Интенсификация и моделирование теплообмена в энергодвигательных установках аппаратов для пилотируемой экспедиции на Марс, страница 16

Расчеты показали, что для достижения поставленной цели достаточно наличия трех зон профилирования, дальнейшее увеличение колличества зон не приводит к ощутимому улучшению результатов.

Применение описанного ассимметричного трехзонного профилирования для ТВС, имеющих большую (~1.2) азимутальную неравномерность нейтронного потока, привело к уменьшению неравномерности температурных полей в выходном сечениии ТВС в 3-4 раза в сравнении с ранее применяемыми методами ось симметричного профилирования, что создавало возможность повышения уровня среднемассоьий температуры ТВС. На рис.2, представлены конфигурации зон при осесимметричном и ассиметричяом трехзонном профилировании и результаты расчетов полей температур в выходном сечении ТВС.

Рис.2. конфигурации зон и температурные поля  при осесимметричном и ассиметричyом трехзонном профилировании в выходном сечении ТВС [1].

Следует также отметить, что результаты измерений полей температур газа при проведении испытаний показали достаточно хорошее согласие результатов расчета по вышеизложенной модели с экспериментом. Результаты сопоставления расчетных и экспериментально полученных значений температур для шести ТВС, установленных в одном ряду реактора на одном из проведенных режимов представлены на рис. 3. Приведено распределение относительной избыточной энтальпии по азимуту в сечении установки термопар на радиусе их местоположения.

Рис.3.Сравнение расчетных и экспериментальных значений, температур теплоносителя в местах установки зонных термопар для ТК первого ряда реактора ИВГ-1 и различных режимов испытаний.Другой проблемой является построение расчетной модели аварийного процесса в одном из вариантов конструкции теплоизоляции ТВС, прошедшем реакторные испытания.

Изоляция внутренних, горячих слоев выполнялась из втулок, так называемой "слоенки", представляющей графитовый материал с карбидными включениями в виде "иголок" длиной около 100 мкм, защищенных карбидным покрытием тслщиной в несколько десятков мкм. Наружный, холодный, слой теплоизоляции изготавливался из пирографита.

Расчетная модель включает в себя:

а) расчет температурного поля теплоизоляции и величины зазоров между- втулками;

б) расчет протечек рабочего тела по зазорам;

в) определение плотности продуктов реакции в зазорах;

г)определение скорости уноса углерода из втулок теплоизоляции и изменение их геометрии.

Модель расчета уноса углерода учитывала унос посредством диффузии через карбидное покрытие и трещинь. в нем. Сравнение результатов расчета и эксперимента показывает, что экспериментальный унос примерно на порядок превышает рассчитанный для бездефектного покрытия. Т.е., унос углерода идет в основном через трещины в покрытии. При получении эффективного коэффициента массообмена от поверхности углерода под покрытием к рабочему телу, текущему в зазоре между слоенкой и соседней втулкой, учитывались сопротивления в поверхностном слое над слоенкой, в зазоре, в трещине, в погранслое зазора. В итоге получается уравнение для определения скорости увеличения толщины слоя углерода, унесенного из под покрытия.

Можно записать следующее выражение для скорости уноса углерода

ε_с - доля углерода в "слоенке";

ρ_с - плотность углерода;

ρ_в - равновесная плотность продутов реакции в каверне между "слоенкой" и карбидным покрытием;

ρ - средняя плотность продуктов реакции в водороде; х - ширина каверны (то-есть толщина прореагировавшего слоя углерода);

Dh,Dc - коэффициенты диффузии углерода в водороде и карбидном покрытии;

δ - толщина покрытия;

εt - открытая пористость покрытия;

β - коэффициент массопереноса в зазоре;

Кr - константа скорости гетерогенной реакции между графитом и водородом.

При некоторой ширине каверны покрытие нарушается. Это присходит из-за того, что ширина каверны примерно равна размеру "иголок"', то есть как только иголки в вынесенном слое теряют сцепление с графитом, происходит их смещение, покрытие остается без поддержки и разрушается под действием потока в зазоре.