19131

ТЕПЛОГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТВС

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 11 ТЕПЛОГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТВС Теплогидравлический расчет ТВС реактора на быстрых нейтронах Рассмотрим ТВС реактора на быстрых нейтронах распределение тепловыделения в активной части которой подчиняется закону косинуса. Пусть даны геометрия ТВС

Русский

2013-07-11

529.5 KB

42 чел.

ЛЕКЦИЯ 11

ТЕПЛОГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТВС

Теплогидравлический расчет ТВС реактора на быстрых       нейтронах

Рассмотрим ТВС реактора на быстрых нейтронах, распределение тепловыделения в активной части которой, подчиняется закону косинуса. Пусть даны геометрия ТВС, максимальная линейная мощность qlm и допустимая температура оболочки — Тmax. Известна так же температура входа теплоносителя — Твх. Требуется найти расход теплоносителя через ТВС, который соответствует данным условиям и перепад давления Р.

Известно, что температурные поля в сборках с жидким металлом сильно зависят от конфигурации канала и распределения тепловыделения и слабее, чем в случае других жидкостей, от распределения скоростей в сечении канала. Это объясняется высокой теплопроводностью жидкометаллического теплоносителя. Поэтому, а также из-за слабой зависимости теплофизических свойств жидких металлов от температуры можно свести тепло-гидравлический расчет ТВС к последовательным тепловому и гидравлическому расчетам.

Максимальная температура оболочки определяется из баланса подогревов в наиболее напряженной ячейке:

,    (11.1)

где Тт.э — подогрев теплоносителя в нижнем торцевом экране; g — расход теплоносителя в ячейке; Ср — удельная теплоемкость теплоносителя; — коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю; 0 — коэффициент теплопроводности оболочки твэла.

Расчеты показывают, что можно принять расстояние z* от входа теплоносителя в активную зону, на котором достигается Тмакс, равным высоте активной зоны. Коэффициент К, равный отношению потока на границе активной зоны к потоку в центре реактора, получается из решения трансцендентного уравнения:

                                            ,                                            (11.2)     

где Кz — коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте. С некоторым завышением можно принять К=/Кz – 2. Если предположить, что известна доля мощности, выделяемой в торцевых экранах, Kт.э. и что оd1, то выражение (11.1) можно заменить следующим:

           .                          (11.3)

Методика определения коэффициента теплоотдачи будет рассмотрена ниже. Поскольку для вычисления необходимо знать скорость теплоносителя w, то приходится прибегать к итерационной процедуре, возвращаясь к (11.3) после гидравлического расчета ТВС.

Другой недостаток формулы (11.3) состоит в игнорировании неравномерности температуры по периметру твэла. Наиболее напряженной обычно считается центральная ячейка (рис. 11.1).

Рис.11.1. Схема к тепло-гидравлическому расчету ТВС:

1 — номинальная   ячейка;    2 — пристенная ячейка

Температура в точке А оболочки твэла выше, чем в точке В. Для учета неравномерности поля температур по периметру твэла можно воспользоваться результатами расчета теплообмена в пучках твэлов для предельного случая тNa. В этом случае тепловой поток на поверхности твэла можно считать постоянным, а неравномерность температур по периметру максимальной и максимальную температуру оболочки вычислять по формуле:

               .                   (11.4)                    

Величина зависит только от относительного шага решетки l. Эта зависимость приведена на рис.11. 2.

Рис.11.2 . Зависимость коэффициента в формуле (10.4) от относительного шага решетки твэлов

Из (11.3) или (11.4) можно найти расход g. Рассмотрим гидравлический расчет ТВС в приближении изолированных каналов.

Соответствие расхода теплоносителя через сборку ее тепловой мощности не гарантирует надежного охлаждения каждого твэла. Для последнего необходимо, чтобы расход теплоносителя в каждой ячейке соответствовал количеству поступающего  в нее тепла. Распределение теплоносителя в параллельно включенных, сообщающихся трактах зависит от распределения скоростей на входе и от коэффициентов гидравлического сопротивления отдельных ячеек, складывающихся из коэффициентов трения и местного сопротивления.

Рассмотрим влияние различия в форме ячеек на     распределение расхода теплоносителя между ними. Будем считать, что средние скорости теплоносителя в соседних ячейках отличаются не сильно, так что трением между потоками параллельных каналов можно пренебречь. Тогда в каждой ячейке трение рассчитывают независимо от течения в соседних ячейках. Исследования показали, что коэффициент трения можно выразить следующим образом:

                                                                     (11.5)   

где Re — число Рейнольдса; w — скорость теплоносителя; dГ — гидравлический диаметр; S — площадь ячейки; П — смоченный периметр; — кинематический коэффициент вязкости. Для Re100 и l = 1,05 — 1,2 можно использовать следующее приближение:

                                              .                                                           (11.6)                

При отсутствии перетечек между параллельными ячейками выполняется условие постоянства статического давления по сечению ТВС. С учетом (10.5) изменение давления по высоте равно:

                                                                                 (11.7)

где — плотность теплоносителя.

Если пренебречь изменением теплофизических свойств, то:

                                                                                                                         (11.8)

Отсюда следует соотношение для средних скоростей и расходов теплоносителя в соседних ячейках:

                                                       .                                                             (11.9)

После подстановки значений гидравлических диаметров, получим:

                                                .                                        (11.10)

При больших числах Рейнольдса   показатель n равен примерно 0,2. На основании соотношений (11.9) и (11.10) можно выбрать геометрические размеры ячеек, обеспечивающих требуемое распределение расхода по сечению ТВС.

Рассмотрим использование приведенных соотношений для расчета диаметра вытеснителя в периферийной ячейке. Вытеснитель выбирается так, что бы подогревы теплоносителя  периферийной (2) и центральной (1) ячейках были одинаковы. Поскольку обогреваемый периметр, приходящий на каждую ячейку одинаков, условием равенства подогревов обеспечивается равенством расходов, если тепловыделение в твэлах одинаково. Из равенства расходов (w1S1=w2S2) и соотношения (11.10) получаем условие выбора диаметра вытеснителя:  

                                                              .                                                     (11.11)

Определим смоченные периметры и площади периферийных и центральных ячеек.

Площадь центральной ячейки:

                                 .                                         (11.12)

Площадь пристеночной ячейки:

                                    .                  (11.13)

Смоченный период центральной ячейки:

                                                  .                                                   (10.14)

Смоченный период пристеночной ячейки:

                                        .                                            (11.15)     

Величина dв находится из решения уравнений (10.11 — 10.15) при n =0,2. В интервале диаметров твэлов 5 — 9 мм при относительном шаге решетки 1,1 до 1,3 диаметр вытеснителя с хорошей точность аппроксимируется  формулой:

                                        .                                              (11.16)

Рис.11.3. Зависимость диаметра вытеснителя  от диаметра твэла

для относительных шагов решетки 1,1; 1,2; 1,3

Зависимость диаметра вытеснителя в пристеночных ячейках ТВС реактора на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением от диаметра твэла для относительных шагов решетки 1,1; 1,2; 1,3 показана на рис.11.3.

Для расчета максимальной температуры оболочки необходимо знать коэффициент теплоотдачи. В общем случае он может быть определен из формулы Михеева. Однако для реальных тепловыделяющих сборок реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением получены экспериментальные соотношения:

для чистой поверхности оболочки:

Nu=4,5+0,014Pe0,8

для окисленной оболочки:

                                                      Nu=3+0,014Pe0,8                                              (11.17)

.

Для решетки с шагом 1 — 1,5 число Нуссельда аппроксимируется  соотношением:

Nu=5,3+7l

Неравномерность температуры по периметру угловых и пристеночных твэлов можно определить по экспериментальной формуле:

                    (11.18)

Теплогидравлический расчет ТВС реактора с водяным              охлаждением

В зависимости от уровня мощности теплоотдача от твэлов к воде может осуществляться различным образом:

1. Если температура поверхности твэлов ниже температуры кипения теплоносителя при данном давлении, то имеет месте конвективный теплообмен с однофазной жидкостью.

2. Если температура поверхности твэлов выше температуры кипения теплоносителя при данном давлении, то вода в пристеночном слое прогревается и при наличии центров парообразования закипает; т.е. возникает поверхностное кипение. Режим кипения при относительно малых тепловых потоках — пузырьковый. Образовавшиеся пузырьки пара отрываются и уносятся с поверхности твэлов потоком теплоносителя. Попадая в слой недогретой до кипения воды, пузырьки пара конденсируются с отдачей тепла. Появление пузырькового кипения недогретой жидкости  вызывает сильную турбулизацию потока теплоносителя, что также увеличивает теплоотдачу от твэлов.

3. При дальнейшем увеличении теплового потока количество образующихся пузырьков пара и, следовательно, площадь поверхности твэлов, занятая паровой фазой, увеличиваются. Если температура теплоносителя становится выше температуры кипения при данном давлении, то поверхностное кипение воды переходит в объемное, а пузырьки пара не конденсируются в объеме жидкости.

4. При определенном сочетании значений теплового потока, расхода теплоносителя и массового паросодержания пузырьковый режим кипения переходит в пленочный, при котором паровая фаза занимает всю площадь поверхности твэлов.

Механизм теплоотдачи при этом резко меняется: на поверхности твэлов появляется сплошная паровая плёнка с большим термическим сопротивлением. Конвективный теплообмен практически прекращается, и количество отводимого от твэлов тепла ограничивается теплопроводностью через паровую пленку. Температура твэлов при этом возрастает, что может привести к расплавлению оболочки и топлива. Очевидно, что при эксплуатации реактора такой режим, называемый кризисом теплообмена, должен быть исключен соответствующим ограничением мощности кассеты или увеличением расхода теплоносителя.

Качественная картина изменения коэффициента теплоотдачи и температур при охлаждении канала показана на рис.11.4.

Рис. 11.4. Качественная характеристика процессов, происходящих в длинной теплоотдающей трубе при кипении теплоносителя: 1 — температура теплоносителя; 2 — температура стенки трубы;

3 — температура насыщения; 4 — коэффициент теплоотдачи

Задача о теплообмене нагретого тела с теплоносителем не решается аналитически. В инженерных расчетах вводят коэффициент теплоотдачи — , связывающий тепловой поток с поверхности твердого тела (qs) и перепад температур между поверхностью (стенкой) и теплоносителем (жидкостью):

                                        qs=(Тст Тж).                                               (11.19) 

Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене с однофазной жидкостью находится по соотношению Михеева:

                                       ,                       (11.20)

В последних выражениях w — скорость теплоносителя, — кинематическая вязкость, ж— теплопроводность теплоносителя, а — температуропроводность. Для вычисления Prж значения теплофизических характеристик берутся при температуре теплоносителя, для Prст — при температуре теплоносителя, равной температуре поверхности оболочки.  Гидравлический диаметр D = dг.  Эффективный гидравлический диаметр пучка твэлов dг=4S/П, где S — полное поперечное сечение пучка (ТВС), П — полный периметр всех твэлов в пучке. Коэффициент заполнения пучка ТВС твэлами равен:

                                         ,                                      (11.21)

где f=Sтв/S, Sтв— полное поперечное сечение твэлов в пучке.

Значение поправки на начальный участок ТВС, представлено в тебл.11.1.

Таблица 11.1

Значение поправки на начальный участок ТВС

Re

L/D

1

3

10

20

30

40

1.104

1,65

1,34

1,23

1,13

1,07

1,03

2.104

1,56

1,27

1,18

1,1

1,05

1,02

5.104

1,34

1,18

1,13

1,08

1,04

1,02

1.105

1,28

1,15

1,1

1,06

1,03

1,02

1.106

1,14

1,08

1,05

1,03

1,02

1,01

Для реактора ВВЭР в нормальных условиях работы значение коэффициента теплоотдачи находится в пределах 3,2 — 3,6 Вт/см2К. 

Для расчета теплообмена при кипении воды, недогретой до температуры насыщения можно рекомендовать:

                                   ,                                                (11.22)

где Ts — температура насыщения.

Для расчета критических тепловых потоков  ТВС реактора ВВЭР экспериментально получено следующее эмпирическое соотношение:

     ,              (11.23)

где а1=6,84.105, а2 = – 0,5, а3 = 0,0103, а4 = –0,127, а5 = 0,311, а6 = –0,000182.

Последнее соотношение справедливо для паросодержания (х) в пределах 0,086 — 0,39; при давлениях от 7,6 до 17 МПа; при массовых скоростях (w) в интервале 750 — 3680 кг/м2с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21111. Усна народна творчість, доби пізнього Середньовіччя (XIV – перша половина XVII ст.) 19.05 KB
  Значні світоглядні зрушення відбуваються в усній народній творчості. Розвиток народної творчості українців відбувався на основі давньоруських фольклорних традицій проте нові умови життя народжували й нові форми народної творчості. Натомість в обрядовій творчості зявляються насамперед у жнивних та обжинкових піснях соціальні мотиви та настрої які мають антифеодальне забарвлення.
21112. Освіта доби пізнього Середньовіччя (XIV - перша полови-на XVII ст.) 23.76 KB
  В Україні були протестантські школи в Дубні Хмельнику. Здебільшого рівень освіти в Україні якщо не враховувати протестантські заклади був початковим. Безпосередньо в Україні книгодрукування поширилося тільки у другій половині XVI ст. тут побачив світ Апостол перша друкована книга в Україні яка призначалася для церковнобогослужбового вжитку.
21113. Література і літописання XIV – першої половини XVII ст. 25.69 KB
  Література і літописання XIV першої половини XVII ст. зявляються також нові розширені версії перекладних повістей про Олександра Македонського Олександрія оповідання про Трою Бовукоролевича у XVI ст. До найзначніших літописів тієї доби слід віднести Короткий Київський літопис XIV XVI ст. Виробництво власного паперу в Україні почалося в Галичині тільки в першій половині XVI ст.
21114. Релігійна полеміка другої половини XVI – першої половини XVII ст 23.14 KB
  У творчості цього полеміста чи не найповніше виражено віру у швидке відродження національної культури та її майбутній розквіт. Він виступав проти вищої ієрархії що призвела до унії а також проти католицької та західної культури. Якщо в часи ренесансних віянь в Україні та за її межами під враженням від давніх київських руїн часто висловлювалася думка що Київ це ніщо інше як гомерівська Троя то з початком поширення барокової культури в Україні виникає концепція Києва як Другого Єрусалима Й. який має стати надійним оплотом не тільки...
21115. Архітектура доби пізнього Середньовіччя (XIV – перша половина XVII ст.) 22.82 KB
  Найбільшими будівлями цього стилю були католицькі костели у Львові кінець XIV ст. Найстарішою памяткою готичної доби де готичні елементи співіснують з візантійськомало азійським стилем є Вірменська церква у Львові закладена у 1363 р. особливо у Львові панував стиль пізнього Ренесансу. У цьому стилі у Львові збудовані Високий замок будинок Гепнера Чорна камяниця 1570 будинок грецького купця й уславленого мецената Корнякта 1580 каплиця Трьох святителів 1578 вежа Вірменської церкви 1576 а також вежа Корнякта дзвіниця...
21116. Образотворче мистецтво у XIV – першій половині XVII ст 28.59 KB
  Образотворче мистецтво у XIV першій половині XVII ст. У фресковий розпис проникають народні й світські мотиви повязані з раннім Ренесансом хоча в цілому памятки монументального фрескового живопису XIV середини XVI ст. У цілому ж до середини XVI ст. З XVI ст.
21117. Театральне мистецтво і музична культура доби пізнього Середньовіччя (XIV - перша половина XVII ст.) 15.84 KB
  Театральне мистецтво і музична культура доби пізнього Середньовіччя XIV перша половина XVII ст. Театральне мистецтво. Зароджується також театральне мистецтво. Розвиваються народні ігри та мистецтво скоморохів виконавців і творців розважальної усної поезії музичного фольклору.
21118. Освіта у другій половині XVII – XVIII ст. 21.54 KB
  періодично то набував то втрачав статус академії доки цей статус не було остаточно затверджено 1701 р. Студенти Київської академії здебільшого йшли до війська пожежі та військова руїна нищили шкільні будинки та надані маєтності. починається новий розквіт діяльності академії який свого апогею досягає на межі століть. У стінах Академії відбуваються численні публічні диспути з різних наук затверджується звичай рекреацій культурномистецьких свят з виставами та іграми приуроченими до завершення навчального року.
21119. Література у другій половині XVII – XVIII ст. 26.69 KB
  Література у другій половині XVII XVIII ст. Розвиток літератури протягом другої половини XVII першої половини XVIII ст. Так званий леонінський вірш що поширився у XVIII ст. В кінці XVIII ст.