Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 83_Сборник статей по проекту ВВЭР СКД
.pdf
Система уравнений дополняется замыкающими соотношениями для расчета
путевых гидравлических сопротивлений элементов тракта циркуляции,
теплофизических свойств теплоносителя, температуры оболочки твэла и оценки
температуры топлива.
Рис.2. Расчетная схема РУ и внутрикорпусного тракта однозаходного варианта
одноконтурной РУ ВВЭР СКД
G
вэj
Подъемный
участок к кры-
шке реактора
Стояк
Перфорация в
днище шахты
р
еактора
3
6
Выходной
патрубок РУ
НК СУЗ
Внут. труба
БЗТ
4
Водяной
элемент
Входной патрубок
РУ
1
Опускной зазор
(корпус-шахта)
Перфорация
труб БЗТ
5
2
Перфорация
шахты
Межтруб-
ное
пространств
о БЗТ
Головка
ТВС
Хвостовик
ТВС
0
Пучок твэл ТВС
j
-ой группы
•
•
G
кан j
G
ТВС j
G
нк суз j
•
•
•
1'
4’
147
Путевые КГС определяются как сумма приведенных к соответствующему сечению
местных КГС и КГС трения на рассмотренных участках.
Система уравнений решается численно-итерационным методом.
КГС канала определяется как сумма приведенных к соответствующему сечению
местных КГС и КГС трения [1]:
КГС трения при закритических параметрах теплоносителя определяется по
соотношению [2]:
))64,1Relg82,1(d/(H•Ф=ξ
2
гтрен
·(ρ
w
/ρ
f
)
0,4
(1)
где Н – длина участка, на котором вычисляется КГС трения, м
Неподобие пучка стержней и трубы учитывается путем введения коэффициента:
Для S/d
тв
< 1,5, Re > 2·10
4
Ф= (1+a·( S/d
тв
)
4/3
)·(0,58+0,42·exp(-b)) (2)
(3)
() ()
()
()()
2/9
4/3
23
1/049,1/00002845,01/1027,1/
1066,0
−⋅⋅−⋅⋅=
=
ТВТВТВ
dSdSdSb
a
где a, b – эмпирические коэффициенты, зависящие от относительного шага
расположения стержней в треугольной решетке и диаметра твэла.
Для 1,5 < S/d
тв
<10, Re > 2·10
4
λ
/
λ
тр
= 0,92+0,17·
ξ
o
(4)
ξ
o
= 1,05·S/d
тв
Коэффициент теплоотдачи при докритических параметрах однофазного
теплоносителя рассчитывается по формуле:
(
)
(
)
Гжконв
dλАα /PrRe
4,08,0
⋅⋅⋅=
(5)
(
)
15,02
91,0102,00165,0 xxA −⋅+= – для пучка стержней (6)
021,0
=
A
– для труб (7)
x = S/d
тв
(8)
Для критических и закритических параметров имеется множество корреляций
различных авторов, но на основании анализа материалов многочисленных
исследований (проанализированы более 10 корреляций) выбрана корреляция
Кириллова. Корреляция Кириллова предназначена для расчета коэффициента
теплоотдачи как в области нормального, так и в области ухудшенного теплообмена для
труб. Корреляция Кириллова хорошо (расхождение в области максимальных
температур оболочки - не более 10 %) согласуется с корреляцией Дядякина (которая
также может быть рекомендована для расчета КТО), предназначенной для расчета
пучков стержней. Подавляющее большинство остальных рассмотренных корреляций
рассчитывают коэффициент теплоотдачи только в области нормального теплообмена и
для труб, из этих корреляций некоторые были отброшены сразу, т.к. полученные по
ним кривые КТО находились в значительном отрыве от основного массива кривых по
КТО, полученные по другим корреляциям, либо имели значительную (более 20%)
погрешность расчета КТО.
Коэффициент теплоотдачи вычисляется по корреляции Кириллова следующим
образом:
(
)
(
)
()
kψρρССαα
m
fw
n
f
р
ср
рконв
//=
, (8)
148
где
(
)
2
Re//1 Grρρk
fw
−=
, С = (i
ср
р
w
-i
f
)/(t
w
-t
f
) – среднеинтегральная теплоемкость
теплоносителя в интервале (t
w
-t
f
), Дж/(кг
о
С);
При нагреве теплоносителя в пучке твэл составляющие формулы (9) вычисляются
следующим образом:
Ψ(k) = 1,1634-18,359 k + 220,17 k
2
– 879,9 k
3
при k≤0,1
Ψ(k) = 1,4 k
0,37
при k>0,1
m = 0,4;
Показатель «n» вычисляется:
1) при (С
ср
/ С ) ≥ 1 значение n равно 0,7
р
f
р
2) при (С
ср
/ С ) <1 значение n равно:
р
f
р
n = 0,4 при t
w
/t
m
≤
1
n = 0,22+0,18 (t
w
/t
m
) при t
w
/t
m
>1 и t
f
/t
m
<1
n= 0,9 (t
f
/t
m
)(1-(t
w
/t
m
))+1,08(t
w
/t
m
), при t
w
/t
m
>1 и t
f
/t
m
>1
где t
m
– псевдокритическая температура при заданном давлении (соответствует
максимуму теплоемкости),
о
С.
При охлаждении (теплоносителя омывающего ВЭ) составляющие формулы (9)
вычисляются следующим образом:
Ψ(k)=1
m = 0,3 – 0,8 в зависимости от значения давления (при давлении 24,5 МПа m = 0,4);
n = 0,7-1 в зависимости от значения давления (при давлении 24,5 МПа n = 0,75).
Область применения корреляции Кириллова - Re = 2·10
4
– 5·10
5
; Р/Р
к
= 1,01 – 1,33;
T
f
/ T
m
<1,2; q = 2,3·10
4
– 2,6·10
6
.
Среднеквадратичное отклонение для формулы Кириллова составляет 10%. Тогда
погрешность определения α равна 20% (с доверительной вероятностью 95%).
ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТА
Результаты расчета температуры оболочки показали, что:
• целесообразно обеспечить равномерное распределение и стабильность расхода
теплоносителя в ТВС, например, путем введения дросселирования на входе в ТВС и
ВЭ и введением в конструкцию ТВС чехла. При равномерном распределении
расхода теплоносителя через ТВС значительно уменьшается максимальная
температура оболочки твэл и топлива. Для уменьшения температуры оболочки твэл
целесообразно уменьшить протечки в ВЭ (путем их дросселирования) до 2-3 % (при
протечках ниже указанных значений в ВЭ будет наблюдаться квазифазовый
переход). Целесообразно уменьшить и другие возможные протечки мимо пучков
твэл.
•
результаты расчета существенным образом зависят от заданных нейтронно-
физических характеристик (НФХ). Целесообразно уменьшить неравномерность
энерговыделения по ТВС в активной зоне до Kq=1,2. При этом K0 должен быть не
более 3-4. Это может быть достигнуто профилированием обогащения, применением
выгорающих поглотителей, оптимизацией режимов перегрузки и т.п. В дальнейшем
целесообразен реалистический связанный нейтронно-физический и
теплогидравлический расчет с получением энерговыделения в ТВС,
согласующегося с изменением «усредненной по сечению ТВС» плотности
теплоносителя в ТВС.
Снижение температуры оболочки твэла может быть достигнуто путем увеличения
теплообменной поверхности и повышения скорости теплоносителя в активной зоне
(уменьшение диаметра твэл и увеличение их количества).
149
Перспективно рассмотрение реакторной установки с одной турбиной К-800-240 с
тепловой мощностью - 1900 МВт. Значение указанной мощности согласуется со
значениями мощности РУ, принятыми в зарубежных концепциях. Снижение мощности
позволит увеличить кампанию реактора и снизить тепловую нагрузку твэлов. Вместе с
тем, и в этом случае вопросы по снижению неравномерности энерговыделения в
активной зоне остаются крайне важными.
На основании результатов расчета можно сделать вывод, что целесообразна и
перспективна дальнейшая проработка рассмотренного варианта РУ.
Список литературы
1. И.Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва.
Машиностроение. 1975.
2. П.Л. Кириллов, Ю.С. Юрьев, В.П. Бобков. Справочник по теплогидравлическим
расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Энергоатомиздат.
1990.
150
РАСЧЕТНАЯ ПРОГРАММА ТЕМПА-СК И ПЕРВЫЙ ОПЫТ
ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
П.В. Ягов, А.Н. Чуркин, В.А. Мохов
ФГУП ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск
ВВЕДЕНИЕ
Расчетная программа ТЕМПА-СК, разрабатываемая во
ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», предназначена для исследования нестационарных
процессов тепломассопереноса в тепловыделяющих сборках (ТВС) реактора
ВВЭР СКД, в том числе при наличии значительных локальных неоднородностей. За
основу программы ТЕМПА-СК была взята разработанная ранее во
ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» программа ТЕМПА-1Ф, математическая модель которой
основана на трехмерных уравнениях переноса массы импульса и энергии, записанных в
интегральной форме для однофазного теплоносителя. Более подробное описание
программы ТЕМПА-1Ф можно найти в [1]. В связи с тем, что в активной зоне реактора
ВВЭР СКД теплоноситель находится при сверхкритических параметрах, в программу
ТЕМПА-СК был внесен рад изменений по сравнению с программой ТЕМПА-1Ф –
переработаны модули расчета теплофизических свойств теплоносителя и модуль
расчета коэффициента теплоотдачи.
В данной работе представлены описания методик расчета теплофизических свойств
теплоносителя и коэффициента теплоотдачи в программе ТЕМПА-СК, результаты
тестового расчета условий охлаждения одной ТВС для стационарного режима
нормальной эксплуатации ВВЭР СКД на номинальной мощности, а так же результаты
предварительного анализа устойчивости течения теплоносителя в активной зоне.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Для расчета теплогидравлических параметров в активной зоне программе ТЕМПА-
СК необходимы следующие теплофизические свойства теплоносителя:
• энтальпия, как функция температуры и плотности теплоносителя;
• плотность, как функция давления и энтальпии теплоносителя;
• скорость звука, как функция давления и температуры теплоносителя;
• теплопроводность, как функция давления и температуры теплоносителя;
• динамическая вязкость, как функция давления и температуры теплоносителя;
• критерий Прандтля, как функция давления и температуры теплоносителя.
Указанные свойства реализованы в виде аналитических зависимостей, полученных
аппроксимацией методом наименьших квадратов табличных значений, приведенных в
[2].
Для повышения точности расчета теплофизических свойств теплоносителя в
области квазифазового перехода предполагается разработка методики расчета свойств
методом линейной интерполяции табличных значений, приведенных в [2], и
последующая модернизация программы.
151
МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ
Для расчета коэффициента теплоотдачи в программе ТЕМПА-СК используется
корреляции Кириллова [3]. Коэффициент теплоотдачи определяется по зависимости:
.
d
г
ж
Nu λ⋅
=α
(1)
Критерий Нуссельта:
.k
c
c
/
m
n
p
p
)(NuNu
ж
ст
ж
0
ϕ⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ρ
ρ
⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
(2)
Критерий Нуссельта, рассчитанный по среднемассовым параметрам:
(3)
,A
,, 4080
0
PrReNu ⋅⋅=
где
.
d
s
,
d
s
,,A
,,
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅−⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅+=
20
г
150
г
910102001650
(4)
Значение φ(k) при принимается по табл. 1.
40010 ,k, ≤≤
Таблица 1
Значения φ(k)
k
0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,2 0,4
φ(k) 1,0 0,88 0,72 0,67 0,65 0,65 0,74 1,0
При . При .
010,k <
1)( =ϕ k
370
41)(
,
k,k ⋅=ϕ
40,k >
Параметр k, учитывающий роль естественной конвекции:
.k
2
ж
ст
ReGr1
−
⋅⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ρ
ρ
−=
(5)
Критерий Грасгофа:
.
dg
2
ж
3
г
ж
ст
1
Gr
ν
⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ρ
ρ
−⋅
=
(6)
Критерий Рейнольдса:
.
dw
ж
гж
Re
μ
⋅⋅ρ
=
(7)
Средняя теплоемкость теплоносителя в интервале температур от до :
ст
T
ж
T
.
TT
hh
c
p
жст
жст
−
−
=
(8)
Теплоемкость теплоносителя в программе ТЕМПА-СК рассчитывается по
следующей зависимости:
.c
p
ж
ж
ж
Pr
μ
λ⋅
=
(9)
Для опускного течения m = 0,3; для подъемного m = 0,4.
Для опускного течения n определяется в зависимости от соотношений и
по табл. 2. Для подъемного течения при
пкрж
T/T
пкрст
T/T 1)(
ж
≥
pp
c/c
70,n
=
, а для
1)(
ж
<
pp
c/c
n
определяется по табл. 2.
152
Таблица 2
Значения n, используемые в программе ТЕМПА-СК
Область
n
1)(
пкрст
≤T/T
0,4
1)(
пкрст
>T/T
и
1)(
пкрж
<T/T
)(180220
пкрст
T/T,,
⋅
+
1)(
пкрст
>T/T
и
1)(
пкрж
≥T/T
680)(081)1()(90
пкрстпкрстпкрж
,T/T,T/TT/T,
−
⋅+
−
⋅
⋅
ОХЛАЖДЕНИЯ ТВС В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ НОРМАЛЬНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Для тестирования программы ТЕМПА-СК выполнен расчет условий охлаждения
одной ТВС для стационарного режима нормальной эксплуатации ВВЭР СКД на
номинальной мощности. Для исследования охлаждения ТВС в программе ТЕМПА-СК
моделируется один канал, параметры которого определяются конструкцией ТВС.
Количество твэлов в ТВС 252; диаметр твэла 9,1 мм; шаг расположения твэлов 10,7 мм;
длина обогреваемой части канала 4,2 м; количество дистанционирующих решеток 14;
количество "водяных" каналов 12; длина "водяных" каналов 2,8 м. Мощность твэлов
рассчитывалась исходя из тепловой мощности реакторной установки (РУ) 1900 МВт,
количества ТВС в активной зоне 241, количества твэлов в ТВС и коэффициента
неравномерности K
r
, который принимался равным 1,0. В результате тепловая
мощность, подводимая к каналу, равнялась 7,88 МВт. Распределение относительного
энерговыделения по высоте активной зоны K
z
приведено на рис. 1. В качестве
граничных условий (ГУ) на выходе из активной зоны задается температура и давление
теплоносителя, а на входе температура и расход теплоносителя. Температура
теплоносителя на входе и выходе равнялась 290 °C и 540 °C соответственно. Давление
теплоносителя на выходе из активной зоны 24,0 МПа. Расход теплоносителя 3,87 кг/с.
Причем 90% теплоносителя подается на вход в канал и 10% на выход из "водяных"
каналов. На рис. 2 – 6 представлены результаты расчета. Локальные всплески
параметров вызваны затеснением проходного сечения канала, связанным с наличием
дистанционирующих решеток.
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
012345
0
200
400
600
800
z
, м
K
z
ρ
, кг/м
3
012345
z
, м
Рис. 1. Распределение относительного
энерговыделения по высоте активной зоны
Рис. 2. Распределение плотности
теплоносителя по высоте активной зоны
153
012345
z
, м
0
1
2
3
4
w
, ì /с
012345
z
, м
160
200
240
280
320
36
0
ρ
w
, кг/(м
2
с)
Рис. 3. Распределение скорости теплоносителя
по высоте активной зоны
Рис. 4. Распределение массовой скорости
теплоносителя по высоте активной зоны
012345
200
400
600
800
100
0
0
4000
8000
12000
z
, м
α
, Âò/(ì
2
K)
для однофазного теплоносителя
с учетом поправки для СКД
оболочка твэла
(для однофазного теплоносителя)
оболочка твэлов
(с учетом поправки для СКД)
теплоноситель
T
,
o
C
012345
z
, м
Рис. 5. Распределение коэффициента
теплоотдачи по высоте активной зоны
Рис. 6. Распределение температуры по высоте
активной зоны
Из рис. 5 видно, что в зоне наибольших энерговыделений наблюдается ухудшение
теплообмена, что приводит к возрастанию температуры оболочек твэлов. Как показано
на рис. 6, температура оболочек твэлов на наиболее теплонапряженном участке
превышает 900 °C, что обусловлено наличием значительных неравномерностей в
распределение относительного энерговыделения по высоте активной зоны. Для
снижения максимальной температуры оболочек твэлов требуется более равномерное
распределение относительного энерговыделения.
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В АКТИВНОЙ
ЗОНЕ
Как известно, в прямоточных поверхностных теплообменниках может возникать
неустойчивость течения теплоносителя, которая
проявляется в виде пульсаций теплотехнических
параметров. Наиболее склонны к неустойчивости
системы, в которых теплоноситель претерпевает
фазовое превращение [4], т.е. происходит сильное
изменение плотности теплоносителя от входа к
выходу. Следовательно, в активной зоне
ВВЭР СКД возможно возникновение
неустойчивости течения теплоносителя, поскольку
имеется квазифазовый переход и плотность
теплоносителя на входе и выходе отличается
примерно в 10 раз.
элементарный
канал
твэл
Рис. 7. Схема элементарного
канала
проходное
сечение
пучка
154
При расчетном исследовании устойчивости течения теплоносителя возникает ряд
особенностей, связанных с заданием ГУ. Традиционно расчетные программы,
направленные на анализ надежности охлаждения твэлов, моделируют только саму
активную зону и, возможно, входные и выходные необогреваемые участки. Обычно в
качестве ГУ на выходе из активной зоны задается температура и давление
теплоносителя, а на входе температура и либо давление, либо расход теплоносителя.
Как будет показано ниже, эти два ГУ на входе по-разному влияют на устойчивость
расчетной модели. К реальной системе ни одно из этих ГУ полностью не применимо,
поскольку перепад давления и расход через ТВС взаимосвязаны.
Для демонстрации влияния типа ГУ на устойчивость течения теплоносителя в
активной зоне ВВЭР СКД с помощью программы ТЕМПА-СК моделируются три
изолированных друг от друга элементарных канала ТВС, каждый из которых
образуется тремя твэлами (рис. 7). Параметры канала определяются геометрией пучка
твэлов: диаметр твэла 9,1 мм; шаг расположения твэлов 10,7 мм; длина обогреваемой
части канала 4,2 м. Мощность твэлов, образующих элементарные каналы,
рассчитывалась исходя из тепловой мощности РУ равной 3000 МВт, из количества
твэлов в активной зоне и из коэффициента неравномерности K
r
, который принимался
равным 1,2, 1,00 и 0,7 для первого, второго и третьего каналов, соответственно. В
результате тепловая мощность, подводимая к каждому элементарному каналу,
равнялась, соответственно, 29,6 кВт, 24,7 кВт и 17,3 кВт.
0 5 10 15 20 25
t
, с
200
400
600
80
0
ρ
w
, кг/(м
2
с)
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
0 5 10 15 20 25
t
, с
200
400
600
80
0
T
,
o
C
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
Рис. 8. Изменение во времени массовой
скорости теплоносителя на входе в каналы
Рис. 9. Изменение во времени температуры
теплоносителя на выходе из каналов
012345
z
, м
0
200
400
600
800
ρ
, кг
/
м
3
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
012345
z
, м
0
4
8
12
w
, ì
/с
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
Рис. 10. Распределение по высоте каналов
плотности теплоносителя
Рис. 11. Распределение по высоте
каналов скорости теплоносителя
В расчетном анализе принималось, что параметры на входе и на выходе не
изменяются, а мощность тепловыделений линейно увеличивалась от нуля до
максимального значения за 10 с.
155
012345
z
, м
200
400
600
80
0
T
, °C
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
012345
z
, м
4000
8000
12000
16000
20000
α
, Вт
/
(м
2
K)
для однофазной среды
с поправкой для СКД
Рис. 12. Распределение по высоте каналов:
температуры теплоносителя;
температуры оболочек твэлов
Рис. 13. Распределение по высоте
"горячего" канала (K
r
= 1,2)
коэффициента теплоотдачи
Результаты расчетов с ГУ на входе в виде постоянного расхода теплоносителя,
показаны на рис. 8 – 13. Данные результаты получены для массовой скорости
теплоносителя равной 700 кг/(м
2
с). Результаты расчетов не зависят от степени
дросселирования ТВС на входе. Распределения параметров по высоте приведены для
установившегося состояния (t = 25 c).
Для ГУ на входе в виде давления теплоносителя результаты расчетов зависят от
степени дросселирования. На рис. 14 приведены результаты расчетов для трех
различных величин коэффициента гидравлического сопротивления дросселирующего
устройства на входе в ТВС. В первом расчетном варианте коэффициент
гидравлического сопротивления (КГС) наибольший, а в третьем наименьший из трех.
Перепад давления на каналах для различных вариантов выбирался из условия
обеспечения массовой скорости теплоносителя в "холодном" состоянии равной
примерно 1000 кг/(м
2
с).
0 5 10 15 20 25
t
, с
200
400
600
800
1000
120
0
ρ
w
, кг/(м
2
с)
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
0 5 10 15 20 25
t
, с
200
400
600
80
0
T
,
o
C
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
a)
0 5 10 15 20 25
t
, с
200
400
600
800
1000
1200
ρ
w
, кг/(м
2
с)
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
0 5 10 15 20 25
t
, с
200
400
600
80
0
T
,
o
C
K
r
= 1,2
K
r
= 1,0
K
r
= 0,7
б)
156
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)