РБ-075-12

Руководство по безопасности

Расчетные соотношения и методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем

Дата введения 2012-08-31

УТВЕРЖДЕНО приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 31 августа 2012 г. N 484

Введено в действие с 31 августа 2012 г.

Руководство по безопасности "Расчетные соотношения и методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем" носит рекомендательный характер и не является нормативным правовым актом.

Настоящее руководство по безопасности содержит рекомендации Федеральной службы по использованию расчетных соотношений и методик расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем.

Выпускается впервые.

________________

Разработано коллективом авторов в составе И.Р.Уголева (ФБУ "НТЦ ЯРБ"). В.П.Бобков и И.П.Смогалев (ФГУП "ГНЦ - РФ ФЭИ")

I. Общие положения

1. Настоящее руководство по безопасности "Расчетные соотношения и методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем" (далее - Руководство по безопасности) разработано в соответствии со статьей 6 Федерального закона от 21 ноября 1995 г. N 170-ФЗ "Об использовании атомной энергии" и содержит рекомендации по выполнению требований федеральных норм и правил в области использования атомной энергии "Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности АС с реакторами на быстрых нейтронах", утвержденных постановлением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 2 декабря 2005 г. N 9 (зарегистрировано Минюстом России 26 января 2006 г. N 7413).

2. Руководство по безопасности распространяется на элементы и оборудование жидкометаллических циркуляционных контуров ядерных энергетических установок.

3. В руководстве по безопасности приводятся расчетные соотношения и методики расчета основных гидродинамических и тепловых характеристик элементов и оборудования ядерных энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем (далее - ЯЭУ), включая:

коэффициенты гидравлического сопротивления трения и местных касательных напряжений, расходов;

коэффициенты теплоотдачи и температуры поверхностей теплообмена;

параметры тепломассообмена при конденсации и теплоотдачи при кипении теплоносителя а также погрешности этих характеристик.

Для режимов без кипения теплоносителя приводятся рекомендации, относящиеся только к стационарным процессам. Рекомендации даны для случаев течения и теплообмена "чистых" (практически без примесей) теплоносителей при хорошем смачивании и отсутствии на поверхности теплообмена каких-либо наслоений или контактных слоёв.

4. Рекомендации, содержащиеся в настоящем руководстве по безопасности, предназначены для использования специалистами организаций, при создании, верификации и экспертизе программных средств (далее - ПС), применяемых при проектировании, испытании и эксплуатации ЯЭУ, а также для обоснования и/или обеспечения их безопасности.

5. Настоящее руководство по безопасности содержит проверенные и обоснованные соотношения и методы расчёта гидродинамических и тепловых характеристик активных зон, элементов и оборудования циркуляционных контуров ЯЭУ.

6. В руководстве по безопасности применяется единая терминология и система обозначений, а также Международная система единиц СИ.

7. Для расчетных соотношений и методик расчета, приведенных в главах II и III настоящего Руководства по безопасности, указываются погрешности расчетных параметров, такие как:

(в % или абсолютных величинах) - среднеарифметическая погрешность описания данной методикой использованного массива экспериментальных данных;

(в % или абсолютных величинах) - среднеквадратичная погрешность описания данной методикой использованного массива экспериментальных данных;

(± в % или абсолютных величинах) - максимальное отклонение рекомендованной методики от использованного массива экспериментальных данных.

8. Для расчетных соотношений и методик расчета, приведенных в главах II и III настоящего Руководства по безопасности, указываются пределы применимости по определяющим параметрам в использованном массиве экспериментальных данных, а также из общефизических соображений.

9. В случае использования других соотношений и методик, чем те, которые указаны в настоящем Руководстве по безопасности, должно быть показано, что расчет теплогидравлических параметров выполнен с погрешностями, дающими возможность сделать обоснованные заключения о безопасности ЯЭУ.

II. Расчет гидродинамических параметров

10. Гидравлическая система первого контура ЯЭУ состоит из каналов активной зоны, насосов, трубопроводов, коллекторов, каналов парогенератора и предназначена для прокачки теплоносителя и передачи тепла от твэлов реактора ко второму жидкометаллическому контуру и далее к воде и водяному пару в парогенераторах (при трехконтурной схеме) или сразу к воде и водяному пару (при двухконтурной схеме). Дополнительными устройствами, входящими в гидравлическую систему, являются теплообменные аппараты, арматура, дроссельные и сепарирующие устройства. Замкнутая гидравлическая система подводящих и отводящих трубопроводов, распределительных устройств внутри корпуса реактора и каналов (кассет) с тепловыделяющими элементами называется циркуляционным контуром.

11. Большинство гидродинамических расчетов в ядерной энергетике связано с течениями в каналах. Главными задачами при расчете таких течений являются определение гидравлических сопротивлений каналов различной геометрии и местных сопротивлений, расчет распределения по каналам расходов, скоростей и касательных напряжений. Основными целями расчета являются: определение потерь давления в каналах и на элементах контура, затрат мощности на прокачку теплоносителя, а также и цели, связанные, в частности, с расчетом эрозии, коррозии, массопереноса.

12. При проведении гидравлических расчетов используются следующие величины, характеризующие поток в каналах: геометрические параметры канала (например площадь поперечного сечения, гидравлический диаметр, длина, абсолютная шероховатость), скорость, плотность и вязкость среды. Средняя плотность среды определяется по средней температуре среды в канале на данном участке.

13. Все теплоносители, используемые в атомной энергетике, включая жидкие металлы, являются ньютоновскими жидкостями и, таким образом, подчиняются общим закономерностям в области гидродинамики.

14. Режимы однофазного течения.

1) Режимы течения в каналах с безотрывным обтеканием.

Ламинарный или слоистый режим течения характеризуется отсутствием пульсаций гидродинамических величин. Критическое число Рейнольдса , (), при достижении которого происходит потеря устойчивости и разрушение ламинарного режима течения в трубах круглого поперечного сечения, обычно принимается равным 2300. За счет устранений возмущений на входе в канал можно существенно затянуть существование ламинарного режима течения до =(57)·10. Наличие шероховатости на стенках трубы уменьшает значение критического числа Рейнольдса. Неизотермичность потока также влияет на критическое число Рейнольдса. При совпадении направлений свободного и вынужденного движений у стенки критическое число Рейнольдса возрастает в зависимости от величины числа Релея () (таблица N 1).

Таблица N 1

Зависимость критического числа Рейнольдса от числа Релея при совпадении направлений свободного и вынужденного движений в круглой гладкой трубе

При противоположном направлении естественной конвекции и вынужденного движения у стенки критическое число Рейнольдса уменьшается, снижаясь при =10 до значения =10.

Критическое число Рейнольдса для каналов некруглого поперечного сечения имеет примерно такое же значение, как и для круглой трубы (таблица N 2). Для каналов с узкими угловыми областями критическое число Рейнольдса является условной величиной, поскольку турбулентность сначала возникает в широкой части канала, а затем распространяется на узкую.

Таблица N 2

Критическое число Рейнольдса для каналов различной геометрии при продольном обтекании

В змеевиках и других криволинейных каналах, где возникают значительные центробежные силы, граница перехода к турбулентному режиму течения сдвигается в область более высоких значений чисел Рейнольдса.

Критическое число Рейнольдса (граница перехода ламинарного течения в турбулентное) в змеевиках рассчитывается по формуле:

,                                         (1)

где - диаметр змеевиков, м; - внутренний диаметр трубы змеевика, м.

Критическое число Рейнольдса в спирально-навитых (витых) трубах диаметром , меньшим их внутреннего диаметра (рис.1), и в локально-навитых трубах, у которых навитые участки чередуются с прямолинейными длиной L, рассчитывается по формуле:

,                                             (2)

где , м.

Пределы применимости формулы (2): ;  .

Переходный к турбулентному режим течения характеризуется чередованием областей с ламинарным и турбулентным течениями. На величину чисел Рейнольдса, в диапазоне изменения которых наблюдается указанный режим течения, сильно влияют шероховатость поверхности, интенсивность турбулентности потока на входе в канал, которые сдвигают начало переходного режима течения в область более низких чисел Рейнольдса, и величина температурного фактора, определяющая взаимодействие между вынужденной и естественной конвекциями.

При переходном режиме течения возникают низкочастотные пульсации параметров потока и наблюдается резкое изменение интенсивности переноса тепла и импульса с возрастанием числа Рейнольдса.

Принимается, что переход от ламинарного режима течения к турбулентному в трубах происходит при , а в сборках стержней треугольной и квадратной упаковок - при .

Турбулентный режим течения характеризуется наличием интенсивных пульсаций параметров потока (например скорости, плотности, температуры), что связано с существованием вихрей, имеющих широкий диапазон пространственных и временных масштабов. Особенностью турбулентного режима течения является также наличие вязкого подслоя у стенки (при надежном смачивании), в котором происходит затухание пульсаций. При плохом смачивании возможно проскальзывание жидкости относительно стенки. Эти случаи весьма редки и в настоящем Руководстве по безопасности не рассматриваются.

2) Режимы течения в каналах с отрывным обтеканием.

Структура течения в каналах с повышенной шероховатостью стенок, с турбулизирующими поток вставками, с поперечным расположением труб и в засыпках определяется характером развития и отрыва пограничных слоев, которые формируются на стенках обтекаемых тел. Процесс отрыва сопровождается возникновением турбулентных вихрей и интенсификацией теплообмена. Наличие по ходу потока большого количества дискретных элементов (например выступов шероховатости, впадин, песчинок) приводит к постоянному чередованию зон отрыва и областей, где происходит восстановление пограничного слоя, и препятствует образованию структуры течения (ламинарная, турбулентная).

Ламинарное (безотрывное) течение в таких каналах имеет место при более низких числах Рейнольдса. Относительная величина шероховатости, начиная с которой проявляется ее влияние на переход к турбулентному течению в трубах, рассчитывается по формуле:

.                                                                   (3)

При течении среды в трубах с интенсификаторами теплосъема критическое число Рейнольдса в зависимости от степени шероховатости изменяется в пределах 5002000. Особо низкие значения (50) наблюдаются при поперечном обтекании труб и в засыпках.

При числах Рейнольдса, больших критического, имеет место течение со смешанной структурой пограничных слоев. Например, при поперечном обтекании труб в диапазоне чисел Рейнольдса 2·10<<2·10 на фронтальной части трубы образуется ламинарный пограничный слой, а на тыловой - турбулентный.