Рефетека.ру / Промышленность и пр-во

Курсовая работа: Теплогидравлический расчет технологического канала

ВВЕДЕНИЕ


Курсовой проект по дисциплине "Теплогидравлические процессы в ядерных энергетических установках" выполняется после изучения теоретического курса с целью выполнения следующих основных задач:

- закрепление и углубление знаний, полученных студентами при изучении курсов "Теория ядерных реакторов", "Ядерные энергетические реакторы","Теплогидравлические процессы в ядерных энергетических установках";

- расширение круга знаний студентов путем изучения специальной литературы, правил устройства и безопасной эксплуатации, инструкций, справочников, научно-технических статей и др.;

- развитие творческой инициативы студентов при самостоятельном решении поставленных перед ними задач;

- развитие у студентов навыков самостоятельного систематического, технически и литературно грамотного изложения в пояснительной записке, обоснования принятых решений, методов расчета и т.п.

В ходе выполнения курсового проекта была закреплена методика теплогидравлического расчета ядерных энергетических реакторов, изложение которой приведено в данных методических указаниях.

1. Задачи теплогидравлического расчёта водоохлаждаемого реактора

В энергетических ядерных реакторах теплота, генерируемая в топливе при его делении, отводится циркулирующим через активную зону теплоносителем. Мощность реактора ограничена теплопередающими возможностями теплоносителя. Поэтому для достижения высокой эффективности и безопасности ядерной энергоустановки необходимо знать параметры процессов отвода теплоты на всех этапах теплопередачи от активной зоны реактора до поступления пара в турбину.

К основным типам отечественных энергетических реакторов относятся корпусные реакторы с некипящей водой типа ВВЭР, канальные водографитовые реакторы с кипящей водой типа РБМК.

Теплогидравлический расчет реакторов вместе с физическим, прочностным и экономическим служит для обоснования проекта ядерной реакторной установки, ее теплотехнической оптимизации и повышения ее теплотехнической надежности. При теплогидравлическом расчете определяют распределение расхода теплоносителя по каналам реактора, давления и паросодержания по контуру циркуляции, температуры в элементах реактора, а также параметры оборудования первого контура установки.

Для проведения поверочного теплогидравлического расчета необходимо задавать исходные данные: технологическую схему первого контура, режимные параметры, конструкционные и теплотехнические характеристики активной зоны, гидравлические характеристики элементов контура циркуляции, теплофизические свойства материалов.

На стадиях эскизного, технического и рабочего проектов теплогидравлические расчеты ведут с разной степенью детализации при номинальных параметрах, частичных нагрузках, при запуске и расхолаживании реактора, аварийных ситуациях.

Многовариантные проектные расчеты проводятся с целью выбора оптимальной конструкции реактора и назначения оптимальных режимных параметров. Они носят оценочный характер, а результаты расчетов сопоставляются с лимитирующими факторами: допустимой температурой теплоносителя, замедлителя, оболочки и сердечника твэлов. Температурный диапазон работы материалов в энергетических ядерных реакторах составляет 200...2600°С. К лимитирующим факторам относятся также запас до кризиса теплоотдачи, допустимая скорость теплоносителя и т.п.

В связи со сложностью, взаимосвязанностью физических, теплофизических, гидродинамических процессов их математические модели громоздки и исследуются численно на ЭВМ. В рамках курсового проекта по курсу " Теплогидравлические процессы в ядерных энергетических установках" рассматриваются решения наиболее распространенных задач.


1. ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КАНАЛА


1.1 Расчет основных геометрических характеристик канала и активной зоны


К числу основных геометрических характеристик активной зоны реактора типа РБМК относятся объем и диаметр активной зоны. Площадь одной ячейки активной зоны реактора типа РБМК согласно рисунка 1.1 определяют как:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.1)


где а - шаг решетки технологических каналов, м.

Количество ячеек в активной зоне N определяют по формуле (1.2). Проходное сечение ТВС изображено на рисунке 1.2.


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.2)


Теплогидравлический расчет технологического канала

1- блок графитовой кладки; 2 – осевое отверстие для ТВС; 3 – площадь ячейки.

Рисунок 1.1- К определению площади ячейки в графитовых реакторах.

а гидравлический и тепловой периметры и соответствующие диаметры:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.3)

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.4)

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.5)


Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.2 - Схематический разрез канала реактора РБМК-1000


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.6)


В приведенных формулах приняты следующие обозначения:

Теплогидравлический расчет технологического канала-внутренний диаметр трубы рабочего канала, м; п - число твэлов в канале; d2 - наружный диаметр оболочки твэла, м; dц - диаметр центральной трубки ТВС, м.


1.2 Определение координаты точки закипания


Определение координаты точки закипания, как и весь тепло-гидравлический расчет, выполняется для одного канала: со средней тепловой нагрузкой. При выполнении расчета канал расчленяется на участки длиной ДЖ. Длина участка, как правило, принимается равной расстоянию между дистанционирующими решетками - рисунок 1.3. Расчетный сечениям присваиваются числовые значения координаты 2. При этом при расчете реактора РБМК в отличие от изложенного ранее для реактора ВВЭР в качестве координаты Z=0 принимают сечение на входе в канал. Вычислительный процесс по определении координаты точки закипания носит итерационный характер. Схема алгоритма этой процедуры изображена на рисунке 1.4.


1.2.1 Определении координаты точки закипания

При определении координаты точки закипания и в последующих расчетах необходимо располагать рядом характеристик теплофизических свойств теплоносителя. Для определения теплофизических свойств теплоносителя в технологическом канале предварительно принимают величину перепада давления в нем ДР= 0,2......0,4 МПа. По известным давлениям на входе и выходе (Рвых = Рвх_- ДР) определяются соответствующие этим давлениям теплофизические характеристики воды и пара на линии насыщения. В дальнейшем расчет ведется по среднеарифметическим (между входом и выходом) величинам:

давление среды Теплогидравлический расчет технологического канала, МПа;

энтальпия воды и пара на линии насыщения Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала, кДж/кг;

плотность воды и пара на линии насыщения Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала, кг/м3;

скрытая теплота парообразования Теплогидравлический расчет технологического канала, кДж/кг;

коэффициенты соответственно динамической и кинематической вязкости: Теплогидравлический расчет технологического канала, Па·с; Теплогидравлический расчет технологического канала, м2/с;

коэффициент поверхностного натяжения Теплогидравлический расчет технологического канала, Н/ч;

температура насыщения Теплогидравлический расчет технологического канала, °С;

коэффициент теплопроводности Теплогидравлический расчет технологического канала, кВт/(м·К);

изобарная теплоемкость Теплогидравлический расчет технологического канала, кДж/(кг·К).


Теплогидравлический расчет технологического канала

1 - зазор между верхней и нижней ТВС; 2 - дистанционирующие решетки

Рисунок 1.3 - Схема расположения пучков ТВС в канале реактора РБМК


1.2.2 Определение теплофизическими свойствами воды

Для выполнения дальнейших расчетов необходимо также располагать теплофизическими свойствами воды на участке подогрева до температуры насыщения:

на входе в участок определяет энтальпию и плотность воды как функцию температуры и давления на входе


Теплогидравлический расчет технологического канала; Теплогидравлический расчет технологического канала;


средние значения температуры, давления и плотности воды:


Теплогидравлический расчет технологического канала

Теплогидравлический расчет технологического канала

Теплогидравлический расчет технологического канала


изобарная теплоемкость и коэффициент динамической вязкости:


Теплогидравлический расчет технологического канала

Теплогидравлический расчет технологического канала


Определенные таким образом теплофизические свойства принимаются в первом приближения идентичными для канала средней тепловой нагрузкой.


Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.4 - Схема алгоритма определения координаты конца участка подогрева теплоносителя до температуры насыщения

1.2.3 Определение координаты точки канала закипания

Определение координаты точки канала закипания ведется итерационным способом (см. рисунок 1.4) на основании формулы:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.7)


где Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала - энтальпия воды соответственно на входе в канал и на линии насыщения при давлении на входе, кДж/кг; Теплогидравлический расчет технологического канала - термодинамическая производная [кДж/(кг·МПа)], которая определяется по данным [7] с помощью формул приближенного численного дифференцирования [14 ]:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.8)


Др - перепад давления на участке подогрева в предположении, что в нем течет вода при температуре насыщения, МПа ;

l - длина участка подогрева, м. В первом приближении принимается равной высоте активной зоны H0. При последующих итерациях принимается равной координате Теплогидравлический расчет технологического канала, определенной в текущем итерационном цикле (см. рисунок 1.4); Теплогидравлический расчет технологического канала - среднее значение линейного теплового потока на участке подогрева, кВт/м2 ;

G - расход теплоносителя через рассчитываемый канал, кг/с.


1.2.4 Определение перепада давления

Перепад давления на участке подогрева рассчитывается в предложении, что в нем течет вода при температуре насыщения:

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.9)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - коэффициент сопротивления трения в пучке. При этом шаг решетки твэлов для реактора РБМК-1000 может быть принят t= 0,01675 м; Теплогидравлический расчет технологического канала - сумма коэффициентов местных сопротивлений, где Теплогидравлический расчет технологического канала=0,4...О,45 в пределах каждого участка (дистанционирующие решетки), за исключением Дz10 и Дz11 (см. рисунок 1.3), в пределах которых Теплогидравлический расчет технологического канала = 1,15 за счет местного сопротивления в зоне между верхней и нижней ТВС; Теплогидравлический расчет технологического канала - массовая скорость, кг/(м2·с). Определяется по расходу теплоносителя в канале, который для канала со средней нагрузкой рассчитывается по формуле


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.10)


В формуле (1.10) используются следующие данные:

Теплогидравлический расчет технологического канала ; Теплогидравлический расчет технологического канала - соответственно энтальпия воды на линии насыщения и скрытая теплота парообразования при давлении на выходе из канала, кДж/кг; х - массовое паросодержание на выходе из канала (см. табл. 2); iВх - энтальпия воды на входе в канал, кДж/кг; N -количество каналов в активной зоне.


1.2.5 Средней линейный тепловой поток

Среднее значение линейного теплового потока на участке подогрева


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.11)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - линейный тепловой поток в центральной плоскости канала, кВт/м, пределяемый для канала со средней тепловой нагрузкой по формуле

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.12)


здесь КZ =1.5 - коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте активной зоны; Н=Н0+2·д высота активной зоны с учетом экстраполированной добавки, м.


1.3 Определение координаты точки начала поверхностного кипения


Поиск координаты начала поверхностного кипения при расчете реактора типа РБМК осуществляется в пределах подогрева теплоносителя до температуры кипения. Расчет выполняется для одного канала (со средней тепловой нагрузкой) ряда расчетных сечений с шагом по высоте Дz. При определении с заданной точностью Уz координаты сечения начала поверхностного кипения используется итерационный метод, когда постепенно сужается участок канала, на котором ведется поиск. Схема алгоритма определения координаты точки начала поверхностного кипения изображена на рисунок 1.5.


1.3.1 Определение теплофизическими свойствами теплоносителя

По известному давлению теплоносителя на входе в канал (исходные данные) и выходе из участка подогрева определяются теплофизические свойства теплоносителя на линии насыщения (i', i", с', с", r, у, м', н'). Предполагая линейный закон изменения этих величин по длине участка подогрева, определяют интенсивность их изменения по высоте канала:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.13)

где AВЫХ и AВХ - значения того или иного теплофизического свойства на входе и выходе участка подогрева. При этом для расчетного сечения z значение теплофизических свойств может быть определено как


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.14)


Скорость теплоносителя в расчетных сечениях определяется как


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.15)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - удельный объем теплоносителя в расчетном сечении с координатой z, м3/кг.


1.3.2 Определение относительной энтальпия


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.16)


1.3.3 Относительная энтальпия, соответствующая началу закипания

Относительная энтальпия, соответствующая началу закипания в расчетном сечении с координатой, определяется как


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.17)


где поверхностная тепловая нагрузка


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.18)

а число Рейнольдса


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.19)


Теплофизические свойства и скорость теплоносителя, входящие в формулы (1.17) и (1.18), на первом итерационном шаге определяются согласно рекомендациям. На втором и всех последующих шагах эти величины могут приниматься равными среднеарифметическим значениям между входом и выходом участка, заключенного между сечениями с координатами zi-1 и zi.Выбор этих координат определяется условиями:


Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.5 - Схема алгоритма определения координаты начала поверхностного кипения

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.20)


Итерационный цикл по определению точки начала поверхностного кипения считается законченным, если соблюдено условие


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.21)


где Теплогидравлический расчет технологического канала наперед заданная точность в определении координаты точки закипания, например 0,01 м. При этом принимается zH.K.=zi=zi-1.


1.3.4 Определение координаты точки начала поверхностного кипения

Наряду с рассмотренным способом определения координаты точки начала поверхностного кипения, основанным на итерационном вычислительном процессе, возможен упрощенный способ нахождения zH.K.


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.22)


Здесь Теплогидравлический расчет технологического канала рассчитывают по формуле (1.17), но в отличие от п.1.3.3 расчет ведут по средним значениям:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.23)


где


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.24)

Теплофизические свойства теплоносителя и его скорость в формуле (1.23) определяются как среднеарифметические между входом и выходом участка подогрева (zBX-zП) с учетом уточненного (см. п.1.3.1) перепада давления на этом участке. Выбор координат zi-1, и zi определяется условием


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.25)


Относительную энтальпию Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала рассчитывают по формуле из книги энегретические ядерне реакторы.


Определенна координаты точки начала развитого объемного кипения


Координату точки начала развитого объемного кипения теплоносителя определяют по формуле


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.26)


Выбор координат zi-1, и zi определяется условием


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.27)


где Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала - относительные энтальпии теплоносителя в сечениях с координатами zi-1, и zi.

Массовое паросодержание (относительная энтальпия) в точке развитого объемного кипения

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.28)


где вР - объемное расходное паросодержание в области х>0, при которой начинается развитое объемное кипение:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.29)


Здесь Теплогидравлический расчет технологического канала - среднее для канала значение поверхностного теплового потока, определяемое по формуле (2.24), кВт/м2.

Теплофизические свойства теплоносителя и его скорость, входящие в формулы (1.28) и (1.29), определяются как среднеарифметические на участке подогрева (см. п.1.3.1).


Оценка распределения истинного объемного и массового паросодержания по высоте канала


Потеря давления в канале и теплоотдача к двухфазному потоку теплоносителя определяются режимом течения. Основными характеристиками двухфазного потока при этом являются истинное объемное ц и массовой расходное х паросодержание. После определения границ между различными режимами течения (см. подразд.1.2 - 1.4) становится возможным установить характер распределения ц и х по высоте канала.

Определение массового и истинного паросодержания

На участке поверхностного кипения с координатами от zHK до zП изменение массового паросодержания х(z) интерполируется прямой от х(zHK)= 0 до x(zП) где


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.30)


Здесь Теплогидравлический расчет технологического канала - истинное объемное паросодержание. Плотность воды и пара в формуле (1.30) также определяются по этому сечению.

Истинное объемное паросодержание в пределах рассматриваемого участка


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.31)


где Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала - относительные энтальпии в сечениях с координатами z и zHK.


Определение промежуточных значений массового и истинного паросодержания

На участке канала, заключенного между сечениями с координатами zП и zP, изменение массового паросодержания x(z) интерполируется прямой от х(zП)=хП до х(zР)=хР (см. формулы (1.30) и (1.28)).

Истинное объемное паросодержание на этом участке также интерполируется прямой Теплогидравлический расчет технологического канала до Теплогидравлический расчет технологического канала (см. пп. 1.5.1 и 1.5.3).

Расчет участка развитого пузырькового кипения

На участке развитого пузырькового кипения между сечениями с координатами zР и zВЫХ, массовое расходное паросодержание равно относительной энтальпии и рассчитывается по формуле (48):


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.32)


Истинное объемное паросодержание на этом участке


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.33)


Коэффициент проскальзывания Теплогидравлический расчет технологического канала по высоте канала остается практически постоянным. Используя вР [см. формулу (1.29)], его оценку можно выполнить по формуле, предложенной В.С. Осмачкиным [2]:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.34)


здесь число Фруда рассчитывается по формуле


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.35)


скорость смеси


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.36)


приведенная скорость пара


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.37)


где Теплогидравлический расчет технологического канала; Теплогидравлический расчет технологического канала и Теплогидравлический расчет технологического канала(см. п.1.2.1)

Приведенная скорость воды


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.38)


Расчет потери напора и распределения давления по высоте канала


Расчетные соотношения для определения потери напора по высоте канала предопределяются характером сечения и структурой потока. По высота рабочего канала реактора типа РБМК различают три участка: с однофазной средой (от zBX до zHK ), поверхностного кипения (от zHK до zP),с двухфазной средой и развитым объемным кипением (от zP до zBЫX). При расчете потери напора на каждом из двух участков они, в свою очередь, расчленяются на несколько расчетных элементов, в пределах которых определяются длина элемента Дz и сумма коэффициентов местных сопротивлений Теплогидравлический расчет технологического канала (см.п.1.2.4). В общем случае потеря напора определяется как сумма отдельных составляющих:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.39)


1.6.1 Определение потери давления на трение

Потеря давления на преодоление сопротивления трения: при течении однофазной среды


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.40)


на участке развитого кипения


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.41)


на участке поверхностного кипения


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.42)


где Теплогидравлический расчет технологического каналарассчитывают по формуле (1.41).

В приведенных формулах приняты следующие обозначения:

Дz - длина рассчитываемого элемента, м; dГ - гидравлический диаметр, м, рассчитывается по формуле (2.3); Теплогидравлический расчет технологического канала -соответственно плотность среды на участке однофазного потока, плотность воды и пара [кг/м3] на линии насыщения и скрытая теплота парообразования [кДж/кг], определяемые согласно рекомендациям, приведенным в п.1.2.1; х - массовое паросодержание в рассчитываемом элементе. Определяется как среднеарифметическое между входом и выходом (см. подразд.1.5); ш - поправочный коэффициент, учитывающий структуру двухфазного потока и определяемый по рисунок 1.6; qS - среднеарифметическое (между входом и выходом) значение поверхностного теплового потока в рассматриваемом элементе, рассчитываемое с привлечением формулы (2.18), кВт/м; Теплогидравлический расчет технологического канала - скорость циркуляции, м/с.


Теплогидравлический расчет технологического канала

Теплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического каналаТеплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.6 - Зависимость коэффициента ш от скорости циркуляции и давления


1.6.2 Определение потери давления на местных сопротивлениях

Потеря напора из-за местных сопротивлений при течении однофазной среды определяется как


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.43)


Для участка с двухфазной средой


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.44)


1.6.3 Определение нивелирной составляющей потери давления

Нивелирная составляющая потери напора при течении: однофазной среды


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.45)


для двухфазной среды


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.46)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - плотность пароводяной смеси,


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.47)


здесь Теплогидравлический расчет технологического канала - истинное объемное паросодержание на рассчитываемом элементе, определяемое как среднеарифметическое между входом и выходом (см. подразд. 1.5).


1.6.4 Определение потери давления на ускорение среды

Потеря напора на ускорение среды учитывается только на участках поверхностного и развитого кипения теплоносителя:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.48)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - приращение истинного объёмного паросодержания по длине рассчитываемого элемента (см. подразд.1.5).


1.6.5 Давление теплоносителя

Давление теплоносителя в расчетных сечениях по высоте канала


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.49)


1.7 Расчет коэффициентов теплоотдачи, температуры наружной поверхности оболочки твэла и запаса до кризиса теплообмена по высоте канала


1.7.1 Температура наружной поверхности оболочки твэла

Температура наружной поверхности оболочки твэла по высоте канала со средней тепловой нагрузкой


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.50)


де Теплогидравлический расчет технологического канала - температура теплоносители в расчетном сечении с координатой z,°С. Определяется по энтальпии (см.формулу (1.16)) и давлению (см. подразд.1.6) для участка с однофазной средой от zBX до zП. Выше координаты zП теплоноситель находится в состоянии насыщения и его температура определяется как температура насыщения при соответствующем давлении; qS(z) - поверхностный тепловой поток в расчетном сечении, определяемый по формуле (1.18), кВт/м ; Теплогидравлический расчет технологического канала - коэффициент теплоотдачи от твэла к теплоносителю, кВт/м2К).

Расчетные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи зависят от режима течения и структуры потока. Применительно к рабочим каналам реактора РБМК по их высоте выделяют три участка:

конвективного теплообмена от z = 0 до z = zHK

поверхностного кипения от z = zHK до z = zP

развитого кипения от z = zP до z = zBЫX


1.7.2 Участок конвективного теплообмена

На участке конвективного теплообмена коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле (1.51):


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.51)


Где Теплогидравлический расчет технологического канала- соответсвенно коэффициент теплопроводности, коеффициент кинематичской вязкости и число Прандтля для теплоносителя в расчетном сечении ТВС с координатой z; Теплогидравлический расчет технологического канала- соответственно массовая скорость теплоносителя и гидравлический диаметр.


1.7.3 Участок поверхностного кипения

На участке поверхностного кипения коэффициент теплоотдачи в каждом расчетном сечении может быть определен в соответствии с формулой, рекомендованной Л.С. Стерманом [3; 4]:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.52)


здесь Теплогидравлический расчет технологического канала - число Нуссельта, которое определяется обычной зависимостью для турбулентного режима течения однофазной среды (см. формулу (1.51)); Теплогидравлический расчет технологического канала -скорость воды, м/с; Теплогидравлический расчет технологического канала - скорость смеси, м/с; Теплогидравлический расчет технологического канала - температура насыщения, К.

Эта формула применима при соблюдении условия


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.53)

В противном случав коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле (1.51).


1.7.4 Коэффициент теплоотдачи на участке развитого кипения

На участке развитого кипения коэффициент теплоотдачи в каждом рассматриваемом сечении рассчитывается по соотношениям, рекомендованным Н.Г. Стюшиным [3]:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.54)


где St - число Стантона, подсчитываемое как


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.55)


здесь р - давление теплоносителя, MПa; у,р" - соответственно коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; и плотность пара на линии насыщения, кг/м3;


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.56)


Все теплофизические параметры, входящие в эти формулы, определяются по температуре насыщения.


Коэффициент запаса до кризиса теплообмена

Коэффициент запаса до кризиса теплообмена определяют соотношением:

Теплогидравлический расчет технологического канала (1.57)


где qS(z) - поверхностная тепловая нагрузка, рассчитывается по формуле (1.18), кВт/м2;qKP(z) - критический тепловой поток, который согласно рекомендациям В.Н. Смолина и В.К. Полякова [4] можно рассчитать по формуле


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.58)


Здесь р - давление теплоносителя, МПа; х - относительная энтальпия.


Расчет температур внутренней поверхности оболочки твэла, наружной поверхности и центральной части топливного сердечника


Температуры внутренней поверхности оболочки твэла, наружной поверхности и центральной части топливного сердечника существенным образом зависят от теплопроводности соответственно циркония, гелия и двуокиси урана, которые в свою очередь являются функциями температуры. В силу этого расчет указанных температур ведется итерационным способом. Расчет считается законченным, если расхождение в значениях температур, полученных в двух последних итерационных циклах, не превышает наперед заданной величины, например Теплогидравлический расчет технологического канала.


Температура внутренней поверхности оболочки твела

Температура внутренней поверхности оболочки твела [1]:


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.59)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - линейный тепловой поток в центральной плоскости канала, кВт/м, определяемый по формулам (1.12).

Остальные величины, входящие в формулу (1.58). Подсчитаны ранее или определены в исходных данных.


Температура наружной поверхности топливного сердечника

Температура наружной поверхности топливного сердечника


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.60)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - средний радиус газового зазора между оболочкой и топливным сердечником; Теплогидравлический расчет технологического канала - толщина газового зазора.


Температура в центре топливного сердечника

Температура в центре топливного сердечника [1]


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.61)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - коэффициент теплопроводности двуокиси урана, кВт/(м·К).


Расчет температурного режима графитовой кладки


Температура графита по высоте канала (максимальной и средней нагрузки) не должна превышать 700 °С [б] и определяется как


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.62)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - температурный перепад вследствие теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к теплоносителю,°С; Теплогидравлический расчет технологического канала - температурный перепад по толщине стенки трубы,°С; Теплогидравлический расчет технологического канала - перепад температуры на системе "газовые зазоры - графитовые втулки" (рисунок 1.7),°С. При выполнении курсового проекта может быть оценён значением 80...100 0С. Подробнее методика изложена в [6]; Теплогидравлический расчет технологического канала - температурный перепад по толщине графитового блока,°С.


Температурный перепад от внутренней поверхности трубы к теплоносителю

Температурный перепад вследствие теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к теплоносителю


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.63)


где Теплогидравлический расчет технологического канала - поверхностный тепловой поток, обусловленный тепловыделением в графитовой кладке, втулках и циркониевой трубе канала с внутренним диаметром Теплогидравлический расчет технологического канала (см. табл2), кВт/м2; Теплогидравлический расчет технологического канала - коэффициент теплоотдачи от стенки циркониевой трубы к теплоносителю, кВт/(м2·К).

Температурный перепад по толщине стенки трубы

Температурный перепад по толщине стенки трубы


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.64)


где Теплогидравлический расчет технологического канала, Теплогидравлический расчет технологического канала - соответственно наружный и внутренний диаметр циркониевой трубы, м (см. табл. 2).


Температурный перепад по толщина графитового блока

Температурный перепад по толщина графитового блока


Теплогидравлический расчет технологического канала (1.65)


Теплогидравлический расчет технологического канала

1 - графитовый блок; 2 -циркуляционная труба канала; 3 - графитовая кладка

Pиcунок 1.7 - Схематический разрез топливного канала с блоком графитовой кладки без ТВС


где Теплогидравлический расчет технологического канала - радиус центрального отверстия в графитовом блоке, м (см. таблицу 2, рисунок 1.1 и 1.7); Теплогидравлический расчет технологического канала эквивалентный наружный радиус графитового блока, м; Теплогидравлический расчет технологического канала - коэффициент теплопроводности графита, кВт(м·К).


1.10 Результаты теплогидравлического расчета


Результаты расчета сведем в виде таблицы


Таблица 1.1- Результаты теплогидравлического расчета

Параметр Условное обозначение Значение
1 2 3
Проходное сечение ТВС, м2 SТВС 0,002391
Гидравлический периметр, м ПГ 1,044265
Гидравлический диаметр, м 0,009160
Тепловой периметр, м ПТЕПЛ 0,746442
Тепловой диаметр, м dТЕПЛ 0,012814
Расход теплоносителя через рассчитываемый канал, кг/с G 4,94

Среднее значение линейного теплового

потока, кВт/м2

Теплогидравлический расчет технологического канала

229,6
Итерация №1

Погрешность е 1,000
Координата точки закипания, м 3,500
Тепловой поток 1, кВт Q1 587,8
Тепловой поток 2, кВт Q2 895,85
Итерация №2


е 0,3439
Координата точки закипания, м 2,3
Тепловой поток 1, кВт Q1 654,25
Тепловой поток 2, кВт Q2 497,67
Итерация №3


е 0,3146
Координата точки закипания, м 2,53
Тепловой поток 1, кВт Q1 641,12
Тепловой поток 2, кВт Q2 570,94
Итерация №4


е 0,1229
Координата точки закипания, м 2,84
Тепловой поток 1, кВт Q1 653,58
Тепловой поток 2, кВт Q2 672,45
Итерация №5


е 0,028
Координата точки закипания, м 2,63
Тепловой поток 1, кВт Q1 635,24
Тепловой поток 2, кВт Q2 625,35
Тепловой поток на единицу поверхности, кВт/м2

Теплогидравлический расчет технологического канала

159,23

Теплогидравлический расчет технологического канала

394,28

Теплогидравлический расчет технологического канала

435,05

Теплогидравлический расчет технологического канала

338,41

Теплогидравлический расчет технологического канала

164,68

Таблица 1.2- Распределение давления по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
давление, МПа Р(0) 8,00

Р(zП = 2,63) 7,398

Р(Теплогидравлический расчет технологического канала)

7,20

Р(Теплогидравлический расчет технологического канала)

6,80

Р(Теплогидравлический расчет технологического канала)

6,40

Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.8- График изменения давления по высоте канала

Таблица 1.3 – Распределение коэффициента теплоотдачи по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
Коеффициент теплоотдачи, кВт/м2·К

Теплогидравлический расчет технологического канала

28,9

Теплогидравлический расчет технологического канала

74,35

Теплогидравлический расчет технологического канала

75,86

Теплогидравлический расчет технологического канала

63,2

Теплогидравлический расчет технологического канала

34,35

Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.9 – График изминения коэффициента теплоотдачи по высоте канала


Таблица 1.4- Распределение наружной температуры оболочки ТВЕЛа по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
Наружная температура оболочки ТВЕЛ, 0С

Теплогидравлический расчет технологического канала

265,23

Теплогидравлический расчет технологического канала

292,76

Теплогидравлический расчет технологического канала

298,29

Теплогидравлический расчет технологического канала

287,65

Теплогидравлический расчет технологического канала

278,96


Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.10- График изминения температуры наружной оболочки ТВЭЛа по высоте канала


Таблица 1.5- Распределение внутренней температуры оболочки ТВЕЛа по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
Внутренняя температура оболочки ТВЕЛ, 0С

Теплогидравлический расчет технологического канала

271,3

Теплогидравлический расчет технологического канала

311,8

Теплогидравлический расчет технологического канала

312,15

Теплогидравлический расчет технологического канала

301,5

Теплогидравлический расчет технологического канала

284,9

Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.11- График изминения температуры внутренней оболочки ТВЭЛа по высоте канала


Таблица 1.6- Распределение наружной температуры топливного сердечника по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
Температура наружной поверхности топливного сердечника, 0С

Теплогидравлический расчет технологического канала

336,34

Теплогидравлический расчет технологического канала

494,49

Теплогидравлический расчет технологического канала

500,48

Теплогидравлический расчет технологического канала

459,44

Теплогидравлический расчет технологического канала

349,03

Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.12- График изминения наружной температуры топливного сердечника по высоте канала


Таблица 1.7- Распределение температуры в центре топливного сердечника по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
Температура в центре топливного сердечника, 0С

Теплогидравлический расчет технологического канала

418,10

Теплогидравлический расчет технологического канала

880,88

Теплогидравлический расчет технологического канала

900,5

Теплогидравлический расчет технологического канала

758,75

Теплогидравлический расчет технологического канала

434,10

Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.13- График изминения температуры в центре топливного сердечника по высоте канала


Таблица 1.8- Распределение температуры в графитовой кладке по высоте канала

Параметр Условное обозначение Величина
Температура в центре топливного сердечника, 0С

Теплогидравлический расчет технологического канала

385,6

Теплогидравлический расчет технологического канала

520,5

Теплогидравлический расчет технологического канала

518,3

Теплогидравлический расчет технологического канала

490,5

Теплогидравлический расчет технологического канала

410,5

Теплогидравлический расчет технологического канала

Рисунок 1.14- График изминения температуры в графитовой кладке по высоте канала


Таблица 1.9- Расчет запаса до кризиса

Параметр Условное обозначение Величина
1 2 3
Паросодержание, %

Теплогидравлический расчет технологического канала

10,96

Теплогидравлический расчет технологического канала

6,57

Теплогидравлический расчет технологического канала

8,45

Теплогидравлический расчет технологического канала

10,6

Теплогидравлический расчет технологического канала

16,2
Критический тепловой поток, кВт/м2

Теплогидравлический расчет технологического канала

3534,9

Теплогидравлический расчет технологического канала

3233,1

Теплогидравлический расчет технологического канала

2914,8

Теплогидравлический расчет технологического канала

2673,4

Теплогидравлический расчет технологического канала

2503,2
Коэффициент запаса до кризиса К(0) 22,2

К(zП) 8,2

К(Теплогидравлический расчет технологического канала)

6,7

К(Теплогидравлический расчет технологического канала)

7,9

К(Теплогидравлический расчет технологического канала)

15,2
Рефетека ру refoteka@gmail.com