Взаимодействие встречных потоков газового теплоносителя в модели шаровой засыпки активной зоны бесканального реактора ВГ-50

Теплообмен в шаровом слое освещен в современной научно-технической литературе менее полно, чем теплообмен в трубчатых поверхностях. Это объясняется тем, что до начала 60-х годов шаровой слой рассматривался лишь как насадка без внутреннего тепловыделения, имеющая назначение фильтра или засыпки рекуператора.
Начатая в 60-е годы разработка проектов газоохлаждаемых бесканальных реакторов с шаровыми ТВЭЛами послужила толчком к проведению работ по теплообмену в шаровом слое при больших числах Рейнольдса. Комплекс проведенных работ привел к получению зависимостей интенсивности теплообмена шаров от числа Рейнольдса при различных объемных пористостях шаровой засыпки.
Шаровая засыпка активной зоны бесканального газоохлаждаемого реактора характерна тем, что объемная пористость не будет одинаковой по всей зоне, особенно в процессе перегрузок и эксплуатации по принципам многократного и однократного прохождения ТВЭЛов через активную зону (ОПАЗ), когда в отдельных местах шаровой засыпки могут возникнуть локальные укладки от тетраоктаэдрической (с пористостью т=0,26) до кубической (т= 0,476), а также может изменяться и пористость у стенки.
В экспериментальной работе Декена изучалась неравномерность среднего коэффициента теплоотдачи в сечении шарового слоя диаметром 20 калибров и в разных точках шаровой укладки, в том числе у стенки. Получены различия в пределах ±10%.
Особенно сложна картина теплообмена в бесканальной активной зоне в случае необходимости охлаждения шаровых ТВЭЛов реактора, когда часть потока газа направляется на расхолаживание выгружаемых по каналу выгрузки шаровых ТВЭЛов.
В научно-технической литературе пока еще отсутствуют методы расчета течений газа в шаровой насадке при наличии встречных потоков различной интенсивности.
В простейшем случае можно рассмотреть встречу основного потока газового теплоносителя, пронизывающего шаровую засыпку бесканальной активной зоны, и потока газа, выходящего из канала выгрузки навстречу основному. После смешения в шаровом слое оба эти потока удаляются из активной зоны в газосборник горячего газа, расположенный на некотором расстоянии от стенок канала выгрузки шаровых ТВЭЛов. Естественно предположить существование некоторой области в засыпке, где происходит взаимное гашение скоростей потоков, а следовательно, существенное ухудшение теплоотдачи и связанное с ним явление перегрева ТВЭЛов, имеющих здесь достаточно высокое тепловыделение.
В задачу проведенного исследования входило получение данных о величине теплообмена в шаровой засыпке в области смешения встречных потоков различной интенсивности. Кроме того, необходимо было уточнить зависимость теплообмена от числа Рейнольдса для области вне зоны смешения потоков. С учетом приведенных данных о возможном изменении пористости по зоне в процессе перегрузок' измерения должны быть многократными, т. е. носить по возможности статистический характер.
Экспериментальное исследование проводили на стенде ВНИИАМа, представляющем собой замкнутую циркуляционную петлю с газодувкой, экспериментальным участком и вспомогательными теплообменниками (рис. 1). В петле предусмотрено разделение теплоносителя на два потока и подача их в экспериментальный участок. Для каждого из потоков теплоносителя предусмотрены измерительные участки определения расхода и дроссельные устройства регулирования расхода.