Методические указания

к расчетно-графической (курсовой) работе по дисциплине

«Теплопередача и теплообменные аппараты»

Тепловой и конструктивный расчет теплообменного аппарата

в системе охлаждения топливного бассейна

1. Общая постановка задачи.

Имеется бассейн отработавшего ядерного топлива с заданной мощностью остаточных тепловыделений.

Требуется определить основные конструктивные (геометрические) характеристики теплообменника, способного отвести заданную мощность при заданном температурном режиме – поверхность теплообмена, длину и объем трубного пучка.

2. Расчетная схема и исходные данные.

2.1. – выделяемая в бассейне и отводимая мощность, Вт

2.2. Заданные (требуемые) температуры

–отводимой из бассейна (охлаждаемой) воды на входе в теплообменник,°С

–возвращаемой в бассейн воды на выходе из теплообменника,°С

–промконтурной (охлаждающей) воды на входе в теплообменник,°С

–промконтурной воды на выходе из теплообменника,°С.

Рис. 1. Распределение температур при противоточной схеме охлаждения

2.3. По входным и выходным температурам определяются «горячий»(1) и «холодный» (2) температурные напоров (см. рис.1):

;

;

* * *

2.4. По температурам и определяются значения теплофизических параметров воды:

- плотности, ;

- изобарные теплоемкости, ¹

– вязкость,

– коэффициенты теплопроводности,

– числа Прандтля

2.5. Геометрия. Внутренний и внешний диаметр теплообменных трубок и соответственно, м; указание на квадратную или шахматная установку трубок, шаг установки трубок (межцентровое расстояние) s, м .

2.6 Материал трубок и определяемый материалом коэффициент теплопроводности .

3. Расчет

   1. Необходимый общий расход охлаждаемой воды.

Уравнение теплового баланса решаем относительно расхода

2. Расход воды через одну трубку.

Задаемся предварительным числом теплообменных трубок

Расход через одну трубку

3. Средняя скорость воды в трубке

Число теплообменных трубок в первом приближении корректируем так, чтобы скорость воды была в установленных пределах, например – порядка 1 м/с и чтобы имелся запас на аварийное (ремонтное) заглушение трубок (порядка 10%).

4. Критерии подобия и коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны

   1. Число Рейнольдса

2. Число Прандтля :

В первом приближении Число Прандтля определяется по таблице свойств воды в состоянии насыщения для данной температуры – температуре воды, отбираемой на охлаждение. В уточненном варианте расчета определяем по формуле, учитывающей как температуру, так и давление.

3. Число Нуссельта:

4. Коэффициент теплоотдачи:

5. Геометрия и параметры течения воды в межтрубном пространстве .

Пусть трубный пучок образует прямоугольный пакет (коридорное расположение) с относительным шагом , где S – заданное межцентровое расстояние (шаг установки трубок). – наружный диаметр трубки. Тогда каждой трубке соответствует квадратная в плане ячейка со стороной . Площадь такой ячейки будет равна .

Рис. 2. Геометрия трубного пучка квадратного (коридорного) типа. d – внешний диаметр трубки, s – шаг установки (x = s/d- относительный шаг), h – размер ячейки (h = d∙x = s).

Площадь сечения трубного пучка: . Площадь проходного сечения межтрубного пространства равна площади сечения трубного пучка за вычетом суммарной площади, занятой трубками:

Считаем, что трубный пучок помечен в квадратную в плане обечайку (корпус). Поскольку площадь сечения такой обечайки в первом приближении равна , то сторона (квадрата) равна . Соответственно, периметр квадрата равен учетверенной длине стороны квадрата: 4

Смоченный периметр системы, состоящей из трубного пучка и обечайки, равен сумме периметра обечайки и сумме длин внешних окружностей (периметров) всех трубок:

Гидравлический диаметр межтрубного пространства, согласно определению гидравлического периметра, равен отношению учетверенной площади проходного сечения к смоченному периметру:

1. Расход воды.

Требуемый расход охлаждающей воды определяется аналогично п.3.1 через уравнение теплового баланса

2. Средняя скорость воды в межтрубном пространстве: