CC BY-NC
16
А. В. Аполлова, Е.Д. Киселев
Забортный теплообменник система пассивного отвода тепла от реакторной установки
Б01: 10.24937/2542-2324-2021-1-8-1-158-160 УДК 621.565.93/.95
А.В. Аполлова, Е.Д. Киселев
СПбГМТУ, Санкт-Петербург
ЗАБОРТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ОТ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ
После аварии на АЭС «Фукусима-1» ужесточились требования к безопасности реакторных установок, это привело к совершенствованию систем безопасности за счет перехода от активных принципов работы к системам безопасности с пассивными принципами. Примером такой системы является система пассивного отвода тепла (далее СПОТ), которая должна передавать тепло от активной зоны ядерного паропроизводящего агрегата к конечным поглотителям (забортной воде и/или атмосферному воздуху) при штатном и аварийном расхолаживании, а также при работе на статических режимах малой мощности без участия паротурбинной установки. Причем процесс отвода тепла должен осуществляться без использования дополнительных источников энергии. Это означает, что СПОТ должна преобразовывать часть отводимой тепловой энергии в работу по перемещению теплоносителя в ней самой. Без затрат электроэнергии, этот процесс можно осуществить с помощью естественной циркуляции (ЕЦ) и/или пароводяных струйных аппаратов (ПВСА). Ключевые слова: теплообменник, система охлаждения, энергетическая установка, теплоноситель, естественная циркуляция.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-158-160 UDC 621.565.93/.95
A.V. Apollova, E.D. Kiselev
St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg
OUTBOARD HEAT EXCHANGER PASSIVE HEAT REMOVAL SYSTEM FROM THE REACTOR PLANT
After the accident at the Fukushima-1 NPP, the requirements for the safety of reactor facilities became more stringent, which led to the improvement of safety systems due to the transition from active principles of operation to safety systems with passive principles. An example of such a system is a passive heat removal system (hereinafter PHRS), which should transfer heat from the core of a nuclear steam generating unit to the final absorbers (sea water and/or atmospheric air) during normal and emergency cooling down, as well as when operating at low power static modes. without the participation of a steam turbine unit. Moreover, the process of heat removal should be carried out without using additional energy sources. This means that the PHRS must convert part of the removed heat energy into work on moving the coolant in it. Without the cost of electricity, this process can be carried out using natural circulation (EC) and/or steam-water jet devices (PVSA). Key words: heat exchanger, cooling system, power plant, heat carrier, natural circulation. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Теплообменные аппараты широко распространены В период эксплуатации энергетической уста-
на судах, они различны по принципу действия новки возникает необходимость регулирования и конструктивному исполнению. Все теплообмен- температуры охлаждаемой жидкости. ные аппараты непрерывно работают в течение Для регулирования температуры можно при-
продолжительного периода, а в отключенном со- менять автоматику, но лишь при втором способе стоянии должны постоянно находиться в готовно- приемлемо ручное управление. Как правило, ре-сти к действию. гулирующий клапан забортной воды следует
Для цитирования: Аполлова А.В., Киселев Е.Д. Забортный теплообменник система пассивного отвода тепла от реакторной установки. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 1: 158-160. For citations: Apollova A.V., Kiselev E.D. Outboard heat exchanger passive heat removal system from the reactor plant. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Edition 1: 158-160 (in Russian).
A.V. Apollova, E.D. Kiselev Outboard heat exchanger passive heat removal system from the reactor plant
устанавливать за охладителем во избежание давления в нем, приводящего к возникновению кавитации с последующей аэрацией воды. Это особенно важно в том случае, если теплообменный аппарат монтируется в верхней части системы забортной воды и выше ватерлинии. Значительное снижение скорости потока в трубах теплообменника может привести к отложению ила в горизонтальных трубках.
В качестве охладителей и подогревателей различного назначения применяются кожухо-трубные теплообменные аппараты (ТА), поверхности которых выполнены из гладких круглых труб. С целью интенсификации теплообмена широко применяются многоходовые кожухотрубные теплообменные аппараты. В межтрубном пространстве чаще происходит поперечное обтекание пучков труб теплоносителем, реже - продольное. В первом случае в корпусе аппарата устанавливаются поперечные перегородки, а во втором -продольные.
В зависимости от назначения ТА поверхность теплообмена может быть поверхностью как нагрева, так и охлаждения. При любых конечных температурах наибольший температурный напор достигается при противотоке, наименьший - при прямотоке, все другие схемы движения сред приводят к промежуточным значениям температурного потока.
Системы охлаждения активного оборудования на судах представляют собой два контура охлаждения. В первом циркулирует пресная вода высокой степени очистки. Теплоносителем следующего контура является забортная вода [4].
На подводных лодках, таких как например на атомной подводной лодке «Комсомолец» использовалась двухконтурная система теплооб-менных аппаратов главной энергетической установки и бортового оборудования. В первом контуре охлаждения циркулировала пресная вода с отводом тепла в два забортных водо-водяных охладителя.
Применение естественной циркуляции подразумевает размещение охладителя выше источника тепла, в то время как при осуществлении циркуляции ПВСА расположение охладителя, в известных пределах, не имеет значения [3]. Однако в контуре с ПВСА возникает сложная обратная связь. Расход ПВСА зависит от давления и недогрева теплоносителя на выходе из ПВСА до насыщения. В свою очередь, расход определяет недогрев. Сложность реализации системы расхолаживания с ПВСА за-
ключается в особенности пароводяного струйного аппарата нормально функционировать в достаточно узком интервале по недогреву. При малой величине недогрева напора ПВСА оказывается недостаточно для преодоления гидравлического сопротивления контура - наступает, так называемый, срыв циркуляции по «горячей воде». При большой величине недогрева пар конденсируется вблизи парового сопла - наступает, так называемый, срыв по «холодной воде». Кроме того, для запуска ПВСА, т.е. для того, чтобы ПВСА начал создавать напор, необходимо через ПВСА обеспечить циркуляцию теплоносителя. Это можно сделать с помощью пусковой емкости или с помощью естественной циркуляции.
На кафедре была спроектирована система пассивного отвода тепла [1], [2] способная в непрерывном режиме, без срывов (остановок) принудительной, инициируемой ПВСА, циркуляции работать в широком диапазоне изменения величины отводимого тепла - до момента перехода на естественную циркуляцию. Для экспериментального подтверждения работоспособности СПОТ с ПВСА были проведены исследования на Приморской учебно-научной базе СПбГМТУ на многофункциональной исследовательской установке «Бета-К-ТСН».
В ходе работы удалось выяснить, что циклических процессов циркуляции теплоносителя, возникающих при превышении отводимой СПОТ мощности над подводимой к ПГ, можно избежать - путем решения задачи принудительного изменения параметров теплоотвода СПОТ (например, использованием нескольких параллельно включенных ПВСА, работающих на отдельные секции ТО). При применении схем с ЕЦ и промежуточной емкостью ПЕЗВ, целесообразно в емкости ПЕЗВ изготовить перегородку, разделяющую её на два объема - объем стабильного уровня воды, соединенный с питательным трактом ПГ и объем запаса воды, соединенный с трактом ПВСА. В верхней части ПЕЗВ оба объема объединены [4]. Разделение ПЕЗВ на два объема организует в системе СПОТ два самостоятельных циркуляционных тракта, а именно прямоточный парогенератор и объем стабильного уровня воды ПЕЗВ, установленной выше ПГ, создадут тракт ЕЦ через прямо -точный парогенератор, а другой - циркуляционный тракт отвода тепла от емкости ПЕЗВ посредством ПВСА. Данное схемное решение позволит уменьшить взаимное влияние циркуляционных трактов ЕЦ и ПВСА друг на друга.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
159
А.В. Аполлова, Е.Д. Киселев
Забортный теплообменник система пассивного отвода тепла от реакторной установки
Список использованной литературы
1. ШамановН.П., Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н., Соломянский В.Б., Алексеенко И.М. Полунатурный стенд для экспериментальных исследований судового ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата «Бета» // Морской Вестник. 2011. № 2(38). С. 47-48.
2. Экспериментальные исследования на полунатурном стенде судового ядерного моноблочного паропроиз-водящего агрегата «Бета-К» на Приморской учебно-
научной базе СПбГМТУ / Н.П. Шаманов [и др.] // Морской вестник. 2012. № 2(42). С. 29-31.
3. Экспериментальные исследования системы пассивного отвода тепла на Приморской учебно-научной базе СПбГМТУ / АполловаА.В. [и др.] // Морские интеллектуальные технологии. 2018. № 4(42), т. 1. С. 115-123.
4. АндреевА.Г. Исследование параллельной работы пароводяных струйных аппаратов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - СПб. 2012. 25 с.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 08.12.21 © Аполлова А.В., Киселев Е.Д., 2021
