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

37 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

52979. Вода – життя основа 41 KB
  Мета: підвищити рівень інформативності і розширити знання учасників про значення роль і вплив води на людей та все живе на землі; детальніше ознайомити з фізичними властивостями води; формувати життєво важливі переконання виховувати любов до природи. Розвиток людської цивілізації потребує все більше і більше кількості прісної води. Властивості води в основному вивчені але ще дуже багато таємниць води не розкриті. На сьогоднішньому занятті ми з вами ознайомимося з фізичними і ще мало вивченими властивостями води більш докладніше...
52981. ФИЗИЧЕСКАЯ ИГРА «СЧАСТЛИВЫЙ СЛУЧАЙ» 72.5 KB
  Ребята! Сегодня мы снова встречаемся в этом зале с вами на игре «Счастливый случай». В игре принимают участие команда 11-А класса (название) и команда 11-Б класса (название). Прошу команды занять свои места. ( Команды под музыку занимают свои места в зале).
52982. Круглий стіл «Фізика за чайним столом» 106.5 KB
  Вчитель: Ми з вами часто стикаємося з багатьма звичними речами але знаємо про них мало а деколи навіть не можемо відповісти на найпростіші запитання про фізичні явища які з цими предметами пов’язані. Але учні також один одному можуть ставити питання які їх цікавлять Вчитель: Перед вами на столі стоять блискучі самовари. 1 Вчитель: А чому у самовара ручки дерев’яні або пластмасові Учень: Дерево або пластмаса – поганий провідник тепла порівняно з металом. Вчитель: Ви помітили що підставивши чашки або склянки до носика самовара вони...
52984. Внеклассное мероприятие по физике «Лирическая физика» 64.5 KB
  1 конкурс Разминка Разминка физическая Кто открыл явление инерции Из чего состоят молекулы Прибор для измерения массы тела Основная единица измерения силы В каком городе жил Архимед Состояние вещества если молекулы расположены в строгом порядке Научные предположения о чем – либо Основная единица количества теплоты Плотность чистой воды Какую физическую величину измеряют мензуркой Как называют изменение формы или размеров тела Как называется процесс превращения пара в жидкость Основная единица...
52985. Взаємодія тіл 1.18 MB
  Запропоновані тестові завдання можуть бути використані як для поточної перевірки знань учнів, так і для тематичних атестацій. Задачі і завдання підібрані різних типів - розрахункові, графічні, якісні, задачі-малюнки, умова яких задається за допомогою малюнка, графіка, фотографії.
52987. Компетентнісний підхід у викладанні фізики 105.5 KB
  Ключові компетенції включають в себе вміння виконувати цілісну ясну грамотну дію вирішувати реальну ситуацію задачу. У зв'язку з цим можна виділити навички та вміння які повинні виникнути у студентів: володіння інформаційними технологіями уміння їх застосовувати збір і обробка необхідної інформації; здатність вчитися все життя це основа безперервної підготовки в професійному плані а також в особистому і суспільному житті; вміння спілкуватися поважати один одного здатність жити з людьми інших культур мов і релігій. Це призводить...