Lézeroptikai méréstechnikák alkalmazása VVER fűtőelem-kazetta áramlási viszonyainak vizsgálatához

Átírás

1 Nukleon 29. március II. évf. (29) 34 Lézeropikai mérésechnikák alkalmazása VVER fűőelem-kazea áramlási viszonyainak vizsgálaához Tar Dániel, Baranyai Gábor, Ézsöl György, Tóh Iván MTA KFKI Aomenergia Kuaóinéze, Termohidraulikai Laboraórium 2 Budapes Pf. 49, el.: /37 A kísérleek célja a hűőközeg keveredésének anulmányozása fűőelem-kazea makeen, és az eredmények compuaional fluid dynamics (CFD) szimulációkkal való összehasonlíása. Paricle image velocimery (PIV) mérésechniká alkalmazunk a sebesség, laser induced fluorescence (LIF) echniká pedig a hőmérsékle mezők meghaározására. A már meglévő, eredei alkarészeke is aralmazó VVER-44/23 munkakazea : lépékű modelljének fűőelem pálcái közül 36-o elekromosan fűheővé leük, így exrém és egyenlees eljesímény-eloszlásoka is beállíounk. Leheővé eük a radiális irányú (vízszines) síkokban való sebességmérés, melynek során a hűőközeg csóva áramlási irányú engely körüli forgásá vizsgáluk. Megisméelheőségi vizsgálao végezünk sebességprofilok isméel mérése úján. A hőmérsékle eloszlás felvéelek bizonyalanságának csökkenése érdekében ovábbi kísérleek szükségesek. Bevezeés A cikkben paksi VVER fűőelem-kazea modellben a hűőközeg áramlási viszonyainak lézeropikai mérésechnikák segíségével örénő kísérleeiről számolunk be. A Paksi Aomerőműben a hőeljesímény-növelés megvalósíása új ípusú profilírozo üzemanyag kazeák segíségével leheséges. Az előzees vizsgálaok kimuaák, hogy a bizonsági aralékok megfelelő szinen arása mia az akív zóna egyenlőlenségi limijei és egyéb kereparaméereke válozalanul kell arani, így az emel hőeljesímény mia a öle ervezés szigorúbb peremfeléelek melle lesz megvalósíhaó. Nem kizárhaó, hogy bizonyos üzemi sziuációkban, kampány állapookban a névleges eljesímény nem lesz elérheő. Ennek egyik oka az, hogy a eljesímény jelenősen korláozó mennyiség, a szubcsaorna számío kilépő hőmérsékleének meghaározása konzervaívan, keveredés figyelembe véele nélkül örénik. A kísérleek végső célja a hűőközeg keveredésének anulmányozása a megépíe fűőelem-kazea makeen mér kédimenziós sebesség és hőmérsékle eloszlások alapján, és az eredmények compuaional fluid dynamics (CFD) szimulációs számíásokkal való összehasonlíása. Paricle image velocimery (PIV) mérésechniká alkalmazunk a sebesség, laser induced fluorescence (LIF) echniká pedig a sebességmezők meghaározására. Korábban, a kísérlesoroza első részekén a megépíe fűőelem-kazea modell kilépőcsaorna részében sebességmező méréseke végezünk PIV echnikával [-2]. A VVER-44/23 munkakazea : lépékű kazeamodell fűőelempálcái közül 36-o elekromosan fűheővé eük, valamin a berendezés kiegészíeük egy hűőkörrel. A fűheő pálcák ado konfiguráció szerini ki- és bekapcsolásával exrém, és az erőművi üzemi állapohoz hasonló, egyenlees eljesímény-eloszlásoka is beállíounk. Az axiális irányú (függőleges) síkokban örénő mérések uán leheővé eük a radiális irányú (vízszines) síkokban való sebességmérés, melynek során a hűőközeg csóva áramlási irányú engely körüli forgásá vizsgáluk. Megisméelheőségi vizsgálao is végezünk a kazea kilépő ermoelem körüli áramlási csaornarész függőleges síkokban kapo sebességprofilok isméel mérése úján. A fűheő munkakazea-modell és a mérőkör A ovábbfejlesze kazeamodell vázlaá az. ábra, a fejrész rajzá a 3. ábra muaja (ez az [] cikkben már részleesen ismereünk). A modell fenéklemeze módosul, melyen megjelen a 36 indirek fűésű pálca ömszelencés ávezeése (4. ábra). Ebben a cikkben a felső mérőablakon kereszül felve sebességeloszlás is ismereünk (2. és. ábra). Konak: ar@aeki.kfki.hu Beérkeze: 28. december. Magyar Nukleáris Társaság, 29 Közlésre elfogadva: 29. január 2.

2 Nukleon 29. március II. évf. (29) ábra: A felső mérőablak 3. ábra: Kazeamodell fejrész. ábra: A kazeamodell vázlaos rajza; fűőelemrudak (), haszöges burkola (2), keverőrács (3), a haszöges áramlási csaorna hengeresre válozik (4), emelőcsapok (), illeszőrózsa (6), ermoelem (7), fenéklemez fűési ávezeéssel (8), fűőelem ömszelencés kivezeése (9) 4. ábra: Tömszelencés kivezeés, fűőparonok Az mm hosszú fűőelem modell indirek elekromosan fűö szakasza 9 mm. Egy fűőparon maximális eljesíménye 2 kw, így a maximálisan elérheő összes eljesímény 72 kw. (A mérések során azonban álalában ennek csupán ör részé használuk; az alább bemuao T konfiguráció eseén 4 kw, P konfiguráció eseén 2 kw vol az összeljesímény). A minegy 3 kw eljesíményű keringeő szivayú működéséből és a fűőelemek fűéséből adódó hőeljesímény elvezeésére egy részáramú hűőkör kerül beépíésre (. ábra). Az ellenáramba köö víz-vizes hőcserélő meleg és hideg oldalán is minegy 3 m 3 /h forgalomig lehe válozani a víz mennyiségé szelepek segíségével. A hideg oldal a PMK-2 kísérlei berendezés [3] ercier hűőkörébe kööük be, annak keringeő szivayújá használjuk, így a eljesímény elvielé a kör csepegeő álcás hűőornyai bizosíják. A kazeák közöi résáramoka a korábbi kísérleel azonos módon [] modellezük, három by-pass ág beépíésével. A by-pass bevezeések közvelenül a haszöges csaorna felső részénél levő 2 -os szimmeriában elhelyeze mérőablakok fölö alálhaók. A forgalommérés mindegyik by-pass ágban egy vízóra segíségével leheséges. PIV sebesség és LIF hőmérsékle eloszlás mérések Az alkalmazo lézeres mérésechnikák összehasonlíása (LIF, PIV) Korábbi anulmányokban [-2] ismereük a eljes sebességeloszlás meghaározására alkalmazo PIV, és a eljes hőmérséklemezők mérésére elepíe LIF opikai mérőrendszereke. Mos rövid összefoglaláskén csak a ké módszer hasonlóságai és különbségei ismerejük. A PIV mérés során az áramló közegbe mikroméreű (ipikusan 2 µm ámérőjű) fényszóró részecskéke diszpergálunk, míg a LIF mérések során fluorescence fesékanyago (Rhodamine B) oldunk az áramló közegben. A PIV részecskék ökéleesen köveik az áramló közege, a LIF fluoreszcens fesékanyag homogén a közegben. A LIF mérésekhez nm-es felüláeresző szűrő kell alkalmazni, a PIV mérésekhez 32 nm-es zöld szűrő alkalmazhaó. PIV mérések eseén csupán a sebesség abszolúérékek kiszámíásához szükséges kalibráció (nagyíási fakor meghaározása). A LIF mérés feléele a pixelenkéni inenziás-hőmérsékle kalibráció. A fűőelem-kazea mérések során a szivayú eljesímény-bevieléből származó hőmérsékle-emelkedés használuk a kalibrációhoz, mely során C-os lépéssel álalában 8- ponra kalibrálunk. Magyar Nukleáris Társaság, 29 2

3 Nukleon 29. március II. évf. (29) 34. ábra: A mérőszakasz elvi kapcsolási rajza A mérőrendszer paraméereinek beállíása a korábbi jelenésekben leírakhoz hasonlóan örén. Duplaimpulzusú lézer (NdYAG ) és CCD kamerá (2 Mpixel, 8 bi) alkalmazuk. A PIV mérésekhez a számíási részerüleek méree pixel nagyságúra válaszouk. A lézerenergia a maximum ( mj) 2%-a, a µs vol. Álalában - db, 4 Hz frekvenciával felve pillanafelvéelből számíouk az időben álagol érékeke a PIV és a LIF méréseknél is. Mérési beállíások A méréseke az áramlási csaorna három axiális szinjén végezük, a korábbi kísérleekkel összhangban (a beállíások szemléleésé lásd [-2]), keő ismereésére ad leheősége e cikk erjedelme. Az. szin a fűőelemek felei ér, amelye alulról a szubcsaorna kilépések, felülről pedig a keverőrács haárol. A 2. szin a legfonosabb vizsgálai helye jelenő kazea ermoelem elői ér. Összesen ö fűési konfigurációval mérünk, melyből keő ismereésére ad leheősége a cikk erjedelme. A reakorfizikai és ermohidraulikai számíásoknál alkalmazonak megfelelően sorszámozuk a fűőelemeke, és bejelölük az indirek fűésű pálcák pozíciói (6. ábra). Az ábrán a számoka csak a fűheő rudak eseében üneük fel. (A 36 fűheő rúd szimmerikusan helyezkede el, így bármely fűheő rúd eszőleges második szomszédja szinén fűheő.) Mérési eredmények Álalános megállapíhaó, hogy kis érfogaáram ( m 3 /h), egyenlőlen fűési konfiguráció valamin maximális résáram forgalom melle kapunk jól kiérékelheő eloszlásoka. A 7-. ábrákon az. axiális szinen kapo eredmények láhaók. A hőmérsékle mező m 3 /h forgalomnál a szubcsaornák haásá ükrözi, 3 m 3 /h-nál pedig minden bizonnyal a keverőrács haása is érvényesül. További bizonyíásra lesz szükség azonban a 8. ábrán bemuao hőmérsékleeloszlás korrek magyarázaához, amely szerin a felső régió a melegebb. Elképzelheő ugyanis, hogy a LIF mérés ponalansága okoz lászólagos melegedés, mivel az ado mérési paraméerek melle (forgalom, fűőeljesímény) a érbeli hőmérsékle felbonásának csökkenhe. A sebességeknél megfigyelheő a szubcsaornák haása a relaíve nagy sebességű csóvák révén, ezek azonban kisebb forgalomnál szabályalanabbak, ami az áramló hűőközeg kisebb impulzusára ual. 6. ábra: T és P fűési konfigurációk (a fűö rudak színes koronggal jelölve) Magyar Nukleáris Társaság, 29 3

4 Nukleon 29. március 26,88 27, 27,3 7. ábra: 27,2 27,37 27,49 27, ,86 LIF hőmérsékle-eloszlás, C, (. szin, T, Q= m3/h) 9. ábra: II. évf. (29) 34 27,98 28, 8. ábra: PIV sebességeloszlás, m/s, (. szin, Q=3 m3/h) 28,23 28,3 28,48 28,6 LIF hőmérsékle-eloszlás, C, (. szin, T, Q=3 m3/h). ábra: PIV sebességeloszlás, m/s, (. szin, Q=9 m3/h) mm 4 2 mm , 2, 2, 2,6 2,8 26, 26,3 26,4 26,7. ábra: LIF hőmérsékle-eloszlás, C, (2. szin, P, Q= m3/h) A 2. axiális szinen a hőmérsékleben csak igen egyenlőlen (pl. az ismeree P) fűési konfiguráció és kis érfogaáram ( m3/h) eseén kapunk jól kiérékelheő eloszlás (. ábra), más eseekben közel homogén hőmérséklei kép adódo. A sebességek eseén (korábbi kísérleeinkkel összhangban) a hengeres kilépőcsaorna szakaszában már kisebb érfogaáram eseén sem fedezheő fel a szubcsaornák haása (2. ábra), a urbulens profilok minden forgalom eseén hasonlóak (3. ábra). Azonban az időálagol sebes- Magyar Nukleáris Társaság, 29 26,9 V e c o r m a p : Fi l e re d, B u rs # ; re c # : ; ( ), 7 4 v e c o r s (7 4 ), 7 9 d i s a b le d, D a e : , Ti m e : 6 : 3 : 3 : s 3 u b s i u e d mm 7 27,2 2. ábra: PIV sebességeloszlás, m/s, (2. szin, Q=3 m3/h) ségprofilok, és sress agok is aszimmerikusak (4. ábra), ami a urbulens áramlásra haó ényezőkre ual (keverőrács, emelőcsapok, illeszőrózsa). A -2. ábrák nem ugyanakkora mérési aromány ábrázolnak, a LIF-fel vizsgál aromány 3 mm magas, míg a PIV-es mm. A mm-hez arozó relaív axiális szinhez kell viszonyíani a ávolságo, ehá a LIF mérés felső része kb. 2 mm-rel a ermoelem ala van. 4

5 Nukleon 29. március II. évf. (29) 34 4, 4 3, 9 [m3/h] 7 [m3/h] [m3/h] 3 [m3/h] 3 2, 2, x [mm] 3. ábra: Axiális sebességprofilok időálagai és szórása 9, 7, és 3 m 3 /h eseén [m/s] 6. ábra: A keverőrács felülnézei fényképe Ponosság becslés, PIV megisméelheőségi vizsgála A PIV mérések ponosság vizsgálaá álalában az [] anulmányban, konkréan a fűőelem kazeamodellel végze mérések eseére vonakozó elemzés [2]-ben ismereünk. A LIF mérések ponossága alapveően függ a kalibrációól; a kalibrációs görbéből információ kaphaunk a felbonásra.,2 4. ábra: Időálagol sress agok, Q = 9 m 3 /h A. ábrán horizonális síkon kapo sebességmező láhaó. A kísérle célja az áramló közeg függőleges engely körüli roációjának bizonyíása; ez segíene CFD eredményekkel való összeveéseknél. A forgás feleheően a keverőrács okozza (6. ábra). Bár a kapo sebességmezőn ez a forgás észreveheő, a forgás bizonyíásához ovábbi mérések szükségesek.,8,6,4, ,2 L L2 L3 L4 L,8,6,4,2 H H2 H3 H4 H mm Vecor map: Filered, 74 vecors (74) Burs#; rec#: ; (), Dae: , Time: 3:34::296 Analog inpus: 46; 8; 49; mm [m/s]. ábra: Mérési beállíás és sebességmező horizonális síkon 7. ábra: A megisméelheőségi vizsgála eredménye (relaív ávolságok és sebességek) A PIV megisméelheőségi vizsgála során a 7. ábra szerini ké különböző mérési beállíásban mérünk válakozva, így készer ö, újbóli beállíású profil adódo. A mérések sorrendje ehá L H L2 H2 L3 H3 L4 H4 L H vol. Az eredmény az muaja, hogy az Magyar Nukleáris Társaság, 29

6 Nukleon 29. március II. évf. (29) 34 újbóli beállíás hibája %-nál kisebb, legfeljebb a cső szélénél nő meg a szórás valamelyes. Mindegyik görbe pillanafelvéel álaga. Összefoglaló érékelés Az ismeree sebesség- és hőmérsékle eloszlás eredmények segíségével kvaniaív és kvaliaív elemzéseke végezünk a fűőelem kazea modell kilépőcsaorna részében. Az emlíe korábbi anulmányokban leír eredményeinkből is már kiderül, hogy a kazea kilépő ermoelem szinjén a keverőrács, emelőcsapok és illeszőrózsa homogenizálák a közege, a szubcsaornák kilépésénél megjelenő csóvák i már elűnnek, és sajáos, de hengeres csőre jellemző sebességprofil alakul ki. A hőmérséklemező mérések az muaák, hogy ermoelem szinjén a hőmérsékleben csak igen egyenlőlen fűési konfiguráció és kis érfogaáram eseén kapunk jól kiérékelheő eloszlás, más eseekben közel homogén hőmérsékle kép adódo. További, csaol sebesség és hőmérsékle-mező mérések végzése célszerű, melyekből azoka jellemző kvaniaív mennyiségek (például Reynolds fluxus) származahaók. A PIV/LIF mérési módszer alkalmasnak bizonyul a bonyolul áramlási csaorna geomeriában örénő urbulens keveredés vizsgálaára, valamin a CFD számíások validációjára. További kísérleek szükségesek azonban a kvaniaív adaok ponosíásához, elsősorban a hőmérsékle eloszlás felvéelek bizonyalanságának csökkenése érdekében. Irodalomjegyzék [] Tar D., Baranyai G., Ézsöl Gy., Tóh I.: VVER üzemanyag kazea hűőközeg keveredésének kísérlei vizsgálaa PIV mérésechnikával, Nukleon,, 4 (28) 2 [2] D. Tar, G. Baranyai, Gy. Ézsöl, I. Tóh: Experimenal Invesigaion of Coolan Mixing in VVER Reacor Fuel Bundles by Paricle Image Velocimery, XCFD4NRS, France (28) [3] L. Szabados, Gy.Ézsöl, L. Perneczky, I. Tóh: Resuls of he Experimens Performed in he PMK-2 Faciliy for VVER Safey Sudies, Akadémiai Kiadó, Budapes, 27 [4] S. Tóh, A. Aszódi: Preliminary Validaion of VVER-44 Fuel Assembly Head CFD Model, 7h Symposium of AER, Ukraine (26) [] M. Raffel, C. Willer, J. Kompenhans, 996, Paricle Image Velocimery, Springer Magyar Nukleáris Társaság, 29 6