Пасивна система видалення теплоти з контейнменту

1. Пасивна система видалення теплоти з контейнменту, що містить з'єднані між собою теплообмінник-конденсатор в контейнменті та частково заповнений водою бак-випаровувач зовні нього, причому теплообмінник-конденсатор виконаний у вигляді випаровувальних ділянок блока теплових труб, конденсаційні ділянки яких введено із загли 3 ребує енергоживлення для своєї роботи, нагляду та обслуговування і характеризується високою ефективністю за рахунок того, що роль теплопроводу між просторово розділеними теплообмінником-конденсатором і баком-випаровувачем виконують теплові труби, що стабільно працюють при всіх режимах роботи за випаровувальноконденсаційним принципом і еквівалентна теплопровідність яких на декілька порядків вища теплопровідності кращих теплопровідних матеріалів і які характеризуються високою інтенсивністю теплообміну на їх випаровувальних та конденсаційних ділянках, що разом з високою еквівалентною теплопровідністю і дозволяє забезпечити ефективність даної системи пасивного тепловідведення. Довготривалий режим роботи і надійність цієї системи забезпечується за рахунок того, що кожна з теплових труб системи працює автономно і вихід з ладу однієї чи навіть кількох теплових труб не приведе до суттєвого погіршення роботи системи. Пасивність системи визначається тим, що всі її складові при нормальному режимі роботи атомного енергетичного устаткування знаходяться в стані готовності, а у випадку аварійної ситуації і надходженні пари в герметичну оболонку починають працювати, як тільки до їх ділянок випаровування потрапляє джерело теплоти, а саме пара в даному випадку. Потрапляння радіоактивних продуктів розпаду в довкілля при роботі даної системи тепловідведення виключається за рахунок того, що в кожній з теплових труб існує подвійний бар'єр на шляху між теплообмінником-конденсатором і баком-випаровувачем, що має вихід в довкілля а саме стінка теплових труб на ділянках випаровування, що знаходиться в захисній оболонці, де можуть з'явитися продукти розпаду, та на ділянці конденсації. Навіть якщо в якійсь з теплових труб блока буде пошкодження на ділянці випаровування, то на ділянці конденсації продукти розпаду будуть утримуватися всередині корпусу цієї теплової труби. В той же час тривалість роботи цієї системи обмежена кількістю води, що знаходиться в баковівипаровувачі і це є її суттєвим недоліком, так як кількість води завжди буде недостатньою для повної упевненості у тому, що часу роботи системи вистачить для прийняття дієвих заходів по припиненню подальшого розвитку негативних наслідків аварійної ситуації, що спричинила надходження пари в контейнмент. В основу корисної моделі поставлено задачу створення пасивної системи видалення теплоти з контейнменту, в якій нова конструкція бакавипаровувача дозволила б забезпечити збільшення тривалості її роботи та надійності при збереженні високої ефективності, виключення потрапляння продуктів розпаду в довкілля та повної пасивності. Поставлена задача вирішується тим, що в пасивній системі видалення теплоти з контейнменту, що містить з'єднані між собою теплообмінникконденсатор в контейнменті та частково заповнений водою бак-випаровувач зовні нього, причому теплообмінник-конденсатор виконаний у вигляді випаровувальних ділянок блока теплових труб, 67208 4 конденсаційні ділянки яких введено із заглибленням в воду бака-випаровувача, а транспортні ділянки цих теплових труб з'єднують теплообмінникконденсатор та бак-випаровувач, згідно з корисною моделлю, верхній вільний від води об'єм бакавипаровувача заповнено оснащеними плавниками з отворами в них випаровувальними ділянками теплопередаючих елементів кінцевого пристрою теплоскидання випаровувально-конденсаційного типу, конденсаційні оребрені ділянки якого встановлено у атмосферному повітрі, причому випаровувальні ділянки теплопередаючих елементів кінцевого пристрою теплоскидання випаровувальноконденсаційного типу можуть бути об'єднані у суцільні панелі. Заповнення верхнього вільного від води об'єму бака-випаровувача пасивної системи видалення теплоти з контейнменту спорядженими плавниками з отворами в них випаровувальними ділянками теплопередаючих елементів кінцевого пристрою теплоскидання випаровувальноконденсаційного типу, конденсаційні оребрені ділянки якого встановлено у атмосферному повітрі, причому випаровувальні ділянки теплопередаючих елементів кінцевого пристрою теплоскидання випаровувально-конденсаційного типу можуть бути об'єднані у суцільні панелі дозволяє забезпечити збільшення тривалості її роботи за рахунок того, що вода, що випаровується з бака-випаровувача при підведення теплової енергії з контейнменту тепловими трубами, не виходить зразу ж в навколишнє повітря у вигляді пари, а конденсується на плавниках випаровувальних ділянок теплопередаючого пристрою випаровувальноконденсаційного типу або на об'єднаних у суцільні панелі випаровувальних ділянках цього пристрою та через отвори в плавниках повертається назад в бак-випаровувач, що відповідає рекомендаціям МАГATE. І тільки невелика частина води у вигляді випару виходить у атмосферне повітря через штуцер. Конденсація води бака-випаровувача здійснюється на випаровувальних ділянках теплопередаючих елементів кінцевого пристрою теплоскидання шляхом того, що конденсаційні ділянки цього пристрою розміщені в атмосферному повітрі, в яке і надходить прихована теплота випаровування. Це забезпечує доступ системи видалення теплоти з контейнменту до необмеженого по ємності кінцевого поглинача теплоти, а саме атмосферного повітря, що є надзвичайно важливим та відповідає рекомендаціям МАГАТЕ. Підвищення надійності системи видалення теплоти з контейнменту досягається за рахунок застосування принципу неоднаковості, що повинен поряд з резервуванням застосовуватися до систем, гарантуючих виконання функцій безпеки відповідно рекомендаціям МАГАТЕ, до яких належить пропонована система видалення теплоти з контейнменту. Пропонована система не потребує резервування внаслідок високої її надійності, так як для її основних складових, а саме теплопередаючих пристроїв випаровувально-конденсаційного типу розроблена і відпрацьована технології виготовлення, що дозволяє прогнозувати їх безвідмовну роботу протягом періоду, співставного з часом 5 роботи блока станції. Крім того, така система характеризується внутрішнім резервуванням внаслідок того, що кожний з теплопередаючих елементів системи проектується із запасом за максимальним тепловим потоком і малоймовірний вихід з ладу окремого теплопередаючого елемента не знижує суттєво сумарну теплопередаючу здатність системи. Надійність пропонованої системи також обумовлена тим, що вона не потребує живлення для своєї роботи внаслідок її повної пасивності і може працювати як в умовах відмови зовнішнього живлення, так в більш складному випадку відмови ще і системи аварійного енергоживлення, що також є надзвичайно важливим для атомної енергетики, як відзначено в публікаціях МАГАТЕ. Висока ефективність пропонованої системи забезпечується за рахунок того, що тепло-передаючі елементи випаровувально-конденсаційного типу характеризуються високою інтенсивністю теплообміну на їх випаровувальних та конденсаційних ділянках та високою еквівалентною теплопровідністю. Виконання ролі бар'єру на шляху розповсюдження радіоактивних матеріалів, що належить до функцій проміжних контурів охолодження забезпечується за рахунок того, що кожний з теплопередаючих елементів має подвійний бар'єр на шляху між баком-випаровувачем і атмосферним повітрям, а саме стінка теплопередаючих елементів на ділянках випаровування, що знаходиться в баковівипаровувачі та на їх ділянках конденсації, розміщених у повітрі. Повна пасивність системи видалення теплоти з контейнменту визначається тим, що вона працює на основі законів природи з використанням внутрішніх конструктивних особливостей, що також відповідає рекомендаціям МАГАТЕ. Система не потребує підведення джерел живлення та втручання оператора. Всі її складові при нормальному режимі роботи атомного енергетичного устаткування знаходяться в стані готовності, а у випадку аварійної ситуації і надходженні пари в контейнмент починають працювати, як тільки до їх ділянок випаровування потрапляє джерело теплоти, а саме пара в даному випадку. Технічна суть та принцип дії запропонованої пасивної системи видалення теплоти з контейнменту пояснюється кресленням. На кресленні зображено: фіг. 1 - пасивна система видалення теплоти з контейнменту у розрізі, яка включає контейнмент (захисну оболонку ядерного реактора) 1 з теплообмінникомконденсатором 2 в ній, конденсатозбірник 3 та теплообмінник-доохолоджувач 4 під контейнментом 1. Зовні контейнменту 1 розміщено баквипаровувач 5 з водою 6 в ньому. У верхній частині бака-випаровувача 5 знаходиться вільний від води об'єм 7, сполучений з атмосферним повітрям через штуцер 8. Випаровувальні ділянки 9 блока теплових труб 10 виконано увигляді конденсатора 2, їх конденсаційні ділянки 11 введено із заглибленням в воду 6 бака-випаровувача 5, а транспортні ділянки 12 блока теплових труб 10 з'єднують теплообмінник-конденсатор 2 та бак-випаровувач 5. Вільний від води об'єм 7 бака-випаровувача 5 заповнений випаровувальними ділянками 13 теплопередаючих елементів 14 кінцевого пристрою 67208 6 теплопередачі випаровувально-конденсаційного типу 15, конденсаційні оребрені ділянки 16 якого розміщені в кінцевому поглинаючому теплоту середовищі - атмосферному повітрі; фіг. 2 - поперечний переріз випаровувальної ділянки 13 одного з теплопередаючих елементів 14 кінцевого пристрою теплоскидання випаровувальноконденсаційного типу 15 з плавником 17, по довжині якого виконані отвори 18; фіг. 3 - поперечний переріз оснащених плавниками 17 з отворами по їх довжині 18 випаровувальних ділянок 13 теплопередаючих елементів 14 кінцевого пристрою теплоскидання випаровувально-конденсаційного типу 15, об'єднаних у суцільні панелі 19. Пасивна система видалення теплоти з контейнменту працює наступним чином. Пасивна система видалення теплоти з контейнмента при нормальному функціонування ядерного реактора знаходиться в режимі готовності. При виникненні аварій, що супроводжуються надходженням пари в контейнмент 1 та зростанням температури і тиску в ньому, теплова енергія починає надходити до теплообмінника-конденсатора 2 за рахунок природної конвекції пари в контейнменті 1 та її конденсації на зовнішній поверхні конденсатора 2, що являє собою випаровувальні ділянки 9 блока теплових труб 10. Утворюваний на зовнішній поверхні конденсатора 2 конденсат під дією сили гравітації надходить в розміщений під контейнментом 1 конденсатозбірник 3, після чого його температура знижується в теплообміннику-доохолоджувачі 4, а з нього конденсат видаляється в каналізацію. Відбір і наступна передача теплоти конденсації пари здійснюється в теплообміннику-конденсаторі 2 за рахунок прихованої теплоти пароутворення при випаровуванні або кипінні теплоносія на ділянках випаровування 9 блока теплових труб 10, переміщення пари теплоносія на транспортних ділянках 12 всередині корпусів блока теплових труб 10 до їх ділянок конденсації 11. Тут теплоносій блока теплових труб 10 конденсується всередині корпусів теплових труб у бакові-випаровувачі 5, одночасно при цьому нагріваючи воду 6, яка випаровується та надходить у вигляді пари до плавників 17 теплопередаючих елементів 14 кінцевого пристрою теплоскидання 15. Тут пара конденсується на розміщених одна над одною панелях 19, проходячи через отвори 18, а утворюваний конденсат через ці ж отвори 18 повертається в бак-випаровувач 5, що дозволяє збільшити загальний час функціонування даної системи у порівнянні з технічним рішенням - найближчим аналогом. Теплота конденсації передається до теплоносія випаровувальних ділянок 13 теплопередаючих елементів 14 кінцевого пристрою теплопередачі випаровувальноконденсаційного типу 15, який випаровується або кипить і у вигляді прихованої теплоти пароутворення переносить теплоту конденсації до оребрених ділянок конденсації 16 цього пристрою 15. Тут теплоносій теплопередаючих елементів 14 конденсується, віддаючи теплоту до атмосферного повітря. Далі теплоносій теплопередаючих елементів 14 під дією сили гравітації повертається до ділянок випаровування 13 і цикл повторюється. Деяка частина пари, що пройшла через ряди па 7 нелей 19, потрапляє в атмосферне повітря через штуцер 8. Виготовлена та досліджена модель фрагмента пасивної системи видалення теплоти з контейнмента, що мала у своєму складі парову камеру, всередину якої були вмонтовані випаровувальні ділянки трьох теплових труб, конденсаційні ділянки яких були введені в камеру, частково заповнену водою та з'єднана з навколишнім повітрям через штуцер у верхній частині камери. У вільний від води простір цієї камери була введена випаровувальна ділянка з плавником теплопередаючого пристрою випаровувально-конденсаційного типу, оребрена конденсаційна ділянка якого була встановлена у навколишньому повітрі. В результаті проведених дослідів було встановлено наступне: - теплові труби починали працювати через декілька хвилин після подачі пари в парову камеру, про що свідчило підвищення температури теплових труб як на випаровувальних їх ділянках, так і на транспортних, а також на конденсаційних; - через деякий час вода в камері з водою про 67208 8 грівалась, починала випаровуватися та конденсуватися на плавникові теплопередаючого пристрою випаровувально-конденсаційноготипу, про що свідчило підвищення температури на ділянці конденсації цього пристрою; - кінцевим поглиначем теплоти служило атмосферне повітря, а теплоскидання відбувалось шляхом передачі теплоти на оребрену конденсаційну ділянку теплопередаючого пристрою випаровувально-конденсаційного типу та відведення теплоти з неї шляхом конвекції навколишнього повітря; - ефективність роботи пропонованої системи визначається ефективністю роботи її основних елементів теплозбираючих-передаючихрозподіляючих елементів, а саме теплових труб та теплопередаючих елементів, які за рахунок використання випаровувально-конденсаційного принципу функціонування мають ряд суттєвих переваг над традиційними системами теплопередачі, що дозволяє прогнозувати їх надійну і довготривалу роботу в системах забезпечення теплових режимів устаткування енергетичних об'єктів. 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 67208 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601