1.4. Расчёт теплоотдачи, теплопередачи и определение площади поверхности теплообмена

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Таблица 1.4

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числовое значение
1	2	3	4	5	6
1	Тракт теплоносителя
1.2	Число Re на экономайзерном участке		-
1.3	Число Re на испарительном участке		-
1.4	Число Re на пароперегревательном участке		-
1.5	Число Nu на экономайзерном участке		-
1.6	Число Nu на испарительном участке		-
1.7	Число Nu на пароперегревательном участке		-
1.8	Коэффициент теплоотдачи к стенке на экономайзерном участке
1.9	Коэффициент теплоотдачи к стенке на испарительном участке

1	2	3	4	5	6
1.10	Коэффициент теплоотдачи к стенке на пароперегревательном участке
2	Тракт рабочего тела
2.1	Число Re на экономайзерном участке		-
2.2	Число Re на пароперегревательном участке		-
2.3	Число Nu на экономайзерном участке		-	См. примечание к табл 1.4
2.4	Число Nu на пароперегревательном участке		-
2.5	Коэффициент теплоотдачи от стенки на экономайзерном участке
	поправочный коэффициент		-
2.6	Коэффициент теплоотдачи от стенки на пароперегревательном участке
2.7	Коэффициент теплоотдачи от стенки на испарительном участке			методом последовательных приближений
1	2	3	4	5	6

2.7.1	Тепловой поток в первом приближении		Вт/м2	См. примечание к п. 1.4
2.7.2	Коэффициент теплоотдачи
2.7.3	Средняя температура стенок трубок		˚С
2.7.4	Коэффициент теплопроводности стенок трубок			f( ), см. табл.2.7ое
2.7.5	Коэффициент теплопередачи
2.7.6	Тепловой поток во втором приближении		Вт/м2
2.7.7	Строим график , значения из п.п. 2.7.1 и 2.7.6			см. рис. 1.5
2.7.8	Коэффициент теплоотдачи на испарительном участке
3	Средняя температура стенок трубок на экономайзерном участке		˚С

1	2	3	4	5	6
4	Средняя температура стенок трубок на испарительном участке		˚С
5	Средняя температура стенок трубок на пароперегревательном участке		˚С
6	Коэффициент теплопроводности стенок трубок на экономайзерном участке			f( ), см. табл.2.7
7	Коэффициент теплопроводности стенок трубок на испарительном участке			f( ), см. табл.2.7
8	Коэффициент теплопроводности стенок трубок на пароперегревательном участке			f( ), см. табл.2.7
9	Коэффициент теплопередачи на экономайзерном участке
10	Коэффициент теплопередачи на испарительном участке
11	Коэффициент теплопередачи на пароперегревательном участке

1	2	3	4	5	6
12	Коэффициент запаса, учитывающий эффективность использования поверхности теплообмена		-	См. примечание к п. 1.4
13	Площадь поверхности теплообмена на экономайзерном участке		м2
14	Площадь поверхности теплообмена на испарительном участке		м2
15	Площадь поверхности теплообмена на пароперегревательном участке		м2
16	Площадь поверхности теплообмена ПГ		м2	НЭК+НИСП+НПЕ
17	Требуемая длина навиваемых петлей	lтр	м
18	Высота поверхности теплообмена ПГ на экономайзерном участке	hЭК	м
19	Высота поверхности теплообмена ПГ на испарительном участке	hИСП	м
20	Высота поверхности теплообмена ПГ на пароперегревательном участке	hПЕ	м
21	Высота поверхности теплообмена ПГ	hПГ	м

1	2	3	4	5	6
22	Отношение высоты поверхности теплообмена ПГ к наружному диаметру проточной части		-
23	Габаритное ограничение		-	3÷4

ПРИМЕЧАНИЕ к 1.4.

1. п. 2.3 - Число Nu на экономайзерном участке при заданных условиях =

2. п.2.7.4 - Коэффициент теплопроводности для нержавеющей стали приведен в табл.2.7

3. п.12 - Коэффициент запаса = 0,95÷0,98

4. п. 2.7.1 - Принимается для удобства расчета 3÷5 значений в интервале 1÷5·10⁵ Вт/м², затем для данных значений рассчитываются п.п. 2.7.2 ÷2.7.6.

5. п. 23 - При невыполнении ограничения выполняется новая компоновка и повторяют расчет теплопередачи.

Построение графика функции , для нахождения .

Рис 1.5.

q₁”= Вт/м²

q₂”= Вт/м²

q₃”= Вт/м²

q₄”= Вт/м²

q₅”= Вт/м²

1.5. Конструктивное оформление парогенератора

Таблица 1.5

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числовое значение
1	2	3	4	5	6
1	Допускаемое напряжение для выбранного материала корпуса		МПа	справ. данное, [11]
2	Внутренний диаметр патрубка входа питательной воды в ПГ		м
3	Номинальная толщина стенки патрубка входа ПВ в ПГ		м
4	Наружный диаметр патрубка входа питательной воды в ПГ		м	+2
5	Внутренний диаметр патрубка входа перегретого пара из ПГ		м
6	Номинальная толщина стенки патрубка выхода перегретого пара из ПГ		м
7	Наружный диаметр патрубка выхода перегретого пара из ПГ		м	+2
8	Внутренний диаметр патрубка входа ТН в ПГ		м

1	2	3	4	5	6
9	Номинальная толщина стенки патрубка входа ТН в ПГ		м
10	Наружный диаметр патрубка входа ТН в ПГ		м	+2
11	Внутренний диаметр патрубка выхода ТН из ПГ		м
12	Номинальная толщина стенки патрубка выхода ТН из ПГ		м
13	Наружный диаметр патрубка выхода ТН из ПГ		м	+2
14	Номинальная толщина стенки корпуса ПГ		м
15	Наружный диаметр ПГ		м	DПГ+2
16	Номинальная толщина стенки выпуклого днища ПГ		м
17	Коэффициент, зависящий от конструкции днища	К	-	справ. данное, [11]
18	Коэффициент, зависящий от размера отверстия в крышке	К0	-	справ. данное, [11]
19	Номинальная толщина крышки ПГ		м

Конструктивное оформление парогенератора

2. Тепловой и габаритный расчёт АКТИВНОЙ ЗОНЫ реактора

2.1. Общие положения.

2.1.1. Конструкция АЗ.

Активная зона является основной частью ядерного реактора. В ней расположено ядерное топливо. В нём выделяется тепло, последнее отводится теплоносителю, который циркулирует через АЗ. В современных СЯЭУ наиболее распространены водо-водяные ядерные реакторы с водой под давлением (ВВРД).

АЗ имеет цилиндрическую форму и размещена в так называемой корзине АЗ. Корзина – это цилиндр, торцовые стенки которого представляют собой плиты с отверстиями. ТВС помещаются в эти отверстия корзины.

Основной частью ТВС являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). В реакторах типа ВВРД используются стержневые ТВЭЛы. Это цилиндрические топливные стержни, помещённые в герметичные оболочки. Наиболее распространённым топливом ВВРД является керамика UO₂, имеющая температуру плавления 2880˚С. Топливный стержень часто собирается из таблеток диаметром d_топл = 6-10мм. между оболочкой и топливными таблетками предусматривается зазор δ_заз= 0,05-0,1 мм. Он заполняется гелием, поэтому его называют “гелиевым” зазором. Оболочка ТВЭЛов изготавливается из нержавеющей стали аустенитного класса или циркония и имеет толщину 0,6-0,8 мм. Возможно изготовление топливных стержней из уплотнённого порошка оксидного топлива. В этом случае зазор между оболочкой и топливом отсутствует.

Кроме керамического топлива в реакторах используется дисперсионное топливо. Это топливная композиция, представляющая собой частицы размером 20-500 мкм, равномерно распределённые в металлической матрице из неделящегося материала, например, нержавеющей стали. Такая композиция может быть использована в энергетических реакторах до температур 900˚С. В дисперсионных ТВЭЛах зазор между топливом и оболочкой отсутствует

Зазоры между соседними стержнями назначают с учётом целого ряда факторов. Если относительный шаг , то такие пучки считаются тесными. Фиксирование ТВЭЛов в решётке производится с помощью дистанцирующих устройств.

между соседними ТВС всегда предусмотрен зазор до 10-15 мм.

2.1.2. особенности тепловых и температурных полей в АЗ.

Важной характеристикой зоны является средняя удельная теплонапряжённость q_v. Для ВВРД q_v= 70-110 МВт/м³. тепло в зоне выделяется при реакции деления ядер топлива, которая происходит при поглощении ими свободных нейтронов. Эти нейтроны появляются при реакции деления, что делает реакцию самоподдерживающейся (цепной). Понятно, что число актов деления, а следовательно, и тепловая мощность, определяется полностью концентрацией нейтронов в рассматриваемом объёме, т.е. величиной так называемого нейтронного потока Ф.

В свою очередь, величина Ф в любой точке зоны зависит от интенсивности каждого из одновременно действующих трёх факторов:

- генерирование нейтронов;

- их поглощение;

- утечка из рассматриваемого объёма.

Утечка происходит с поверхности зоны, т.е. концентрация нейтронов на её периферии будет меньше, что приведёт к уменьшению интенсивности генерирования и поглощения нейтронов в этих областях. В итоге имеем неравномерное распределение удельного тепловыделения в объёме. Количественно неравномерность можно охарактеризовать радиальным и осевым коэффициентами неравномерности: k_r =q_max/q(r) и k_z =q_max/q(z).

Наибольшее тепловыделение будет иметь место в точке, наиболее удалённой от внешних границ, т.е. на полувысоте оси цилиндра, наименьшее – на наружных поверхностях. Если окружить зону слоем замедлителя (отражателем), то можно часть нейтронов, покинувших зону, вернуть в неё и благодаря этому уменьшить потребный объём зоны неравномерность в распределении нейтронного и теплового потоков. Модель зоны без отражателя удобна тем, что условия на внешних её границах всегда одинаковы (нейтроны обратно не возвращаются). Благодаря этому распределение нейтронного и теплового потоков в объёме зоны описываются аналитически.

Все активные зоны реальных реакторов имеют отражатель, благодаря чему их размеры меньше, а распределение температур и тепловых потоков становится более сложным.

В приближённых оценках и учебных расчётах используется следующий удобный приём. Рассматривается не зона с отражением, а зона, какой она была бы без отражателя. В этом случае размеры зоны стали бы больше реальных на величину δ_эф, но характер распределения температур и потоков останется таким же, как в реакторе без отражателя. Именно этот приём используется в данной курсовой работе.

Наиболее напряжённой является центральная ТВС. Если условия в ней приемлемы, то и во всех других – тоже. Поэтому обычно анализируется то, что происходит в осевом канале.

Реактор является подогревателем однофазного жидкого ТН. Но для интенсификации теплообмена внутри зоны в области наибольших удельных тепловых потоков во многих реакторах созданы условия для возникновения поверхностного кипения. Энтальпия ТН вдоль канала только возрастает. Когда она достигает определённой величины i_пк, начинается кипение на поверхности ТВЭЛа. Оно продолжается на некоторой части канала пока i_пк< i_т, и прекращается в точке, за которой энтальпия ТН из-за малых тепловых потоков уже не достигает i_пк. Величина i_т рассчитывается аналитически.

Для ядерного реактора важным является вопрос о том, насколько максимальная тепловая нагрузка меньше критической, т.е. о запасе по кризису теплообмена. Действительно, в реакторе, как и в электрическом подогревателе, интенсивность тепловыделения не зависит от условий теплоотвода от поверхности ТВЭЛов. При достижении критической тепловой нагрузки, как при наличии, так и в отсутствии кипения, ТВЭЛ покроется паровой плёнкой, теплоотдача от него резко уменьшится. Поскольку тепловыделение продолжается, то температура топлива на сотни градусов возрастёт, произойдёт перегрев и разрушение ТВЭЛа.

Переход к плёночному кипению в отсутствии поверхностного кипения происходит непосредственно от режима течения однофазного ТН. При наличии поверхностного кипения паровая плёнка оттесняет от стенки ТВЭЛа слой кипящего ТН в некипящее ядро потока. Это происходит при другой тепловой нагрузке.

2.1.3. Содержание тепловых расчётов.

Тепловые расчёты АЗ выполняются как проверка теплотехнической надёжности зоны именно поэтому расчёты заключаются в следующем:

- определение максимальной температуры оболочки ТВЭЛов и сравнение её с допустимой;

- определение максимальной температуры топлива и сравнение её с допустимой;

- определение минимального запаса по критической тепловой нагрузке и сравнение его с допустимым.

2.1.4. Расчётная модель.

Принимается упрощённая модель со следующими основными характеристиками:

- зона имеет отражатель, δ_эф=60-150 мм (для железоводных отражателей);

- распределение удельного теплового потока по высоте зоны косинусоидальное, по радиусу зоны оно описывается функцией Бесселя;

- наличие отражателя учитывается величинами k_r и k_z;

- отношение высоты к диаметру равно 1;

- решётка ТВЭЛов раздвинутая (не тесная) и взаимное влияние их отсутствует;

- при определении максимального удельного тепловыделения учитываются только коэффициенты неравномерности распределения удельного тепловыделения по зоне в целом, т.е. k_r и k_z;

- зазор между топливным стержнем и оболочкой ТВЭЛов отсутствует;

- ТВЭЛы образуют абсолютно правильную решётку;

- падение давления по высоте зоны не учитывается.

Рис.2.1 Основные размеры активной зоны

2.2. Проектирование АЗ и ТВС

2.2.1. Определение размеров АЗ и ТВС

Таблица 2.2

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числовое значение
1	2	3	4	5	6
1	Удельная теплонапряжённость АЗ	qv	мВт/м3	принято, [7]
2	Диаметр горючего ТВЭЛа	dгор	м	принято, [7]
3	Толщина оболочки ТВЭЛа	δоб	м	принято, [7]
4	Отношение шага ТВЭЛа к диаметру		-	принято, [7]
5	Ширина межканального зазора	а	м	принято, [7]
6	Количество ТВЭЛов	nТВЭЛ	-	принято, [7]
7	Коэффициент запаса		-	принято, [7]
8	Тепловая мощность реактора	Qр	МВт
9	Объём активной зоны	VАЗ	м3
10	Диаметр активной зоны	DАЗ	м
11	Высота активной зоны	НАЗ	м	DАЗ

1	2	3	4	5	6
12	Наружный диаметр ТВЭЛа	dТВЭЛ	м	dгор+2δоб
13	Расстояние между ТВЭЛами в сборке	t	м
14	Сторона ТВС	S	м
15	Площадь поперечного сечения АЗ	SАЗ	м2
16	Площадь условной ячейки для квадратного канала		м2
17	Площадь условной ячейки для шестигранного канала		м2	0,866(а+S)2
18	Количество ТВС		-
19	Принятое количество ТВС с учётом их размещения в активной зоне		-	См. рис 2.3

Примечание к табл.2.2:   п.14 - на рис. 2.2 приведены примеры размещения ТВЭЛ в ТВС с шестигранной и квадратной формой поперечного сечения. п.19 - находится графически.

Размещение ТВЭЛ в канале.

Рис. 2.2

Размещение каналов в активной зоне

Рис. 2.3.

Dаз =

a =

S =

2.2.2. Выбор параметров теплоносителя

Таблица 2.3

Примечание к 2.2.2.:

п.8 - условие, исключающее объёмное кипение: T_max≤ t_s

2.2.3. Разработка схемы ТВС

Таблица 2.4

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числ. знач-ие
1	2	3	4	5	6
1	Проходное сечение ТВС		м2
2	Средняя температура ТН	Тср	˚С
3	Средний удельный объём ТН	Vср	м3/кг	f(Рт;Тср)
4	Средняя скорость теплоносителя	Wср	м/с
5	Площадь поверхности теплообмена для всех ТВЭЛов реактора	Fто	м2
6	Средний тепловой поток	qср	МВт/м2

Примечание к 2.2.3:

п.4 - средняя скорость теплоносителя W_ср должна быть в интервале (1÷4) м/с.

п.6 – в ВВРД средний тепловой поток не должен превышать (0,4÷0,6) 10⁶ Вт/м².

2.2.4. Гидравлическое профилирование активной зоны

Таблица 2.5

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числовое значение
1	2	3	4	5	6
1	Эффективная добавка	δэф	-	см. п.2.1.4.
2	Эффективная высота АЗ	Нэф	м	НАЗ+2δэф
3	Эффективный диаметр АЗ	Dэф	м	Нэф
4	Коэффициент неравномерности распределения тепловыделения по радиусу АЗ	Kr	-
5	Коэффициент неравномерности распределения тепловыделения по высоте АЗ	Kz	-
6	Объёмный коэффициент неравномерности тепловыделения	Kv	-
7	Максимальный тепловой поток	qmax	МВт/м2
8	Средняя тепловая мощность ТВС	Qср	МВт

1	2	3	4	5	6
9	Тепловая мощность центральных рабочих каналов	QЦРК	МВт
10	Расход ТН через ЦРК	GЦРК	кг/с
11	Скорость ТН в ЦРК	WЦРК	м/с

Примечание к 2.2.4.

п.11 - Диапазон скоростей ТН в ЦРК составляет (2÷4) м/с.

2.3. Проверка теплотехнической надёжности активной зоны

2.3.1. Расчёт максимальной температуры оболочки ТВЭЛ

Таблица 2.6

№	Наименование величины	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Числовое значение
1	2	3	4	5	6
1	Энтальпия кипящей воды		кДж/кг	f(Pт;ts) – справ. данное, [8]
2	Периметр теплообмена ТВЭЛ в сборке и кожуха ТВС	Пт	м
3	Эквивалентный диаметр пучка ТВЭЛ	dэкв	м
4	Плотность воды при средней температуре ТН		кг/м3
5	Удельный объём кипящей воды		м3/кг	f(Pт) – справ. данное, [8]
6	Плотность кипящей воды		кг/м3
7	Удельный объём сухого насыщенного пара		м3/кг	f(Рт) – справ. данное, [8]
8	Плотность сухого насыщенного пара		кг/м3

1	2	3	4	5	6
9	Распределение теплового потока по высоте ТВЭЛ	q(Zi)	кВт/м2
	число участков разбиения ТВЭЛ по высоте	i	-	принято (например 20)
	Высота соответствующего участка	Zi	м
10	Энтальпия ТН, при которой температура оболочки постоянна		кДж/кг
11	Периметр теплообмена ТВС		м
12	Энтальпия ТН по длине ТВС	iт(Zi)	кДж/кг	См. примечание к табл. 2.6
13	Полное поперечное сечение ТВЭЛ в пучке	SТВ	м2
14	Плотность решётки стержней		-
15	Коэффициент заполнения пучка ТВЭЛ		-
16	Эффективный диаметр	d	м
17	Кинематическая вязкость		м2/с	f(Tср;Pт) – спав. данное, [8]
18	Критерий Re	Re	-

1	2	3	4	5	6
19	Критерий Pr	Pr	-	f(Tср;Pт) – спав. данное, [8]
20	Теплопроводность ТН			f(Tср;Pт) – спав. данное, [8]
21	Коэффициент теплоотдачи
22	Термическое сопротивление теплоотдачи
23	Удельная теплоёмкость ТН	Ср
24	Координата точки по длине ТВЭЛ, в которой достигается max температура оболочки	ZОБ	м
25	Максимальная температура оболочки ТВЭЛ		˚С	См. примечание к табл. 2.6
26	Допускаемая температура оболочки ТВЭЛ		˚С	См. примечание к п. 2.3.1
27	Условие теплотехнической надёжности			≤

ПРИМЕЧАНИЕ к п. 2.3.1

1. i_т(Z_i) =

2. =

3. Значения коэффициента теплопроводности материалов

Таблица 2.7

5. Значения коэффициента теплопроводности ядерного топлива

UO₂ ( λ_топл. ), вт/м·град

Таблица 2.8

5. Предельно допустимые значения температур оболочек, изготовленных из нержавеющей стали =(360÷380)˚С.

6. Зона по высоте делится на некоторое число участков и для каждой из промежуточных точек определяется q(Z_i), , i_т(Z_i).

7. Все значения, полученные в ходе расчёта максимальной температуры оболочки ТВЭЛ (п.п. 9, 10 и 12), для удобства дальнейшего пользования необходимо свести в единую таблицу

По полученным результатам в координатах i-Z строим графики зависимостей i_пк(Z) и i_т(Z), по которым определяем, происходит ли теплообмен между ТН и ТВЭЛ без поверхностного кипения. (рис. 2.5)

8. Если поверхностное кипение имеет место, то рассчитывается коэффициент теплоотдачи в области поверхностного кипения и температура оболочки .

Рис 2.3. Распределение температур в ТВЭЛ

Рис 2.4.Качественный график распределения температур по высоте зоны

Рис. 2.5. Определение границ участка поверхностного кипения

2.3.2. Расчёт максимальной температуры ядерного горючего

Таблица 2.7

Примечание к 2.3.2.

1. Предельно допустимое значение температуры для UO₂ =2800˚С

2. =

Качественный график распределения температуры горючего

Рис. 2.6.

2.3.3. Расчёт запаса по кризису теплообмена

Таблица 2.8

№	Наименование величины	Обозна чение	Размер ность	Расчётная формула	Числ. знач.
1	2	3	4	5	6
1	Теплота парообразования	r	кДж/кг	f(Pт) – справ. данное
2	Относительная энтальпия потока в сечении Z	X(Zi)	-
3	Критический тепловой поток	qкр(Zi)	МВт/м2
4	Коэффициент запаса по кризису теплообмена	Ккр(Zi)	-

Примечание к п. 2.3.3.:

1) Коэффициент запаса по кризису теплообмена должен быть

2) Все значения, полученные в ходе расчёта запаса по кризису теплообмена (п.п. 2, 3 и 4), свести в единую таблицу

По полученным результатам в координатах q-Z и K-Z строим графики зависимостей q_кр(Z), К_кр(Z) и q(Z)- данные из предыдущей таблицы. Все построения произвести в одной координатной плоскости.

Для обеспечения теплотехнической надежности необходимо, чтобы минимальное значение запаса по кризису было не меньше 2-2,2.

Определение запаса по кризису теплообмена

Рис. 2.7.

Если полученный запас недостаточен, то необходимо изменить конструкцию активной зоны. Увеличить Ккр можно путем уменьшения q_(z), если увеличить поверхность нагрева или повысить q _кр , если изменить скорость теплоносителя или его параметры в соответствии с формулой 3 табл.2.8.

3. Расчёт системы компенсации объёма

Таблица 3.1

Примечание к табл 3.1:

1. системы с гелием практически не нашли применения, главным образом по причине его большой текучести по сравнению с азотом.

2. - масса жидкости, постоянно находящейся в жидкостных баллонах.

3. - объём одного стандартного баллона.

4. - масса СКО базового варианта.

5. формула п.11 представляет собой приближённую аппроксимацию зависимостей, построенных путём обработки опубликованных данных проектных и реализованных установок.

4. Расчёт ионообменного фильтра

Таблица 4.1

Примечание к табл 4.1:

1. п.6 учитывает экспоненциальный характер зависимости ёмкости загрузки от времени работы фильтра в связи с процессом насыщения загрузки солями. k_t=(1,8÷2,9)∙10^-3 – коэффициент, сравнительно сильно зависящий от рабочей температуры. В диапазоне 350÷365˚К эта зависимость такова:

2. п.4 - - коэффициент запаса.

3. п.3 – Объемный расход воды через ИОФ Q_т = G_ТН ·υ_{т ср.}

4. результат п.11 округляют до ближайшего целого числа и производится корректировка принятых конструктивных размеров фильтра (D_ВН, Н).

5. п.12 - - эквивалентный диаметр загрузки.

6. п.12 - - коэффициент динамической вязкости воды при рабочей температуре фильтра (справ. данное), .