Определение теплогидравлических параметров по высоте канала в расчете на средний и максимально нагруженный ТВЭЛ

Распределение линейного теплового потока по высоте канала:

(16)

где: q_l0 - тепловой поток в плоскости максимального по высоте энерговыделения реактора;

При этом значение q_l0 в центральной плоскости реактора (для средненапряженного твэла), составляет:

(18)

При этом значение q_l0 в центральной плоскости реактора (для максимально напряженного твэла), составляет:

(19)

где: k_v - коэффициент объемной неравномерности энерговыделения. Принят равным 2,8.

k_z - коэффициент высотной неравномерности энерговыделения.

Определяется с помощью соотношения

(20)

По формуле [16] определяем линейный тепловой поток по высоте канала для ТВС на среднею нагрузку. Для примера определяем в трёх точках: на входе в канал в центральной его части и на выходе из канала:

По формуле [16] определяем линейный тепловой поток по высоте канала для наиболее нагруженной ТВС. Для примера определяем в трёх точках: на входе в канал в центральной его части и на выходе из канала:

Результаты расчетов приведены в таблице 2 и представлены на рисунке 1

Таблица 2.

Рисунок 1 – Линейный тепловой поток для средне и максимально нагруженного твэла.

Распределение поверхностного теплового потока по высоте канала.

Тепловая нагрузка на единицу поверхности твэл, q_s(z), Вт/м2 определяется из соотношения:

Тепловая нагрузка на единицу поверхности твэла

(21)

По формуле [21] определяем поверхностный тепловой поток по высоте канала для ТВС на среднею нагрузку. Для примера определяем в трёх точках: на входе в канал в центральной его части и на выходе из канала:

По формуле [21] определяем поверхностный тепловой поток по высоте канала для наиболее нагруженной ТВС. Для примера определяем в трёх точках: на входе в канал в центральной его части и на выходе из канала:

причем, коэффициент k = 0,94 определяет отличие суммарного теплового потока от энергии деления в твэле.

Графическое представление результатов расчета q_S(z) аналогично q_l(z) и приводится на рисунке 2. Расчетные значения в таблице

Таблица 3

Рисунок 2 – Поверхностный поток с твэла

Расход теплоносителя через одну ТВС:

Расход теплоносителя, G, кг/с в расчете на один ТВЭЛ определяется соотношением:

(22)

где:

c_p- средняя удельная теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении p (p=15МПа), равная 5277,5 Дж/кг/°К.

DT_т– подогрев теплоносителя, °С. Проектное значение DT_т =35°С.

Энтальпия теплоносителя i по высоте канала определяется с использованием i_вх – значения энтальпии на входе в активную зону (1200 кДж/кг) из соотношения:

(23)

Решая интегральное уравнение получаем:

(24)

Из соотношения [21] определяем значения энтальпии по высоте максимально нагруженного твэла, для примера приведём расчет одной точки со значением (1,35)

(25)

По полученным расчетным значениям в эксель строим график рисунок 3

Из оценки графика видно, что точка (1.35) с максимальной энтальпией равной 1510 кДж/кг будет ниже энтальпии насыщения которая при р=15МПа состовляет 1610кДж/кг. По диаграмме состоянии воды и пара энтальпия насыщения 1510 кДж/кг достигнет только если давление на выходе окажется 13МПа.

Рисунок 3 – Энтальпия для средне и максимально нагруженного твэла

Относительная энтальпия x по высоте канала определяется из соотношения:

(26)

где:

i_т(z) - энтальпия, соответствующая положению по координате z;

i' = 1610 кДж/кг - энтальпия воды при температуре насыщения;

i'' = 2611 кДж/кг - энтальпия пара при температуре насыщения;

Результат расчета данной энтальпии продемонстрирован на рисунке 4

Из соотношения [26] определяем значение относительной энтальпии по высоте максимально нагруженного твэла, для примера приведём расчет одной точки также со значением (1,35)

Рисунок 4 – Относительная энтальпия по высоте

средне и наиболее нагруженного твэла

Определяем температуру теплоносителя по высоте

Предварительно разбивая на 19 равноотсающих по 0,15м от центра высоты Н=2,7м точек про которым будем вести расчет.

, (27)

(28)

Из соотношения [50] определяем значения температуры теплоносителя по высоте канала причем T_вх =270°С - температура на входе в активную зону.

T_m(z) - температура теплоносителя для координаты z:

Полученные при расчётах [28] результаты приведенны в таблице 4 и изображены на рисунке 5

Таблица 4

Рисунок 5 – Температура теплоносителя для средне и максимально нагруженного твэла

Для определения температуры наружной поверхности оболочки ТВЭЛ используются соотношения:

(29)

где: - температурный перепад между наружной поверхностью ТВЭЛ и теплоносителем.

(30)

где: k»0.94 учитывает энергию, поступающую в теплоноситель теплопереносом. Определение коэффициента теплоотдачи a, Вт/(м2К) для наиболее напряженного и средне напряженного ТВЭЛ производится с помощью соотношения:

Способ определения коэффициента теплоотдачи a для средне и максимально напряженного твэла производится для с помощью следующих соотношений:

Пример расчета для одной точки со значением (0)

(31)

(32)

(33)

(34)

Предлагаемое выражение справедливо для Re = 5×10³ … 5×10⁵ и s/d = 1,1…1,8.

где: s = 0,011 м - шаг решетки;

d₂ = 0,009 м - диаметр твэла;

Re - критерий Рейнольдса;

(35)

(36)

где:

w - скорость теплоносителя, м/с;

(м/с) (37)

d_г = 0,0061 м - гидравлический диаметр канала;

n^- = 1,245×10^-7 м²/с - кинематическая вязкость.(при Т=299,4⁰С)

n^макс = 1,215×10^-7 м²/с - кинематическая вязкость.(при Т=299,4⁰С)

Pr - критерий Прандтля,

Pr - критерий Прандтля, (38)

(39)

где: a - коэффициент темпепатуропроводности, м²/с;

(40)

(41)

- критерий Нуссельта, (42)

l^- = 0,5803 Вт/(м×К) - коэффициент теплопроводности

l^макс = 0,5598 Вт/(м×К)

Вт/(м²×К) (43)

Вт/(м²×К) (44)

м - периметр тепловой для одного твэл (45)

Полученные при расчётах данные в пункте [29] [30] приведенны в таблице и изображены на рисунке [6]. [7].

Таблица 6

Таблица 7

Рисунок 6 – Температура оболочки и температура теплоносителя

для средне и максимально нагруженного твэла

Поверхностное кипение по высоте твэл отсутствует исходя из того, что температура оболочки твэл не достигает температуры насыщения равной T_s=342⁰С при давлении р=15МПа

Температура твэла на внутренней поверхности оболочки

(46)

где:

l_об = 20,5 Вт/(м×К) - теплопроводность циркониевой оболочки.

=0,0078 м

=0,0006м

=0.94

Результаты расчета температуры на внешней и внутренней поверхности оболочки твэла t_об.нар, t_об.вн представлены на в таблице на рисунке 7.

Таблица 8

Рисунок 7 – Температура внешней и внутренней поверхности оболочки средне и максимально нагруженного твэла

Температура наружной поверхности топливного сердечника

(47)

Рисунок 8 - Зависимость проводимости контактного слоя l_з

от отношения толщины газового зазора к внутреннему диаметру оболочки.

Коэффициент проводимости контактного слоя a_з=0,3210 ⁴Вт /м К получен из экспериментальных данных и приведен на рисунке 8.

(48)

Результаты расчета температуры на внешней поверхности топлива t_{н серд} представлены в таблице 9 на рисунке 9.

Таблица 9

Температура внутренней поверхности топливного сердечника

, °С (49)

где: l_с - теплопроводность топливного сердечника. Для UO₂ определяется с помощью эмпирического соотношения

(50)

где: Q - средняя температура топлива (принимаем исходя из приближения Q = 1270 °К)

Результаты расчета температуры на внутренней поверхности топливного сердечника представлены в таблице 10 и на рисунке 10.

Таблица 10

Рисунок 10. – Температура топлива для максимально и средне нагруженного твэла.

Критический тепловой поток определяется из:

(51)

где:

- обобщенное массовое паросодержание; (52)

х - относительная энтальпия максимально нагруженного твэла, равна нулю в связи с тем что в реакторе отсутствкет поверхностное кипение и соответственно массовое паросодержание Х тоже равно нулю.

d_тепл и l - тепловой диаметр и длина пучка твэлов;

- критерий Рейнольдса посчитан нами для различных (Z);

- критерий Прандтля посчитан для (Z)

Результаты, полученные с помощью данного выражения удовлетворяют и используются для данных в диапазоне p = 4…18 МПа; rw = 500…5000 кг/(м²×с); X = - 0,5…3; d_теп = 4…20 мм; l = 0,4…7 м.

Результаты расчета критического теплового потока представлены в таблице 11 и на рисунке 11 и 12

Таблица 11

.

Рисунок 11. Критический тепловой Рисунок 12. Тепловой поток и критический

поток средне и максимально тепловой поток средне и максимально

нагруженного твэла нагруженного твэл

Расчет коэффициента запаса до кризиса теплообмена k(z).

(53)

Для наиболее напряженного твэла минимальный коэффициент запаса

, что можно считать допустимым. (54)

Результаты расчета коэффициента запаса до кризиса теплообмена приведены в таблице 12 и представлены на рисунке 13

Таблица 12

Рисунок 13.- Коэффициент запаса k(z) до кризиса теплообмена

3. Потери давления в пределах активной зоны:

для средненагруженного участка:

МПа

для максимально нагруженного участка:

МПа

определяется без учета составляющей, связанной с потерей на ускорение (в силу ее малости)

Отдельные составляющие данного выражения отличаются для различных режимов теплообмена.

Потери давления на трение:

где:

Re=233687

ρ=751.4кг/м3, w=4.1м/с

где:

Re=252136

ρ=722.6кг/м3, w=4.6м/с

Потери давления от местных сопротивлений:

где: x_м - коэффициент местного сопротивления.

В пределах активной зоны реактора основными местными сопротивлениями являются дистанционирующие решетки. Для однофазной жидкости коэффициент местного сопротивления одной дистанционирующей решетки можно принять равным 0,5. Для рассматриваемого здесь случая в пределах высоты пучка твэлов установлено 11 дистанционирующих решеток.

Нивелирная составляющая потери давления:

Заключение.

В результате выполнения курсового проекпа по курсу: «Ядерные энергетические установки», тема «Проектирование реактора ВВЭР» с тепловой мощностью 2000МВт я получил следующие данные теплогидравлического расчета:

В данном разделе определены геометрические характеристики активной зоны:

Число ТВС (499), ТВЭЛов в ТВС (156), размер под ключ (14,57 мм).

Большое значение числа ТВС обусловлено сравнительно небольшим размером ТВЭЛов и большим диаметром АЗ, который в свою очередь зависит от удельного энерговыделения в активной зоне, который в результате расчетов пришлось уменьшить с 85 МВт/м³ по исходным данным до 80 МВт/м³ удовлетворяющему условию запаса до кризиса теплообмена..

Температура стенки ТВЭЛа составляет 330⁰С, что ниже температуры начала кипения. Минимальный запас до кипения составляет 12⁰С

Максильное значение температуры топлива составляет 1145 ⁰ С много меньше температуры плавления циркония равной 2123 ⁰С

Наиболее определяющий параметр для теплогидравлического расчета – запас до кризиса теплообмена. В данном расчете минимальное его значение составляет 1,40 в ½ высоты АЗ. При минимально допустимом 1,37 согласно литературы(1)

Гидравлические потери давления на трение в расчитываемом реакторе соответствуют 0,11-0,12 МПа, что вполне удовлетворяет реальным значениям действующих ЯЭУ.

Из проведеной расчетной работы нами получено приближенное представление о том какими характеристиками будет обладать реактор с данными исходными параметрами. По которым мы можем сказать, что данный реактор может быть допущен к дальнейшему проектированию и уточнению теплогидравлического расчета.

Список литературы

1. Дементьев, Б.А. Ядерные энергетические реакторы: учеб. пособие для вузов / Б.А. Дементьев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.

2. Кириллов, П.Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках: учеб. пособие для вузов / П.Л. Кириллов, Г.П. Богословская. – М.: Энергоатомиздат, 2000. – 465 с.

3. Рассказов В.В. Курс лекций. Ядерные энергетические реакторы.

Поиск по сайту: