV междисциплинарной молодежной научной школы, Москва, 8–11 ноября 2016г., Москва, Издательство «НИЦ Курчатовский институт», 2016, с. 52.

Код для цитирования: Скопировать