Скачать .docx |
Реферат: Тепловой расчет реактора
МЭИ (ТУ)
Кафедра парогенераторостроения
Типовой расчёт по курсу:
Генераторы тепловой энергии
Тепловой расчёт ВВЭР
Студент: Иванов А.А.
Группа: С-2-95
Преподаватель: Двойнишников В.А.
Москва 2000 год
Аннотация.
В данной работе решались следующие задачи:
— расчёт реактора при m = 1 и qv = 100 и определение его экономичности и надёжности при учёте наложенных ограничений: 1.6 < n < 2.2,
2 < Wт <10 м/с, tоб < 350 о С, tc < 2300 о С.
— нахождение области допустимых значений относительной высоты активной зоны m и удельного энерговыделения qv (m = 0.8 … 1.6,
qv = 50 … 150)при учёте наложенных ограничений: 1.6 < n < 2.2,
2 < Wт <10 м/с, tоб < 350 о С, tc < 2300 о С.
— для выбранного варианта расчёт температуры сердечника, оболочки и теплоносителя по высоте активной зоны.
Содержание:
1. Введение
2. Исходные данные
3. Тепловой расчёт реактора при m = 1 и qv = 100 МВт/м3
3.1. Определение размеров активной зоны реактора и скорости теплоносителя
3.2. Определение коэффициента запаса по критической тепловой нагрузке
3.3. Расчёт максимальных температур оболочки ТВЭЛа и материала
топливного сердечника
3.4. Определение области допустимых значений m и qv
3.5. Расчёт распределения температуры теплоносителя, оболочки и топливного
сердечника по высоте активной зоны реактора
4. Выводы
1. Введение
Назначение и виды тепловых расчётов реакторов.
Тепловой расчет ядерного реактора является одной из необходимых составных частей процесса обоснования и разработки конструкции. Без него невозможны ни предварительные поисковые проработки, ни определение оптимальных проектных решений.
Тепловые расчеты обычно выполняются одновременно с гидравлическим и нейтронно-физическим расчетами реактора. В зависимости от задач, решаемых на том или ином этапе проработки конструкции, различают поисковые и поверочные расчеты
Поисковые тепловые расчеты проводятся в период определения основных конструктивных решений. При их выполнении, как правило, известны тепловая мощность реактора, распределение плотности энерговыделения, вид теплоносителя и его параметры все эти данные получают в результате нейтронно-физического расчета, а также тип и конструкция ТВЭЛов и кассет, определяемых техническим заданием на основе накопленного опыта проектирования, изготовления и эксплуатации. В результате определяются размеры активной зоны и других элементов реактора, находятся, а при необходимости уточняются параметры теплоносителя, определяются характерные температуры, выбираются конструкционные материалы и топливные композиции.
По мере разработки конструкции тепловые расчеты выполняются снова, но более детально, с учетом выбранных конструктивных решений, как для номинального режима, так и для работы на частичных нагрузках. Также обсчитываются тепловые режимы работы оборудования при переходных процессах при пуске, останове, изменении нагрузки, характерных как для штатных ситуаций, так и в аварийных случаях. Во всех этих случаях тепловой расчет носит характер поверочного, и его основной задачей является определение термодинамических характеристик теплоносителя и тепловых параметров характеризующих условия функционирования элементов ядерного реактора. Обеспечение надежной работы реактора в целом и его отдельных элементов, достижение высокой экономичности реакторной установки требует высокой точности определения теплотехнических параметров, что ведет к существенному усложнению всех видов расчетов, в том числе и теплового. Необходимость же их автоматизации приводит к созданию сложных программных комплексов, объединяющих тепловые, Гидравлические, нейтронно-физические и прочностные расчеты.
Настоящий метод ориентирован на использование несколько упрощенного теплового расчета, базирующегося на одномерном представлении протекания процессов тепло - и массообмена в одной ячейке активной зоны реактора.
2. Исходные данные.
Для выполнения теплового расчета водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) в соответствии с упрощенной методикой требуются исходные данные, условно подразделяемые на режимные и конструктивные,
Данные режимного типа:
Тепловая мощность ВВЭР N = 1664.87 МВт
Конструктивные данные:
1. Характеристики кассеты:
Число ТВЭЛов в кассете nТВЭЛ = 331
Шаг решётки а¢¢ = 12.75·10-3 м
Размер кассеты “под ключ” а¢ = 0.238 м
Толщина оболочки кассеты δ = 1.5·10-3 м
2. Характеристика ТВЭЛа:
Радиус топливного сердечника r1 = 3.8·10-3 м
Внутренний радиус оболочки r2 = 3.9·10-3 м
Внешний радиус оболочки rq = 4.55·10-3 м
3. Размер ячейки а = 0.242 м
4. Материал оболочки ТВЭЛов и кассет: 99% циркония и 1% ниобия
5. Топливная композиция: двуокись урана
3. Тепловой расчёт реактора при qv = 100 МВт/м3 и m= 1
3.1. Определение размеров активной зоны реактора и скорости теплоносителя.
3.1.1. Температура теплоносителя на выходе из реактора
t вых = 314 ° C
Принимаем из расчёта парогенератора
3.1.2. Температура теплоносителя на входе в реактор
t вх = 283 ° C
Принимаем из расчёта парогенератора
3.1.3. Перепад температур теплоносителя между входом и выходом
Δ tт = tвых - tвх = 314 – 283 = 31 ° С
3.1.4. Температура воды на линии насыщения
Запас до температуры кипения δt = 30 °C
ts = tвых + δt = 314 + 30 = 344 ° C
3.1.5. Давление в реакторе
P = 15.2 МПа
3.1.6. Расход воды (теплоносителя) на один реактор
средняя температура воды в реакторе tср = = 298.5 °C
средняя теплоёмкость воды Cp = 5.433 кДж/кг
G т = =9885.05 кг/с
Принимаем из расчёта парогенератора.
3.1.7. Объём активной зоны реактора.
Средняя плотность тепловыделения АЗ реактора qv = 100 МВт/м3
V АЗ = = 16.648 м3
3.1.8. Диаметр активной зоны реактора
Параметр m* = = 1
D АЗ = = 2.767 м
3.1.9. Число кассет в активной зоне
Площадь поперечного сечения ячейки: Sяч = 0.866·a2 = 5.072·10-2 м2
= 178.2 шт.
т.к.дробное, то округляем его до ближайшего большего целого числа
Nкас = 179 шт. с последующим уточнением величин:
D АЗ == 3.4 м
m = = 0.993
3.1.10. Высота активной зоны реактора
H АЗ = m·DАЗ = 0.993·3.4 = 3.376 м
3.1.11. Тепловыделение в ТВЭЛах
Доля теплоты выделяемая в ТВЭЛах κ1 = 0.95
Q т = κ1 ·N = 0.95·3064 = 2910.8 МВт
3.1.12. Суммарная поверхность ТВЭЛ
F = 2·π·rq ·HАЗ ·nТВЭЛ ·Nкас = 2·π·4.55·10-3 ·3.376·331·179 = 5719 м2
3.1.13. Расход теплоносителя через одну кассету
G тк = = 90.22 кг/с
3.1.14. Скорость теплоносителя в активной зоне реактора
сечение для прохода теплоносителя около одного ТВЭЛа SвТВЭЛ = 0.866·(a¢¢)2 -
-π·rq 2 = 0.866·(12.75·10-3 )2 – π·(4.55·10-3 )2 = 7.574·10-5 м2
сечение для прохода теплоносителя в кассете Sвкас = SвТВЭЛ ·nТВЭЛ = 7.574·10-5 ·331 = 2.507·10-2 м2
плотность воды при средней температуре и давлении в реакторе ρв = 713.2кг/м3
W т = = 5.046 м/с
3.2. Определение коэффициента запаса по критической тепловой нагрузке.
3.2.1. Коэффициенты неравномерности тепловыделения
Эффективная добавка отражателя δ0 = 0.1 м
Эффективная высота активной зоны Hэф = HАЗ + 2·δ0 = 3.376 + 2·0.1 = 3.576 м
по оси реактора : Kz = = 1.489
по радиусу активной зоны: Kr = = 2.078
3.2.2. Коэффициент неравномерности тепловыделения в объёме АЗ
Kv = Kz ·Kr = 1.489·2.078 = 3.094
3.2.3. Максимальная величина тепловой нагрузки на единицу поверхности ТВЭЛа
Средняя тепловая нагрузка на единицу поверхности ТВЭЛа qF = = =0.509 МВт/м2
qmax = qF ·Kv = 0.509·3.094 = 1.575 МВт/м2
3.2.4. Критический тепловой поток кризиса первого рода для трубы d = 8 мм
Теплота парообразования теплоносителя R = 931.2 кДж/кг
Температура воды на линии насыщения ts = 347.32 °C
Величина паросодержания теплоносителя в центральной точке реактора xкр = = = -0.2782
q кр (8) =
=
= 1.347·3.5990.5549 ·е0. 4173 = 4. 161 МВт/м2
3.2.5. Критический тепловой поток кризиса первого рода для труб диаметром 2 rq
q кр (2 rq ) = = 3.901 МВт/м2
3.2.6. Коэффициент запаса по критической нагрузке.
n зап = = 2. 477
3.3. Расчёт максимальных температур оболочки ТВЭЛа и материала топливного сердечника.
3.3.1. Максимальное тепловыделение в центре реактора приходящееся на единицу высоты ТВЭЛа.
ql,0 = = 4.503·10-2 МВт/м
3.3.2. Коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю.
Коэффициент теплопроводности теплоносителя λ = 548.3·10-3 Вт/(м·К) при температуре tc р
Эквивалентный диаметр сечения для прохода воды dэкв = = 6.851·10-3 м
Кинематическая вязкость воды. Для её определения необходимо найти динамическую вязкость. μ = 8.936·10-5 Па/с. ν = = 1.253·10-7 м2 /с
Критерий Рейнольдса Re = = 2.759·105
Число Прандтля Pr = 0.9217
α==3.685·104 Вт/м2 К
3.3.3. Перепад температуры между оболочкой ТВЭЛа и теплоносителем в центре реактора.
Δθа0 = = 4 0 .6 1 ° С
3.3.4. Координата в которой температура на наружной поверхности оболочки ТВЭЛа максимальна.
Z* ==0.4287 м
3.3.5. Максимальная температура наружной поверхности оболочки ТВЭЛа
t= 351.7 ° C
3.3.6. Температурный перепад в цилиндрической оболочке ТВЭЛа
Коэффициент теплопроводности материала оболочки λоб = 24.1 Вт/(м·К)
Δθоб0 = = 43.55 ° С
3.3.7. Температурный перепад в зазоре ТВЭЛа
Коэффициент теплопроводности газа в зазоре λз = 30 Вт/(м·К)
Δθз0 = = 18.52 ° С
3.3.8. Температурный перепад в цилиндрическом сердечнике
Коэффициент теплопроводности в цилиндрическом сердечнике λс = 2.7 Вт/(м·К)
Δθс0 = = 1261 ° С
3.3.9. Перепад температур между теплоносителем и топливным сердечником
Δθс = Δθа0 + Δθоб0 + Δθз0 + Δθс0 = 42.46 + 43.55 + 18.52 + 1261 = 1366 ° С
3.3.10. Максимальная температура топливного сердечника
t = 1674 ° C
3.4 Определение области допустимых значений m и qv
Исходные данные для расчёта по программе WWERTR
1. Тепловая мощность реактора [МВт] 2. Давление в реакторе [МПа] 3. Перепад температур воды [°C] 4. Радиус топливного сердечника ТВЭЛа [м] 5. Внутренний радиус оболочки ТВЭЛа [м] 6. Внешний радиус оболочки ТВЭЛа [м] 7. Шаг решетки [м] 8. Размер кассеты “под ключ” [м] 9. Размер ячейки [м] 10. Толщина оболочки кассеты [м] 11. Эффективная добавка отражателя [м] 12. Число ТВЭЛов в кассете [шт] 13. Температура воды на линии насыщения [°С] 14. Теплота парообразования [кДж/кг] 15. Теплоемкость воды [кДж/кг·К] 16. Теплопроводность воды [Вт/м·°С] 17. Кинематическая вязкость воды [м2 /с] 18. Число Прандтля 19. Плотность воды [кг/м3 ] 20. Теплопроводность оболочки ТВЭЛа [Вт/м·°С] 21. Теплопроводность газа в зазоре ТВЭЛа [Вт/м·°С] 22. Теплопроводность двуокиси урана [Вт/м·°С] 23. Удельное энерговыделение [кВт/л] 24. Относительная высота активной зоны 25. Расч. скорость воды [м/с] 26. Расч. коэффициент запаса 27. Расч. координата точки с мак. темп. оболочки [м] 28. Расч. мак. температура оболочки ТВЭЛа [°С] 29. Расч. мак. температура сердечника ТВЭЛа [°С] |
N = 1664.84 P = 15.2 Δt = 31 r1 = 3.8·10-3 r2 = 3.9·10-3 rq = 4.55·10-3 а¢¢ = 12.75·10-3 а¢ = 0.238 а = 0.242 δ = 1.5·10-3 δ0 = 0.1 nТВЭЛ = 331 ts = 344 R = 1020.9 Cp = 5.433 λ = 556.658·10-3 ν = 1.21·10-7 Pr = 0.905ρв = 724.4 λоб = 23.9 λз = 30.5 λс = 2.7 qv = 100 m = 0.995 Wт = 4.345 nзап = 2.699 Z* = 0.333 t= 343.957 t = 1623.37 |
Результаты расчёта по программе WWERTR.
№ | m* | DАЗ | Wт | nзап | Z* | t | t | |||||
- | м | м/с | - | м | °С | °С | ||||||
qv = 50.0 кВт/л | ||||||||||||
1 2 3 4 5 |
0.800 1.004 1.203 1.409 1.608 |
4.602 4.267 4.018 3.812 3.647 |
2.754 3.204 3.614 4.015 4.386 |
3.433 3.731 3.990 4.234 4.451 |
0.546 0.699 0.850 1.007 1.160 |
345.5 342.1 339.7 337.8 336.3 |
1016.8 1013.4 1010.5 1007.7 1005.2 |
|||||
qv = 75.0 кВт/л | ||||||||||||
1 2 3 4 5 |
0.802 1.006 1.201 1.405 1.611 |
4.018 3.726 3.512 3.333 3.184 |
3.614 4.202 4.730 5.253 5.755 |
2.707 2.941 3.141 3.332 3.510 |
0.413 0.530 0.645 0.766 0.889 |
351.4 347.2 344.2 341.9 340.0 |
1343.5 1339.7 1336.2 1332.7 1329.3 |
|||||
qv = 100.0 кВт/л | ||||||||||||
1 2 3 4 5 |
0.804 1.001 1.209 1.405 1.604 |
3.647 3.390 3.184 3.028 2.897 |
4.386 5.076 5.755 6.362 6.950 |
2.290 2.482 2.662 2.817 2.962 |
0.339 0.433 0.533 0.630 0.729 |
356.2 351.5 347.9 345.3 343.2 |
1662.9 1659.0 1654.7 1650.7 1646.7 |
|||||
qv = 125.0 кВт/л | ||||||||||||
1 2 3 4 5 |
0.801 1.005 1.213 1.411 1.605 |
3.390 3.143 2.953 2.807 2.689 |
5.076 5.905 6.692 7.405 8.067 |
2.009 2.183 2.341 2.479 2.602 |
0.289 0.372 0.459 0.543 0.627 |
360.5 355.1 351.1 348.2 346.0 |
1976.9 1972.6 1967.8 1963.2 1958.7 |
|||||
qv = 150.0 кВт/л | ||||||||||||
1 2 3 4 5 |
0.806 1.010 1.206 1.412 1.609 |
3.184 2.953 2.784 2.641 2.528 |
5.755 6.692 7.529 8.365 9.126 |
1.812 1.969 2.102 2.231 2.345 |
0.256 0.330 0.402 0.479 0.555 |
364.0 358.3 354.2 350.9 348.4 |
2286.2 2281.8 2276.9 2271.4 2266.1 |
m = 0.8
m = 1.0
m = 1.2
m = 1.4
m = 1.6
Границы возможного диапазона значений qv
для каждого параметра (по графикам).
m
параметры |
0.8 | 1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 |
Wт | — | — | — | — | — |
— | — | — | — | — | |
nзап | — | — | — | — | — |
108.1 | 123.6 | 139.9 | — | — | |
t | 68.83 | 91.04 | 116.4 | 141.6 | — |
— | — | — | — | — | |
t | — | — | — | — | — |
— | — | — | — | — | |
Диапазон допустимых значений | — | — | — | — | — |
— | — | — | — | — |
Прочерк в таблице означает, что максимальное или (и) минимальное значение величины находится за границами рассматриваемой области.
Знак "* " означает, что ни одно значение не входит в накладываемые ограничения.
Анализ таблицы показывает, что при заданных начальных условиях не существует значений m и qv ,которые удовлетворяли бы наложенным ограничениям.
3.5. Расчёт распределения температуры теплоносителя, оболочки и топливного сердечника по высоте активной зоны реактора. m = 1.4, qv = 125 кВт/л.
№ | Координата, м |
Температура теплоносителя, °С |
Температура сердечника, °С |
Температура оболочки, °С |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
-1.981 -1.585 -1.188 -0.792 -0.396 0.000 0.396 0.792 1.188 1.585 1.981 |
292.0 293.1 295.5 299.0 303.3 308.0 312.7 317.0 320.5 322.9 324.0 |
416.8 898.6 1328.0 1666.8 1885.0 1963.2 1894.4 1684.9 1353.1 928.5 448.8 |
294.8 306.6 318.5 329.5 338.5 344.9 348.0 347.5 343.6 336.4 326.8 |
4. Выводы по проведённой работе.
При m = 1 и qv = 100 получено, что данный пример не удовлетворяет условию экономичности n = 2.477 (1.6 < n < 2.2) и незначительно условию надёжности tоб = 351.7 o C (tоб < 350 o C).
При заданных начальных условиях характеристики теплоносителя и реактора, и поставленных ограничениях на скорость теплоносителя, коэффициент запаса, максимальную температуру оболочки и теплоносителя; области допустимых значений относительной высоты активной зоны m и удельного энерговыделения qv (m = 0.8 … 1.6, qv = 50 … 150) не существует. Во всех случаях кроме последнего (m = 1.6 и qv = 150, здесь n> 2.2) не проходит по надёжности.
При расчёте температур по высоте активной зоны получено для m = 1.4 и qv = 125: температура сердечника максимальна в середине высоты ТВЭЛа, температура оболочки максимальна на высоте z = 0.5, а температура теплоносителя максимальна в верхней части ТВЭЛа. Максимальный градиент температуры теплоносителя в середине высоты ТВЭЛа.