Сорокин А.П., Кириллов П.Л., Кузина Ю.А., Грабежная В.А., Лощинин В.М.
Расчеты в обоснование характеристик реактора, охлаждаемого водой со сверхкритическими параметрами пара и регулируемым спектром нейтронов, требуют уточнения данных по характеристикам теплообмена. Рассмотрены данные и особенности теплообмена в круглых трубах и пучках стержней при сверхкритических давлениях воды (СКД). Проведенный анализ данных по гидродинамике и теплообмену показал, что при течении воды СКД обнаружены области как более интенсивного, так и ухудшенного конвективного теплообмена по сравнению с докритическими давлениями. Предполагается, что одна из причин ухудшенного теплообмена — наличие пристенного слоя, состоящего из «газовой» фазы с низкой теплопроводностью, и центральной области потока в виде жидкоподобной фазы, имеющей более низкую температуру. Представлен краткий обзор данных по теплообмену в круглых трубах и пучках твэлов при СКД. Поскольку эксперименты на воде сложны и дороги, многие результаты, получены на модельных средах (CO2 и фреон-12). Показано, что, несмотря на многообразие предложенных рекомендаций по границе режимов с ухудшением теплоотдачи, соотношения зависимости граничной плотности теплового потока от массовой скорости существенно различаются. Не рассматривается влияние таких параметров, как давление, геометрия канала, температура поверхности теплообмена и др., они получены для узкого диапазона параметров. Только в результате аналитических исследований ОИВТ РАН, НИУ «МЭИ» представлено обобщение данных по теплообмену в круглых трубах при СКД. Получены лишь ограниченные данные российскими, украинскими и китайскими специалистами по теплообмену в пучках с небольшим числом труб. Результаты китайских специалистов показали, что теплоотдача в пучках труб при сверхкритических давлениях воды выше и более стабильна, чем при движении воды в трубах и кольцевых каналах. В тесных пучках ухудшение теплоотдачи происходило при низких массовых скоростях и высоких тепловых потоках, в широких ухудшения теплоотдачи не наблюдалось. Росту теплоотдачи в пучках способствует перемешивание дистанционирующими и перемешивающими решетками, разрушающими пристенный запирающий слой, препятствующий переносу тепла при сверхкритическом давлении от стенки к центру потока. Необходимо накопление новых экспериментальных данных и дополнительный анализ исследований. Приведено описание и технические характеристики теплогидравлических стендов СКД на воде (СВД-1 и СВД-2) и фреоне-12 (СТФ), имеющихся в ГНЦ РФ — ФЭИ. Представлены и обсуждаются результаты экспериментов, проведенных в ГНЦ РФ — ФЭИ, технический подход и методология планируемых экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена при СКД.
1. Баранаев Ю.Д., Кириллов П.Л., Поплавский В.М., Шарапов В.Н. Ядерные реакторы на воде сверхкритического давления. Атомная энергия, 2004, том 96, вып. 5, с. 374—380.
2. Кириллов П.Л. Водоохлаждаемый реактор ВВЭР СКД (предварительные разработки). Известия вузов. Ядерная энергетика, 2013, № 1, с. 5—14.
3. Махин В.М., Чуркин А.Н. Концептуальные предложения по водоохлаждаемому реактору со сверхкритическими параметрами (обзор зарубежных и российских реакторов SCWR): Обзор. Подольск: АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2017.
4. Кириллов П.Л. Переход на сверхкритические параметры – путь к совершенствованию АЭС с водоохлаждаемыми реакторами. Теплоэнергетика, 2001, № 12, с. 6—10.
5. Силин В.А., Семченков Ю.М., Алексеев П.Н., Митькин В.В., Зорин В.М., Хлопов В.А. Проблемы перехода на сверхкритические параметры теплоносителя в ядерной энергетике. Атомная энергия, 2014, том 117, вып. 5, с. 254—261.
6. Глебов А.П., Клушин А.В. Реактор с быстрорезонансным спектром нейтронов, охлаждаемый водой сверхкритического давления при двухходовой схеме движения теплоносителя. Атомная энергия, 2006, том 100, вып. 5, с. 349—355.
7. Стырикович М.А., Маргулова Т.Х., Миропольский З.Л. Насущные проблемы развития котлов закритических параметров. Теплоэнергетика, 1967, № 6, с. 4—7.
8. Петухов Б.С., Протопопов В.С., Силин В.Д. Экспериментальное исследование режимов ухудшенного теплообмена при турбулентном течении двуокиси углерода сверхкритического давления. Теплофизика высоких температур, 1972, том 10, № 2, с. 347—354.
9. Каменецкий Б.Я. Режимы при смешанной конвекции в вертикальных трубах. Теплофизика высоких температур, 1973, том 11, № 2, с. 352—358.
10. Петухов Б.С., Поляков А.Ф. Границы режимов с «ухудшенной» теплоотдачей при сверхкритическом давления теплоносителя. Теплофизика высоких температур, 1974, том 12, № 1, с. 221—224.
11. Kim J., Jeon H., Lee J. Experimental study on heat transfer characteristics of turbulent supercritical flow in vertical/non-circular tubes. Proc. 11th Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-11). Avignon, France, 2005. Paper 266.
12. Курганов В.А., Зейгарник Ю.А., Яньков Г.Г., Маслакова И.В. Теплообмен и сопротивлению в трубах при сверхкритических давлениях теплоносителя: итоги научных исследований и практические рекомендации. М.: ООО «Печатный салон «Шанс», 2018.
13. Дедякин Б.В., Попов А.С. Теплота и гидравлическое сопротивление тесного семистержневого пучка, охлаждаемого потоком воды при закритических параметрах состояния. Проблемы создания и эксплуатации атомных станций, 1977, вып. 11, с. 244—253.
14. Силин В.А., Семченков Ю.М., Алексеев П.Н., Митькин В.В., Зорин В.М., Хлопов В.А. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления при течении воды сверхкритических параметров применительно к реакторным установкам. Атомная энергия, 2010, том 108, вып. 6, с. 340—347.
15. Razumovskiy V.G., Mayevskiy E.M., Koloskov A.E., Sismenny E.N. Heat transfer in water at super-critical parameters in vertical tubes, annular channels, 3- and 7-rod bundles. Proc. 2th Int. of Nuclear Engineering. China, 2013. Paper 16442.
16. Oka Y., Morooka S., Yamakawa S. et al Research and development of super light water reactors and super fast reactors in Japan. Proc. 5th Int. Symposium on Supercritical Water–Cooled Reactors (ISSCWR–5). Canada, 2011. Paper K 002.
17. Wang H., Bi Q., Wang L. et al Experimental investigations of heat transfer from a 2×2 rod bundle to supercritical pressure water. Nuclear Engineering and Design, 2014, vol. 275, pp. 205—218.
18. Gu H., Li H., Hu Z., Cheng X. Experimental studies on heat transfer to supercritical water in 2×2 rod bundles. Proc. 7th Int. Symposium on Supercritical Water-Cooled Reactors. Finland, 2015. Paper 2052.
19. Грачев Н.С., Кириллов П.Л., Прохорова В.А. Экспериментальное исследование теплообмена в парогенерирующей трубе с внутренним оребрением. Теплофизика высоких температур, 1976, том 15, № 6, с. 1234—1240.
20. Ackerman J. Heat transfer to supercritical pressure water in smooth and Ribbed Tube. ASME, 1969. Paper 69–WA/HT–2.
21. Першуков В.А., Архангельский А.В., Кононов О.Е., Сорокин А.П. Теплофизическая стендовая база атомной энергетики России и Казахстана. Саров: ФГУП «РФЯЦ–ВНИИЭФ», 2016.
22. Кириллов П.Л., Пометько Р.С., Смирнов А.М., Грабежная В.А. Исследование теплообмена при сверхкритических давлениях воды в трубах и пучках стержней. Препринт ФЭИ-3051. Обнинск, 2005.
23. Грабежная В.А., Кириллов П.Л. Теплообмен в трубах и пучках стержней при течении воды сверхкритического давления. Атомная энергия, 2004, том 96, вып. 5, с. 387—393.
24. Селиванов В.М., Смирнов А.М. Экспериментальные исследования теплообмена в трубе при сверхкритических давлениях воды. Препринт ФЭИ-1602. Обнинск, 1984.
25. Кириллов П.Л., Опанасенко А.Н., Пометько Р.С., Шелегов А.С. Экспериментальное исследование теплообмена на пучке стержней при сверхкритических параметрах фреона-12. Препринт ФЭИ-3075. Обнинск, 2007.
26. Пометько Р.С., Опанасенко А.Н., Шелегов А.С. Теплообмен при сверхкритических параметрах теплоносителя в пучке стержней. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2010, № 2, с. 142—150.
27. Краснощеков Е.А., Протопопов В.С. Экспериментальное исследование теплообмена двуокиси углерода в сверхкритической области при больших температурных напорах. Теплофизика высоких температур, 1966, том 4, № 3, с. 389—398.
28. Hall W., Jackson J. Heat transfer near the critical point. Proc. VI Int. Heat Transfer Conference. Toronto, Canada, 1978, vol. 6, pp. 377—392.
29. Курганов В.А. Теплообмен и сопротивление в трубах при сверхкритических давлениях теплоносителя. Часть 2. Теплоэнергетика, 1998, № 4, с. 35—44.
30. Попов В.Н. Теоретический расчет теплоотдачи и сопротивления трения для двуокиси углерода в сверхкритической области. Минск, 1964.
31. Жуков А.В., Кириллов П.Л., Матюхин Н.М., Сорокин А.П., Тихомиров Б.Б., Ушаков П.А., Юрь-ев Ю.С., Мантлик Ф., Гейна Я., Шмид Й, Шульц В., Кретт В. Теплогидравлический расчет ТВС быстрых реакторов с жидкометаллическим охлаждением. М.: Энергоатомиздат, 1985.
32. Bishop A., Sandberg R., Tong L. Forced convection heat transfer to water at near-critical temperatures and supercritical pressure. WCAP, USA, November 1964. – Report-2056.
33. Ушаков П.А., Жуков А.В., Титов П.А. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче к воде в шахматных пучках стержней. Препринт ФЭИ-526. Обнинск, 1974.
34. Yamagata K., Nishikava K., Fujii T., Yoshida S. Forced convection heat transfer to supercritical water flowing in tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1972, vol. 15, pp. 2575—1593.
35. Шицман М.Е. Ухудшенные режимы теплоотдачи при закритических давлениях. Теплофизика высоких температур, 1963, том 1, № 2, с. 267—275.
36. Вихрев Ю.А., Локшин В.А. Экспериментальное исследование температурного режима горизонтальных парогенерирующих труб при сверхкритических давлениях. Теплоэнергетика, 1964, № 12, с. 79—82.
37. Смолин В.Н., Михан В.И., Шпанский С.В. и др. Исследование теплоотдачи при сверхкритических параметрах воды на макете U-образного канала прямоточного ядерного реактора. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика и техника ядерных реакторов, 1981, вып. 4, с. 3—10.
38. Кириллов П.Л., Ложкин В.В., Смирнов А.М. Исследование границ режимов в каналах при сверхкритических давлениях. Препринт ФЭИ-2988. Обнинск, 2003.
39. Грабежная В.А., Кириллов П.Л. Граница ухудшения теплообмена при течении сред сверхкритического давления. Атомная энергия, 2006, том 101, вып. 4, с. 262—270.
40. Икрянников Н.П., Петухов Б.С., Протопопов В.С. К расчету теплоотдачи в однофазной околокритической области при вязкостно-инерционно-гравитационном течении. Теплофизика высоких температур, 1973, том 11, № 5, с. 352—358.
41. Курганов В.А., Анкудинов В.Б., Каптильный А.Г. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в вертикальных трубах при сверхкритических давлениях теплоносителя. М.: ИВТАН, 1989. С. 95—160.
42. Горбань Л.М., Пометько Р.С., Хрящев О.А. Моделирование теплоотдачи на воде сверхкритического давления фреоном. Препринт ФЭИ-2110. Обнинск, 1990.
