Расчет тепловой схемы парогенератора ПГВ-1000 с построением диаграмм t-Q, тепловой и гидродинамический расчеты

ВВЕДЕНИЕ

Парогенераторы АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой, вырабатывают насыщенный пар. Требование поддержания высокой частоты теплоносителя обусловливает выполнение поверхностей теплообмена таких парогенераторов из аустенитной нержавеющей стали с электрополированными поверхностями. Трубы из такой стали промышленностью выпускаются длиной до 14 метров. Использование для поверхностей теплообмена труб из нержавеющей стали целесообразно только при минимально допустимых по условиям прочности толщинах стенок dст
. Для высокого давления теплоносителя dст
£ 1.5 мм, а для среднего dст
£ 1.2 мм. По условиям технологии изготовления трубы из нержавеющей стали выпускаются с наименьшей толщиной 1.4 мм. Применение труб с толщиной стенки, оптимальной по условиям сварки (dст
» 2.5 мм), противоречит требованиям создания агрегата с возможно меньшими капитальными затратами. Кроме того, необходимо считаться с недопустимостью неоправданного увеличения расхода дефицитного очень дорогостоящего материала. Такие ограничения, стоявшие перед проектировщиками и конструкторами, в какой-то мере даже способствовали созданию наиболее оптимальной конструкции ПГ для АЭС с ВВЭР: однокорпусного с погруженной поверхностью теплообмена, с естественной циркуляцией рабочего тела. В течениепоследующего двадцатилетия с переходом на более высокие единичные мощности агрегатов созданная конструкция ПГ принципиальных изменений не претерпела. Однако осуществлялись весьма серъезное усовершенствование ее узлов и рационализация протекания процессов генерации пара. Практика показывает, что даже для условий больших мощностей реактора ВВЭР-1000ПГ погруженной поверхностью теплообмена обеспечивает требуемую производительность.

Данная расчетно-пояснительная записка включает в себя расчет тепловой схемы парогенератора ПГВ-1000 с построением диаграмм t-Q, тепловой и гидродинамический расчеты.

1. Исходные данные для шифра 149 02 представлены в таблице 1

Таблица 1

1.Расчет тепловой схемы ПГ

В выбранной конструкционной схеме питательная вода через коллектор питательной воды и систему раздающих труб подается на горячую сторону теплопередающей поверхности. Здесь она смешивается с котловой водой парогенератора и нагревается до температуры насыщения ts
.

Подача питательной воды на горячую сторону парогенератора служит выравнивания паровых нагрузок по площади зеркала испарения.

Получение сухого насыщенного пара осуществляется в жалюзийном сепараторе.

1. Определяем тепловую мощность ПГ.

Q
ПГ

=G1
*(i1
'-i1
'')*
h
,

где: i1
', i1
'' - энтальпия теплоносителя во входном (при t1
'=318°C) и выходном (при t1
''=291 °C) сечениях соответственно.

Значения (при t1
'=316 °C) i1
' и i1
'' определяем из таблицы "Термодинамические и теплофизические свойства воды и водяного пара" /1/, при

P1
=15,7 ;

i1
'=14,31 ;

i1
''=12,89;

h - КПД парогенератора, принимаем h=0,99.

Q
ПГ

=18*(106
/3600)(14,28-12,58)* 105
*0,99=7,029 *105
кДж/с

2. Определяем паропроизводительность парогенератора (2-ой контур).

Q
ПГ

=
Д
*[(i2
'-i
ПВ

)+r]+
ДПР

*(i2
'-i
ПВ

),

где: Д - паропроизводительность ПГ,

r - теплота парообразования,

ДПР
- расход продувки.

По давлению 2-го контура при помощи таблицы "Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения" /1/ определяем:

При P =3,0 Мпа, ts
=233,84 С;

i2
' = 1,008 *106

Дж
/
кг
;

r
=1,794 *106
Дж/кг;

По таблице определяем энтальпию питательной воды:

При tПВ
= 225 , P2
=3,0 МПа,

i
ПВ=

9,67 *105
Дж/кг

Принимаем величину продувки ПГ: ДПР
= 0,01 Д.

Д= Q
ПГ

/ ( (i2
'-i
ПВ

)*1,02+r) =

7,029 *105
/ (1,008*(1,24-0,967)*103
+1,794 *103)
=7,029 *105
/1,836*103=
=383 кг/с.

3. Определяем больший и меньший температурные напоры.

D
t
б

= t1
' - ts
' =318-234=94
°
C,

D
t
м

= t2
'' - ts
' = 291-234=57
°
C

,

Характерные пара изменения температуры вдоль поверхности нагрева представлены на t-Q диаграмме

Для изготовления коллекторов теплоносителя и корпуса парогенератора применяется сталь 10ГН2МФА, коллектора теплоносителя изнутри плакируются сталью ОХ18Н10Т. По заданию трубчатка ПГ выполняется из стали ОХ18Н10Т, труба 16х1,5.

Поверхность теплообмена состоит из U-образных горизонтальных змеевиков, скомпонованных в два U-образных пучка, имеющих по три вертикальных коридора для обеспечения циркуляции котловой воды. Концы змеевиков привариваются к плакировке коллекторов аргонодуговой сваркой и вальцуются взрывом на всю толщину стенки. Расположение отверстий в коллекторах для завальцовки труб шахматное.

Определим число труб теплопередающей поверхности.

Определим внутренний диаметр трубы:

d
в

=
d
н

-2
d
=16-2*1,5=13 мм.

Определим площадь сечения трубы:

F
тр

=
p
*
d
н

2

/4=3,14*132
/4=1,33*10-4
м2

Зададимся скоростью теплоносителя на входе в трубчатку:

W
1

вх=5 м/с.

Определим расчетное число труб теплопередающей поверхности из уравнения сплошности потока:

G
вн

=
f
вн

*
W
1вх

/
n
1

',

где
f
вн

=
f
тр

*
n
,

n
1

'=1,694*10-3
м3
/кг, тогда

n
=(
G
*
n
1

')/(
f
тр

*
W
1вх

)=12736 шт.

4. Тепловой расчет.

1. Определим средний температурный напор воль поверхности нагрева:

D
t
б

=84
°
C
,

D
t
м

=57
°
C
,

D
t
б

/
D
t
м

=1,4<1,7

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

D
t
ср

=(
D
t
б

+
D
t
м

)/2 = (84+57)=70,5
°
C
.

2.Определим коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.

2.1. Средняя температура теплоносителя на участке

t
1ср

=(
D
t
ср

+
D
t
ср

)/2=(318+291)/2=305
°
C
.

2.2. Физические параметры воды при t
1ср

=305
°
C
:

плотностьr
1

=799 кг/м3
,

коэффициент теплопроводности l
1

=0,531 Вт/(м*К),

вязкостьm
1

=88,3 *10-6
Па*с,

число ПрандтляPr
=0,98,

удельный объем-

u
1

=1,425*10-3
м3
/кг.

2.3. Скорость теплоносителя

W
1

=(
G
м

* -

u
1

)/(
F
тр

*
n
)=4,19 м/с.

2.4. Число Рейнольдса

Re
=(
W
1

*
d
вн

)/(-

u
1

*
m
1

)= (4,19 *0,013)/( 1,425*10-3
* 88,3 *10-6
)=4,42 *105

2.5. Определяем средний для участка коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к трубе по формуле:

a
1

=0,021*(
l
1

/d)*Re0,8
*Pr0,43
=

=0,021*(0,53/0,013)*(4,42 *105
)0,8
*0,980,43
=

=2,73 *104
Вт/(м2
*К).

2.6. Термическое сопротивление:

R
1

=1/
a
1

=3.66 * 10-5
(м2
*К)/ Вт.

2.7. Температура стенки:

t
ст

=
t
1

ср

-(1/3)*(
t
1

ср

-
ts

)=305-(1/3)*(305-224)=281
°
C
.

2.8. Теплопроводность стали 12Х18Н10Т при t
ст

=281
°
C

l
ст

=18,51 Вт/(м*К)
(приложение IX учебника)

Термическое сопротивление стенки:

R
ст

=
d
ст

/
l
ст

=1,5*10-3
/(18,51)=8, 1* 10-5
(м2
*К)/ Вт.

2.9. Термическое сопротивление окисных пленок:

2
R
ок

=1,5* 10-5
(м2
*К)/ Вт.

2.10. Сумма термических сопротивлений:

R
=
R
1

+
R
ст

+ 2
R
ок=

3,66* 10-5
+ 8, 1* 10-5
+1,5* 10-5
=

=13,26 * 10-5
(м2
*К)/ Вт.

3. Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде во входном сечении:

3.1. Проведем расчет методом последовательных приближений. Первое значение теплового потока q для расчета берем из диапазона:

q=(0,8
¸
0,9)*
D
t
б

/R =(0,8
¸
0,9)* 84/13,26 * 10-5
=(5,67
¸
6,38) * 10-5

Принимаем: q
'=6,2

3.2. Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде по формуле:

a
2

'=(10,45/(3,3-0,0113(Ts
- 373)))* (q')0,7
=62000 (
Вт
/
м
2

*K)

3.3. Термическое сопротивление:

R
2

'=1/
a
2

'=1,61 * 10-5
(м2
*
K
/Вт)

3.4. Определяем коэффициент теплопередачи во входном сечении.

Полное термическое сопротивление во входном сечении:

R
полн

'=
R
1

'+
R
2

'=(13,26 +1.61)* 10-5
=14,87 * 10-5
(м2
*
K
/Вт).

Коэффициент теплопередачи во входном сечении.

k
1

'= 1/
R
полн

'=6720 (Вт/м2
*
K
)

3.5 Удельный тепловой поток:

qn

''=
k
1

'*
D
t
б

=6720*84=6320 (Вт/м2
)

3.6. Определяем отношение:

q
''/
q
'=1,01 <1,05.

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

a
2

'=62000 (Вт/м2
*
K
),

k
1

'= 6720 (Вт/м2
*
K
).

4. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи и теплопередачи в выходном сечении:

4.1. Определяем коэффициент теплоотдачи в выходном сечении:

4.1.1 Первое значение теплового потока для расчета методом последовательных приближений q
2

'=4,3 * 10-5
(Вт/м2
)

4.1.2 Вычисляем a2
''

a
2

''=(10,45/(3,3-0,0113(
T
s

- 373)))* (
q
')0,7
=0,48*10 (Вт/м2
*
K
)

R
2

''=2,05 *10-5

4.1.3 Определяем коэффициент теплопередачи и полное термическое сопротивление в выходном сечении:

R
полн

''=
R
+
R
2

''=(13,26 +2,08)* 10-5
= 15,34* 10-5
(м2
*
K
/Вт).

k
2

''= 1/
R
полн

''= 6510(Вт/м2
*
K
)

4.1.4 Удельный тепловой поток в выходном сечении:

qn