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

43 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

49059. Создание новой нейросистемы (разработанной в программе разработчиков Borland Delphi 2006) 870 KB
  Нейронные сети. Нейронные сети и нейрокомпьютеры - это одно из направлений компьютерной индустрии в основе которого лежит идея создания искусственных интеллектуальных устройств по образу и подобию человеческого мозга1. Искусственные нейронные сети представляют собой устройства использующие огромное число элементарных условных рефлексов называемых по имени недавно умершего канадского физиолога синапсами Хебба. Уже сейчас искусственные нейронные сети применяются для решения очень многих задач обработки изображений управления роботами и...
49060. Сканирующая туннельная микроскопия 1.64 MB
  История создания сканирующего туннельного микроскопа Сканирующие элементы зондовых микроскопов Недостатки пьезокерамики Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца Шаговые электродвигатели Шаговые пьезодвигатели Измерительные методики СТМ Топографический режим Токовый режим Туннельная спектроскопия ВАХ контакта металлметалл ВАХ контакта металл полупроводник ВАХ контакта...
49061. Изготовление зубьев ковша экскаватора с применением стали 110Г13Л 604 KB
  Разработка технологического процесса термической обработки стали. Расшифруйте состав и определите группу стали по назначению; объясните назначения введения Mn в эту сталь; назначьте режим термической обработки и опешите структуру после термообработки. Совершенство производства выпуск современных разнообразных машиностроительных конструкций инструмента специальных приборов и машин невозможны без дальнейшего развития производства...
49062. Развитие творческого мышления младших школьников на уроках математики 771.5 KB
  Задачи как средство развития творческого мышления младших школьников. Систематическая работа учителя в режиме творческого обучения когда ежедневно ученикам на уроках предлагается решить по желанию на выбор нестандартные задачи способствует формированию положительного отношения к заданиям проблемно-поискового характера критичности мышления и умению проводить миниисследования; содействует проявлению более высокой степени самостоятельности в постановке вопросов и поиска решений. Поэтому очень важно в круг...
49063. Гидравлический расчет трубопроводов 289.5 KB
  Определяем скорость движения на первом участке м с движение турбулентное Определим коэффициент сопротивления Rэабсолютная шероховатость трубы Потери напора на трение...
49064. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБОПРОВОДОВ 288 KB
  На трубопроводе с общим расходом воды Q0 имеется участок с параллельно включенными ветвями (рис.2). Определить расходы в отдельных ветвях и напор, действующий между точками разветвления НАВ. Трубы стальные сварные умеренно заржавевшие
49065. Методы локализации неисправностей на аппаратуре СВ и РМ 405 KB
  Схема управления и программ. Весь цикл ЦВУ по времени разделен на четыре программы (П1,П2,П3,П4), каждая из которых содержит до четырех подпрограмм и определенное количество команд. Схема управления и программ конструктивно размещена в нескольких ТЭЗах...
49066. Устройство сбора телеметрической информации с оценкой измеряемой величины с порогом 382 KB
  Конструктивная реализация устройства включает в себя ряд коммутаторов с подключенными к ним дешифраторами аналоговоцифровой преобразователь АЦП и микропроцессорный блок включающий в себя сам микропроцессор тактовый генератор и память ПЗУ и ОЗУ 5 стр. В работе произведен расчет и выбор АЦП расчет и выбор коммутаторов разработка структурной схемы алгоритма программы отладки расчет требуемой памяти и частоты выборки отсчетов. Чтобы считать с определенного датчика сигнал необходимо выбрать коммутатор его канал и запустить АЦП....
49067. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ИСТОРИИ ЖУРНАЛИСТИКИ 758 KB
  Журналистика – это вид общественной и творческой деятельности, связанной со сбором, обработкой и периодическим распространением социально значимой информации. «Социально значимая» информация – важная для общества, для его безопасности и успешного развития, актуальная для многих людей, позволяющая им адаптироваться к происходящим переменам.