Расчет парогенератора АЭС перегретого пара обогреваемого жидкометаллическим теплоносителем

Расчет парогенератора АЭС перегретого пара обогреваемого жидкометаллическим теплоносителем

Курсовой проект

по теме:

Расчет парогенератора АЭС перегретого пара обогреваемого жидкометаллическим теплоносителем

Выполнил: студент гр. ЯР-41

Матросов Л.Н.

Введение

реактор испаритель теплоотдача электростанция

Длительная перспектива развития ядерной энергетики без использования атомных электростанций с реакторами на быстрых нейтронах в настоящее время представляется сомнительной. Поэтому во всех ведущих странах мира ведется большой комплекс научных исследований, конструкторских разработок, сооружаются и исследуются прототипы АЭС и демонстрационные АЭС этого типа. В настоящее время в мире эксплуатируются более 12 установок этого типа. В качестве теплоносителя на этих установках используется натрий, что объясняется его хорошими теплофизическими и ядерно-физическими свойствами.

Однако высокая химическая активность натрия порождает ряд специфических проблем, среди которых проблемы безопасности парогенератора натрий-вода - одно из основных элементов АЭС - является одной из важнейших. Очевидно, что указанный тип парогенераторов обладает рядом специфических особенностей, принципиально отличающих его от парогенераторов вода-вода или газ-вода. Это отличие обусловлено возможностью бурной химической реакции между теплоносителями при потере герметичности теплообменной поверхности.

Идея создания реактора на быстрых нейтронах для воспроизводства ядерного горючего принадлежит научному руководителю ФЭИ академику А.И. Лейпунскому. Для обоснования основных технологических и конструкторских решений энергетических реакторов на быстрых нейтронах совместно с начальником лаборатории ФЭИ О.Д. Казачковским им было выдвинуто предложение о строительстве экспериментального реактора БОР-60

В 1964 году Советом Министров СССР было принято решение о создании РУ БОР-60. В это же время началось проектирование реактора. 28 декабря 1970 г. весь комплекс РУ БОР-60 был принят в эксплуатацию Государственной комиссией. РУ работала в полном объеме с выдачей энергии в энергосистему.

1.     
Конструкционная схема

Рис.1 Тепловая схема БОР-60

1 - реактор; 2, 5, 7, 11 - насосы первого и второго контуров; 3, 10 - промежуточные теплообменники; 4- парогенератор ОПГ-1, 8 - парогенератор ОПГ-2.

реактор испаритель теплоотдача электростанция

Теплоноситель ПГ - натрий второго контура трёхконтурной АЭС с реактором на быстрых нейтронах. Перегретый пар для турбин генерируется в трёх ПГ, в которых также осуществляется промежуточный перегрев пара. Конструкция ПГ - модульная.

Натрий, циркулируя через основной и промежуточный пароперегреватели, течет через испаритель, откуда поступает в буферный бак натрия (БНН), далее на вход ГЦН второго контура, затем подогревается в ПТО и поступает в ПГ.

Для исключения попадания влаги на поверхность аустенитной стали пароперегревателя, осуществляется небольшой начальный перегрев пара в испарителе (20ºC), где теплопередающая поверхность выполнена из хромомолибденовой стали перлитного класса. Из конструктивных соображений в испарителе осуществляется подогрев воды до , испарение и небольшой начальный перегрев пара.

. Тепловой расчёт модуля испарителя

Определение тепловой мощности элементов, частей и всего ПГ.

При определении энтальпий рабочего тела необходимо учитывать не только изменения температуры по участкам, но и потери давления рабочего тела при его движении через элементы ПГ, выбираемые ориентировочно.

Давление на входе в испаритель:

,

где:

 - падение давления в пароперегревателе;

 - падение давления в испарителе.

.

Физические параметры рабочего тела находим по полученному значению давления , , , , .

Количество тепла, передаваемое рабочему телу на экономайзерном, испарительном и пароперегревательном участках модуля испарителя.

а) Экономайзерный участок:

,

б) Испарительный участок:

в) Пароперегревательный участок:

, где ,

По данной температуре находим ,

.

Общая тепловая мощность модуля испарителя:

.

Расход теплоносителя через ПГ определяем из уравнения теплового баланса:

,

где  - средняя теплоёмкость теплоносителя при температуре ;

 - потери тепла в окружающую среду.

Расчёт температур теплоносителя по участкам ПГ модуля испарителя:

а) на входе в пароперегреватель:

;

б) на входе в испаритель:

;

в) на входе в экономайзер:

.

Расчёт температур верен, так как получаемая температура .

t-Q диаграмма испарительного модуля представлена на рис. 3. При построении диаграммы учитывалось, что теплоемкость воды и перегретого пара не постоянна, по этому зависимость (Q) для рабочего тела на экономайзерном и пароперегревательном участках криволинейная, для принятого падения давления в испарителе () температура кипения изменяется на . При выбранном масштабе диаграммы такое изменение отразить не возможно, по этому зависимость (Q) на диаграмме для испарительного участка - прямая линия.

Рис. 3 t-Q диаграмма

Расчет коэффициента теплопередачи на экономайзерном участке модуля испарителя.

Исходные данные: ; ; ; ; .

Так как < 2, то коэффициент теплопередачи рассчитывается с учетом сопротивления окисных пленок.

Расчет средней температуры теплоносителя и рабочего тела.

Водяной эквивалент теплоносителя:

.

Водяной эквивалент рабочего тела:

.

Больший температурный напор:

.

Меньший температурный напор:

.

.

Так как >, то средняя температура теплоносителя:

.

Средняя температура воды:

.

Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.

Физические параметры Na при , плотность ; теплоемкость ; коэффициент теплопроводности ; вязкость ; коэффициент теплопроводности ; .

Скорость циркуляции Na:

- шаг между трубами.

Эквивалентный гидравлический диаметр:

.

Критерий Пекле:

.

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи от Na к стенке трубы:

.

Термическое сопротивление:

.

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде.

Физические параметры воды при ,

: ;

теплопроводность ; динамическая вязкость ; .

Скорость воды:

.

Критерий Рейнольдса:

.

Коэффициент теплоотдачи к воде:

Термическое сопротивление:

.

Термическое сопротивление стенки трубы и окисных пленок.

Предварительно принимаем:

.

Коэффициент теплопроводности стали 1Х2М при температуре  

Термическое сопротивление стенки:

.

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхностях трубы принимаем одинаковыми.

.

Коэффициент теплопередачи:

.

Проверка принятой температуры:

Расхождения между принятой и расчётной температурой стенки:

 < 3%.

Графическое решение уравнения представлено на графике.

Из графика следует, что  , то есть в условиях пристеночного кипения недогретой воды до  на экономайзерном участке испарителя передается 20% тепла , без кипения передается 80% тепла :

;

.

Определение температуры воды  при которой наступает пристеночное кипение и соответствующей ей температуры Na .

Уравнение теплового баланса первого участка экономайзера:

,

откуда: .

Энтальпия  соответствует температуре воды .

Уравнение теплового баланса для теплоносителя:

;

.

Расчёт паросодержания , при котором начинается ухудшенная теплоотдача при кипении:

.

Количество тепла, передаваемое на экономайзерном участке без кипения:

.

Количество тепла, передаваемое на экономайзерном участке с кипением недогретой воды:

.

Количество тепла, передаваемое на испарительном участке в условиях развитого пузырькового кипения:

.

Количество тепла, передаваемое на участке с ухудшенной теплоотдачей:

.

1.      Расчёт площади теплопередающей поверхности первого экономайзерного участка.

Исходные данные: ; ; ; ; .

Большая разность температур: .

Наименьшая разность температур: .

Отношение:

Средний температурный напор:

.

Средняя температура натрия и воды:

;

.

а) Расчёт коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы. Физические параметры Na при , плотность ; теплоемкость ; коэффициент теплопроводности ; вязкость ; коэффициент теплопроводности ; .

Скорость циркуляции

Na: .

Критерий Пекле:

.

Критерий Нуссельта:

.

Коэффициент теплоотдачи от Na к стенке трубы:

.

Термическое сопротивление:

.

б) Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде:

Физические параметры воды при , : ; теплопроводность ; динамическая вязкость ; .

Скорость воды:

.

Критерий Рейнольдса:

.

Коэффициент теплоотдачи к воде:

Термическое сопротивление:

.

Коэффициент теплопроводности стали 1Х2М

Термическое сопротивление стенки:

.

Термическое сопротивление окисных пленок:

.

Коэффициент теплопередачи:

.

Теплопередающая (расчётная) поверхность первого участка экономайзера:

.

3.Расчёт площади теплопередающей поверхности второго экономайзерного участка

Исходные данные: ; ; ; ; .

Так как коэффициент теплопередачи  при кипении недогретой воды обычно относятся к разности температур , то в качестве расчётной температуры рабочего тела для всего участка принимаем .

Большая разность температур: .

Наименьшая разность температур: .

Отношение:

Средний температурный напор на участке:

.

Средняя температура:

.

а) Расчёт коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.

Физические параметры Na при : плотность ; теплоемкость ; коэффициент теплопроводности ; вязкость ; коэффициент теплопроводности ; .

Скорость циркуляции Na:

.

Критерий Пекле:

Критерий Нуссельта: .

Коэффициент теплоотдачи от Na к стенке трубы:

Термическое сопротивление:

.

Термическое сопротивление стенки:

Термическое сопротивление окисных пленок:

.

Общее термическое сопротивление участка:

б) Так как температурный напор на участке изменяется не значительно, то коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде  рассчитывается для всего участка по среднему температурному напору.

.

Первое значение удельного теплового потока  для расчета методом последовательных приближений берём из диапазона:

,

принимаем , тогда

.

Коэффициент теплопередачи:

.

Проверяем ранее принятое значение удельного теплового потока:

, так как

 < 1,05 следовательно принимаем ,

.

Расчётная площадь теплопередающей поверхности второго экономайзерного участка:

.

4.     
Расчёт площади теплопередающей поверхности первого испарительного участка модуля испарителя

Исходные данные: , , , .

Расчёт среднего температурного напора для участка:

Больший температурный напор: .

Меньший температурный напор:

.

Поскольку температурный напор и, следовательно, удельный тепловой поток, изменяются значительно, то коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде и коэффициент теплопередачи рассчитываются как среднее арифметическое этих двух значений. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы рассчитывается по средней температуре Na на участке и принимается одинаковой для всего участка.

Средняя температура Na на участке:

а) Расчёт коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы. Физические параметры Na при , плотность ; теплоемкость ; коэффициент теплопроводности ; вязкость ; коэффициент теплопроводности ; .

Скорость циркуляции

Na: .

Критерий Пекле:

.

Критерий Нуссельта: .

Коэффициент теплоотдачи от Na к стенке трубы:

.

Термическое сопротивление: .

Термическое сопротивление стенки для стали 1Х2М , ,

.

Термическое сопротивление окисных плёнок: .

Общее термическое сопротивление участка:

.

б) Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде на границе участка 2: ; паросодержание х=0 - начало развитого пузырькового кипения.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается методом последовательных приближений с поправочным коэффициентом 0,7:

.

Первое значение удельного теплового потока:

.

Принимаем , тогда:

;

.

Полное термическое сопротивление: .

Коэффициент теплопередачи:

.

Удельный тепловой поток:

, так как

 < 1,05 принимаем ;

в) Коэффициент теплоотдачи и теплопередачи на границе участка 3.

В сечении 3 при паросодержании х<х_гр имеет место развитое пузырьковое кипение. При развитом пузырьковом кипении коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

Физические параметры воды при : , , , , , , .

Скорость циркуляции воды:

.

Критерий Рейнольдса:

.

Коэффициент теплоотдачи к воде:

Коэффициент теплоотдачи при кипении воды в трубах: .

По аналогии выбираем  из диапазона:

,

принимаем ;

.

Отношение:

.

Приведённая скорость смеси:

..

Коэффициент теплоотдачи :

.

Термическое сопротивление:

.

Коэффициент теплопередачи:

.

Удельный тепловой поток: .

Отношение :

 > 0,95 и меньше 1,05 поэтому окончательно принимаем

, .

Расчётная теплопередающая поверхность третьего участка испарителя:

.

5.      Расчёт площади теплопередающей поверхности испарителя с ухудшенной теплоотдачей

Исходные данные: , , , .

Больший температурный напор: .

Меньший температурный напор:

средний температурный напор участка:

.

Средняя температура Na:

а) Расчёт коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.

Физические параметры Na: ; ;

теплоемкость ; ; ;

коэффициент теплопроводности ; .

Скорость циркуляции Na:

.

Критерий Пекле:

.

Критерий Нуссельта:

.

Коэффициент теплоотдачи от Na к стенке трубы:

.

Термическое сопротивление:

.

Термическое сопротивление стенки для стали 1Х2М , ,

.

Термическое сопротивление окисных плёнок: .

Предположим, что примеси содержащиеся в питательной воде равно откладываются на стенке участка. Допустим, что термическое сопротивление отложений: .

б) Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к рабочему телу определяем по номограмме

Согласно номограмме: , где .

Скорость циркуляции воды: .

Удельный тепловой поток ориентировочно выбираем в интервале:

.

Принимаем , тогда .

.

,

отношение  <1,05, тогда принимаем ;

.

Расчётная площадь теплопередающей поверхности IV участка испарителя:

.

6.      Расчет площади теплопередающей поверхности пароперегревающего участка модуля испарителя

Исходные данные: ; ; ; ; .

Расчёт среднего температурного напора для участка:

Больший температурный напор: .

Меньший температурный напор: .

Отношение:

.

Средняя температура Na на участке:

.

Средняя температура пара на участке:

.

Физические параметры Na при :

; ; ; ; ; .

Скорость циркуляции Na:

.

Критерий Пекле:

.

Критерий Нуссельта:

.

Коэффициент теплоотдачи от Na к стенке трубы:

.

Термическое сопротивление:

.

б) Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к пару.

Физические параметры пара при , : ; ; ; .

Скорость пара:

.

Критерий Рейнольдса:

.

Коэффициент теплоотдачи к пару:

Термическое сопротивление окисных плёнок: .

Термическое сопротивление отложений: .

Коэффициент теплопередачи:

.

Площадь теплопередающей поверхности пароперегревательного участка:

.

7.      Определение площади теплопередающей поверхности испарителя:

.

Теплопередающая поверхность испарителя с 10% запасом:

.

Общая длина труб модуля испарителя:

.

Длина одной трубы модуля испарителя:

.

.Расчёт тепловой изоляции

Примем:

t_c- температура воздуха снаружи , равная 40^о С (летом в жару) _п- температура наружной поверхности теплоизоляции, равная 60^о С (максимально допустимая температура с точки зрения ожога) ._ст- средняя температура наружной поверхности трубы, равная средней температуре теплоносителя в модуле : t_ст=(310+500)/2= 405^о С.

Средняя температура в слое изоляции:

t_ср=(t_п+t_ст)/2=(60+405)/2= 232^о С

Теплоизоляционный материал- маты минераловатные прошивные на стеклоткани марки 200:

Коэффициент теплопроводности изоляции:

λ_из=λ₀+bt_ср=0,054+0,00019*232= 0,0980 Вт/(м*К)

Расчет толщины изоляции ведем по формуле:

(d_из^исп/d_н)*ln(d_из^исп/d_н)=2 λ_из(t_ст-t_п)/ α_нd_н(t_п-t_с) ,

где_из^исп -наружный диаметр изоляции модуля испарителя,_н= 0.62 м - наружный диаметр корпуса,

α_н- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к воздуху:

α_н= α_к+α_и ; где

Коэффициент теплоотдачи конвекцией : α_к= 1,82*(t_п-t_c)^1/3= 4,94 Вт/(м²К)

Коэффициент теплоотдачи излучением:

α_и= С_n[(T_п/100)⁴-(T_c/100)⁴] / (t_п-t_c)= 2,7 Вт/(м²К) ,

где

T_п= t_п+273 ; T_c= t_c+273 ;

C_n= 2 Вт/(м²К)- коэффициент излучения поверхности (материал- матовый алюминиевый лист), то

α_н= α_к+α_и= 4,94+ 2,7= 7,64 Вт/(м²К)

((d_н+ δ )/d_н)*ln((d_н+ δ )/d_н)=2 λ_из(t_ст-t_п)/ α_нd_н(t_п-t_с)= 0,713, то

толщина изоляции : δ= 2.9 м

Список литературы

1. Рассохин Н.Г. Парогенераторные установки АЭС, М. Энергоатомиздат, 1987г.

. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, М. МЭИ, 1999г.

. Материалы для реакторов с натриевым теплоносителем, М. Атомиздат, 1966г.

.        Кирилов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П., Справочник по теплогидравлическим расчетам(ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы).М.: Энергоатомиздат 1984,1990