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

35 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

29788. Назначение и ТТХ основных средств механизации прокладки полевых кабелей связи 250.5 KB
  К ним относятся катушки кабельные барабаны станки комплект П280 для намотки кабеля шесты для подвески кабеля шанцевый инструмент.8 предназначены для прокладки кабелей дальней связи П296 и П270 а также кабеля П272 по поверхности земли и в грунт с барабанов; заглубления в грунт кабеля предварительно проложенного по поверхности земли; извлечения кабеля из грунта или снятия кабеля проложенного по поверхности земли. Глубина прокладки кабеля до 50 см от поверхности земли.; скорость прокладки кабеля 4 6 км ч; скорость снятия...
29789. Назначение и ТТХ измерительного прибора П-321М 103.5 KB
  Сигнал с передающего телеграфного аппарата ПЕР. В передатчике имеются генератор средняя несущая частота которого выбрана равной 3150 Гц и модулятор изменяющий частоту этого генератора на 55 гц или минус 55 Гц в зависимости от полярности сигнала на входе передатчика. Модулированный по частоте сигнал с уровнем 0 Нп подается на разделительные гнезда ТГФ блока фильтров. сигнал подается на полосовой фильтр передачи ПФ ПЕР.
29790. Классификация систем передачи информации (СПИ) по среде распространения сигналов. Структурная схема многоканальной системы передачи информации 61.5 KB
  Классификация систем передачи информации СПИ по среде распространения сигналов. Структурная схема многоканальной системы передачи информации. Классификация систем передачи информации по среде распространения сигналов. Многоканальная система передачи представляет собой сложный комплекс включающий линейные и станционные устройства предназначенные для получения определенного числа каналов на заданную дальность.
29791. Линейные методы разделения каналов. Принцип формирования линейного спектра в аппаратуре с частотным разделением каналов (ЧРК). Структурная схема 8.31 MB
  Отличительными признаками канальных сигналов в этой системе передачи являются разные неперекрывающиеся полосы частот которые занимают эти сигналы. Такое различие позволяет разделить канальные сигналы в приемной части аппаратуры с помощью электрических фильтров. Первичные информационные сигналы Cit могут быть различного вида. Другие сигналы характеризуются более широким спектром.
29792. Основные характеристики телефонного канала (канала тональной частоты) 446 KB
  Основные характеристики телефонного канала канала тональной частоты.1718 Остаточное затухание канала ТЧ r разность между уровнем сигнала измерительного генератора p0 с Rr = 600 Ом в согласованной нагрузке и уровнем и уровнем сигнала на выходе канала p2 нагруженного на сопротивление Rн = 600 Ом. Частотная характеристика остаточного затухания канала ТЧ измеряется или встроенными приборами или с помощью комплектов П321 П322 и П326.2 Амплитудная характеристика канала ТЧ называется зависимость его остаточного затухания от уровня...
29793. Классификация телефонных аппаратов и их схем. Мостовая противоместная схема 229 KB
  Тактикотехнические характеристики Аппаратура Азур–1 является двухпроводной двухполосной системой передачи с ЧРК обеспечивающей получение одного канала ТЧ в диапазоне частот 43 – 117 кГц. В режиме А в линию передается нижняя полоса частот линейного спектра 43 – 74 кГц а принимается верхняя полоса частот линейного спектра 86 – 117 кГц. В режиме Б в линию передается верхняя полоса частот линейного спектра а принимается нижняя. Наименование характеристики Значение Диапазон передаваемых частот кГц 412 Уровень передачи канала на выходе...
29794. Классификация полевых телефонных аппаратов. Назначение и ТТХ телефонного аппарата ТА-57. Варианты включения ТА-57 в линию 122 KB
  Общая структурная схема оконечной аппаратуры Тракт передачи На входе тракта передачи установлен электронный ключ Кл1 обеспечивающий подключение к тракту тока частоты 21 кГц при получении соответствующего сигнала. Он при помощи тока несущей частоты 136 кГц осуществляет перенос спектра тональной частоты 03 34 кГц в спектр 1363 1394 кГц. выделяющий полосу частот 1363 1394 кГц. В зависимости от режима работы станции А или Б с помощью токов несущих частот 132 кГц или 148 кГц соответственно осуществляется формирование линейного...
29795. Цепи посылки и приема вызова в режимах МБ и ЦБ в ТА-57 по принципиальной схеме. 886.5 KB
  Цепи посылки и приема вызова в режимах МБ и ЦБ в ТА57 по принципиальной схеме. Прием вызова Прием вызова производится на звонок НА который как при работе в системе МБ так и при работе в системе ЦБ постоянно включен в линию по следующей цепи: Рис. Цепь посылки вызова на РТС ЦБ. Источник индукторного вызова провод линии клемма Л1 вывод индуктора GJ в шунтирующий контакт индуктора GJ ШК21 вывод индуктора GJ обмотка звонка НА конденсатор С11 клемма Л2 провод линии в источник индукторного вызова.
29796. Цепи передачи и приема разговора в ТА-57 по принципиальной схеме 47.5 KB
  Назначение и состав полевой кабельной линии ПКЛ296 303. В первом случае сигналы разговорных частот поступают с линии на телефон BF аппарата по следующей цепи: Источник электрического сигнала провод а линии клемма Л1 вывод индуктора GJ в шунтирующий контакт индуктора GJ ШК21 вывод индуктора GJ контакты 21 переключателя S2 конденсатор С10 контакты 89 переключателя S4 обмотка П1 трансформатора Т2 телефон BF клемма Л2 провод в линии источник электрического сигнала. Провод в линии подключается в цепь базы транзистора VT3: Клемма...