Теплогидравлический расчет реактора типа ВВЭР

Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»
Теплогидравлический расчет
ядерного энергетического реактора
Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу
«Ядерные энергетические реакторы» для студентов всех форм
обучения по специальности
101000 – Атомные электростанции и установки
Екатеринбург 2005
Основные условные обозначения:
V0 - объем активной зоны
qV - удельное энерговыделение
Qтепл - тепловая мощность реактора
D0 - диаметр активной зоны
H 0 - высота активной зоны
f яч - площадь одной ячейки
hкл - размер между центрами ТВС (под ключ)
N - число ячеек в активной зоне
S яч - проходное сечение одной ячейки
n - число твэлов в ТВС
n p - число направляющих трубок для стержней регулирования
n ц - число центральных полых трубок
d 2 - наружный диаметр оболочки твэла
d p - наружный диаметр направляющих трубок для для стержней регулирования
d ц - диаметр центральной трубки
d г - гидравлический периметр ТВС
d тепл - тепловой диаметр пучка твэлов
d з - средний диаметр газового зазора
d с - наружный диаметр топливного сердечника
d1 - внутренний диаметр оболочки твэла
П г - гидравлический периметр одной ячейки (ТВС)
П тепл - тепловой периметр ТВС
H - высота активной зоны с учетом экстраполированной добавки
 - экстраполированная добавка к размерам активной зоны
 об - толщина оболочки твэлов
 з - толщина газового зазора между оболочкой твэла и топливным сердечником
 т.э. - толщина торцевых частей экрана
 б .э. - толщина бокового экрана
ql z  - распределение линейного теплового потока по высоте
ql , 0 - тепловой поток в центральной плоскости активной зоны реактора
ql , 0 - линейный тепловой поток в центральной плоскости реактора в расчете на
средненагруженный твэл
- линейный тепловой поток в центральной плоскости реактора в расчете на
qlмакс
,0
максимально нагруженный твэл
qs z  - тепловая нагрузка на единицу поверхности твэла
q кр - критический тепловой поток
k z - коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте
kV - кэффициент неравномерности по объему активной зоны
G - расход теплоносителя в расчете на один твэл
iT z  - энтальпия теплоносителя по высоте канала
xотн - относительная энтальпия по высоте канала
m - число расчетных точек по высоте
Tобн z  - температура наружной поверхности оболочки твэла
Tобв н  z  - температура оболочки твэла на внутренней поверхности
Tсв н  z  - температура топливного сердечника на внутренней поверхности
об - теплопроводность оболочки твэла
Tсн  z  - температура наружной поверхности топливного сердечника
 3 - коэффициент проводимости контактного слоя
c Tc z  - теплопроводность топливного сердечника
xнм.какс
. - относительная энтальпия в точке начала поверхностного кипения
.
z нм.какс
- координата начала кипения
.
X - обобщенное массовое паросодержание
l - длина пучка твэлов
k z  - коэффициент запаса до кризиса теплообмена
 p - потери давления в пределах активной зоны
p тр - потери давления на трение
p м - потери от местных сопротивлений
pнив - нивелирная составляющая
f б .э. - площадь бокового экрана
w - скорость теплоносителя
Pr - число Прандтля
Re - число Рейнольдса
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Целю курсового проекта является углубление и закрепление знаний, полученных
студентами при изучении курса «Ядерные энергетические реакторы», выработка
навыков разработки и расчета конструкционных схем ядерных реакторов различных
типов,
расчет
теплогидравлических
параметров
ЯЭУ
и
закрепление
графического исполнения сложных конструкторских чертежей.
В задании на курсовой проект для реактора типа ВВЭР указываются:
Тип реактора
Тепловая мощность реактора Qтепл
Теплоноситель
Замедлитель
Конструкционные материалы
Среднее давление теплоносителя в активной зоне p
Температура теплоносителя на входе в активную зону Tвх
Средний подогрев теплоносителя в активной зоне TT
Удельная энергонапряженность активной зоны qV
Топливо
Форма ТВС
Размер между центрами ТВС
Тип твэлов
Форма решетки
Полное число стержней в ТВС nст
Число твэлов в ТВС n
Число направляющих трубок для стержней регулирования n р
Число центральных полых трубок nц
Размеры пучка стержней:
- наружный диаметр оболочки твэла d 2 ;
- внутренний диаметр оболочки твэла d1 ;
- наружный диаметр топливного сердечника d c ;
- внутренний диаметр топливного сердечника d 0 ;
навыков
- наружный диаметр направляющих трубок для стержней регулирования d p ;
- диаметр центральной трубки d ц .
Высота активной зоны H 0
Число дистанционных решеток по высоте пучка ТВС (включая торцевые
решетки)
Параметры теплоносителя на линии насыщения при давлении p :
- температура Ts ;
- температуропроводность a ;
- число Прандтля Pr  ;
- плотность воды   .
Для реактора типа БН указываются:
Тип реактора
Тепловая мощность реактора Qтепл
Удельное энерговыделение в активной зоне qV
Теплоноситель:
- температура на входе Tвх ;
- температура на выходе Tв ых ;
- плотность  ;
- удельная теплоемкость с р ;
- теплопроводность  ;
- динамическая вязкость  ;
- кинематическая вязкость  ;
- температуропроводность a ;
- число Прандтля Pr .
Форма ТВС в активной зоне
Размер под ключ hкл
Зазор между ТВС  ТВС
Толщина корпуса ТВС  к
Диаметр твэлов в активной зоне и торцевом экране d 2
Толщина оболочки твэла  об
Материал оболочки твэла
Материал топливного сердечника
Диаметр топливного сердечника d1
Диаметр твэлов в боковом экране d б .э.
Число твэлов ТВС активной зоны n
Число твэлов ТВС бокового экрана nб .э.
Тепловыделение:
- в активной зоне Qа.з. ;
- в торцевом экране Qт.э. ;
- в боковом экране Qб .э. .
Курсовой проект оформляется в соответствии со стандартом предприятия
«Комплексная система управления качеством подготовки специалистов. Общие
требования и правила оформления дипломных и курсовых проектов» (СТП УПИ 1-85) и
должен
состоять
из
расчетно-пояснительной
записки
на
25-30
страницах
и
графической части на 2-3 листах.
Пояснительная записка должна содержать:
1.
Титульный лист установленного образца.
2.
Задание на курсовой проект (на бланке).
3.
Введение, в котором дается краткое описание состояния и перспективы
развития данного типа реактора.
4.
Теплогидравлический расчет реактора.
5.
Нейтронно-физический расчет реактора.
6.
Другие виды расчетов (в соответствии с заданием).
7.
Необходимый иллюстративный материал.
8.
Выводы.
9.
Список использованной литературы.
1.Теплогидравлический расчет реактора типа ВВЭР
1.1. Определение геометрических характеристик активной зоны
Расчет объема активной зоны выполняется по простой формуле:
V0 
Qтепл
qV
(1.1)
где
qV - удельное энерговыделение, Вт/м3;
Qтепл - тепловая мощность реактора, Вт.
Диаметр активной зоны рассчитываем с учётом выбранного соотношения Ho к Do
Обоснование выбора необходимо представить с учетом транспортировки корпуса
реактора по железной дороге к месту монтажа. Учесть при этом, что классическое
соотношение Ho / Do для ВВЭР-1000 составляет 1,12.
D0 
V0
0,785H 0
(1.2)
где
H 0 - высота активной зоны, м.
Площадь одной ячейки, м2:
f яч
1 h 
 6   кл 
3  2 
2
(1.3)
где
hкл - размер между центрами ТВС (под ключ), м.
Число ячеек в активной зоне:
N
  D02
4  f яч
(1.4)
Проходное сечение одной ячейки, м2:

S яч  f яч  0,785  n  d 22  n p  d p2  nц  d ц2

(1.5)
где
n - число твэлов в ТВС;
n p - число направляющих трубок для стержней регулирования;
n ц - число центральных полых трубок;
d 2 - наружный диаметр оболочки твэла, м;
d p - наружный диаметр направляющих трубок для стержней регулирования;
d ц - диаметр центральной трубки, м.
Гидравлический периметр одной ячейки (ТВС), м:

П г    n  d 2  n p  d p  nц  d ц

(1.6)
Гидравлический периметр ТВС, м:
dг 
4  S яч
Пг
(1.7)
Тепловой периметр ТВС, м:
П тепл    d 2  n
(1.8)
Тепловой диаметр пучка твэлов, м:
d тепл 
4  S яч
П тепл
(1.9)
Экстраполированная добавка к размерам активной зоны 
принимается в
соответствии с [1].
Высота активной зоны с учетом экстраполированной добавки, м:
H  H0  2 
(1.10)
Толщина оболочки твэлов  об принимается в соответствии с [1].
Средний диаметр оболочки твэла, м:
d об 
d 2  d1
2
(1.11)
где
d1 - внутренний диаметр оболочки твэла, м.
Толщина газового зазора между оболочкой твэла и топливным сердечником  з
принимается в соответствии с [1].
Средний диаметр газового зазора, м:
dз 
d1  d с
2
(1.12)
где
d с - наружный диаметр топливного сердечника, м.
1.2. Определение теплогидравлических параметров по высоте
канала в расчете на средний и максимально нагруженный твэл
Для определения температурного режима твэлов обычно выделяется одна
элементарная ячейка. Это либо наиболее нагруженный твэл, либо твэл в расчете
на среднюю нагрузку активной зоны.
Распределение линейного теплового потока по высоте, Вт/м:
  z 
ql  z   ql , 0  cos

 H 
(1.13)
где
ql , 0 - тепловой поток в центральной плоскости активной зоны реактора, Вт/м.
Коэффициент неравномерности энерговыделения по высоте:
kz 
  H0
   H0 
2  H  sin 

 2 H 
(1.14)
Коэффициент неравномерности по объему активной зоны kV принимается в
соответствии с [1].
Линейный тепловой поток в центральной плоскости реактора, Вт/м, в расчете
- на средненагруженный твэл определяется соотношением:
ql , 0 
Qтепл  k z
H0  Nn
(1.15)
- на максимально нагруженный твэл:
qlм, 0акс 
Qтепл  kV
H0  Nn
(1.16)
Тепловая нагрузка на единицу поверхности твэла, Вт/м2:
qs z   0,94 
ql  z 
  d2
(1.17)
Расход теплоносителя в расчете на один твэл, кг/с:
G
Qтепл
c p  TT  N n
(1.18)
Энтальпия теплоносителя по высоте канала, Дж/кг:
iT z   iв х 
1 z
 ql z dz
G zd [
(1.19)
Относительная энтальпия по высоте канала:
xотн 
iн.к.  i
i  i
(1.20)
Число расчетных точек по высоте m принимается по указанию ведущего
преподавателя (как правило, принимается m = 7 или 9).
Температура наружной поверхности оболочки твэла, 0С:
Tобн z   TT z   T z 
T  z  
  ql z 
П тепл  
(1.21)
(1.22)
Температура оболочки твэла на внутренней поверхности, 0С:
Tобв н  z   Tобн  z   0,94 
ql  z    об
  d об  об
(1.23)
Теплопроводность оболочки твэла об , Вт/(м·К) зависит от материала и берется
из табл.1.1., табл.1.2. или табл.1.3.
Таблица 1.1
Теплофизические свойства циркония
(температура плавления циркония  пл =2123 К ± 30 К)
, К
 , кг/м3
c p , кДж/(кг·К)
 , мВт/м·К
293
6510
0,290
21400
373
6490
0,309
21200
473
6470
0,328
20900
573
6450
0,346
20600
673
6430
0,358
20400
773
6420
0,364
20200
873
6400
0,366
20100
973
6370
0,361
19900
Таблица 1.2.
Теплофизические свойства магния (температура плавления магния  пл =923 К)
, К
 , кг/м3
c p , кДж/(кг·К)
 , мВт/м·К
273
1738
0,975
165000
373
1728
0,070
152000
473
1710
0,120
140000
573
1700
0,180
130000
673
1688
0,220
120000
773
1670
0,255
112000
873
1660
0,280
131000
973
1544
0,395
99000
Таблица1.3
Теплофизические свойства алюминия
(температура плавления алюминия  пл =933 К)
, К
 , кг/м3
c p , кДж/(кг·К)
 , мВт/м·К
  10 6
300
2684
0,871
207000
22,5
400
2678
0,938
213000
24,5
500
2665
0,999
222000
27,5
600
2645
1,053
233000
30,5
700
2616
1,079
251000
32,0
800
2565
1,118
271000
32,5
900
2515
1,145
282000
34,0
Температура наружной поверхности топливного сердечника, 0С:
Tсн  z   Tобв н  z   0,94 
ql  z 
  dс 3
(1.24)
Коэффициент проводимости контактного слоя (см. рис. 1.1.):
(1.25)
0,8
0,6
Вт/(м2·К)
αз, 104 Вт/(м2·К)
 
 3  f  3 
 d1 
0,4
0,2
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
 з / d1 , %
Рис.1.1. Зависимость проводимости контактного слоя от отношения первоначального газового
зазора к внутреннему диаметру оболочки
Температура топливного сердечника на внутренней поверхности, 0С:
ql z  
2  d 02
dc 


T z   T z   0,94 
 1  2

ln
  с  d c  d 02
d 0 
вн
с
н
об
(1.26)
Теплопроводность топливного сердечника, Вт/м·К:
c Tc z  
55  10 2
 0,942  10 10  3
560  
(1.27)
Относительная энтальпия в точке начала поверхностного кипения:
x
м акс
н.к .


qs

 0,49  
    w0  r 
0,3
 p 

 Re 
p 
кр


0 ,15
0, 4
q
(1.28)
Координата начала кипения, м:
.
макс.
zнмакс

.к .  z m
.
макс.
xmмакс
,отн.  xн.к .
 z
.
макс.
xmмакс
,отн.  xm1,отн.
(1.29)
Критический тепловой поток, Вт/м2:
1/ 3
X 

1 

3,5 
1/ 3

qкр 
 r   gd тепл ga
l 

320  1 

 3,54 


1/ 3
 Re1/ 5  Pr1/ 3
(1.30)
где
 w2  d тепл 
 - обобщенное массовое паросодержание;
X  x  






1/ 5
d тепл - тепловой диаметр, м;
l - длина пучка твэлов, м;
Re 
Pr 
  w  d тепл
- число Рейнольдса;


a
- число Прандтля.
Коэффициент запаса до кризиса теплообмена:
k z  
qкр  z 
(1.31)
qs z 
1.3. Определение гидравлических характеристик
Расчет гидравлических характеристик начинам с определения потерь давления в
пределах активной зоны, Па:
p  pтр  p м  pнив  p уск
(1.32)
Потери давления на трение, Па:
- для средней нагрузки
- для максимальной нагрузки
pтр   тр 
l
d тр

w2

2
(1.33)
Потери от местных сопротивлений, Па:
- для средней нагрузки
- для максимальной нагрузки
p м 
 м  w2  
2
(1.34)
Нивелирная составляющая, Па:
- для средней нагрузки
- для максимальной нагрузки
pнив  g    H
(1.35)
Суммарные потери давления, Па:
- для средней нагрузки
- для максимальной нагрузки

 w2  
l
pг  pтр  p м   тр
  м,i  
dг
2
i


(1.36)
Расчетные значения тепловых потоков и параметров теплоносителя по высоте
канала заносятся в табл.1.4
Табл.1.4
Параметр
Координата по высоте z, м
-z4
-z3
-z2
-z1
0
z1
z2
z3
z4
ql , 103
qlм акс , 103
qs , 103
q sм акс
, 103
iT , 103
iTм акс , 103
xотн
м акс
xотн
Tобн
(Tобн ) м акс
Tобв н
(Tобв н ) м акс
Tсн
(Tсн ) м акс
Tсв н
(Tсв н ) м акс
qкр
, 106
qкрмакс
, 106
k
k м акс
На
основании
табличных
значений
выполняется
построение
графиков
зависимостей теплогидравлических параметров по высоте и радиусу активной
зоны.
1.4. Построение графиков по результатам расчетов
По окончании теплогидравлического расчета приводятся кривые изменения
температуры теплоносителя и наружной оболочки твэлов по высоте каналов
средней и максимальной тепловых нагрузок.
Для построения графиков, представленных на рис.1.2., рис.1.3., рис.1.4.,
используются данные табл.1.4.
Н0/2
ql (z )
Ts
TT (z )
0
Tобн (z )
-Н0/2
0
20 40 60
ql , кВт/м
290
310
330
T, С
350
0
Рис.1.2. Пример распределения линейной тепловой нагрузки
ql (z ) , температуры
теплоносителя TT (z ) , температуры наружной поверхности оболочки твэла Tобн (z ) и
температуры насыщения Ts по высоте канала: ------ - в расчете на среднюю тепловую
нагрузку; - - - - - на максимально нагруженный твэл.
Н0/2
Tcн (z )
0
Tcв н (z )
-Н0/2
0
400
800
1200
1600
1800
T , 0С
Рис.1.3. Пример распределения температуры сердечника на наружной
Tсн (z )
и
внутренней Tсв н (z ) поверхностях по высоте канала: ------ - в расчете на среднюю тепловую
нагрузку; - - - - - на максимально нагруженный твэл.
Н0/2
q кр (z )
0
q з (z )
-Н0/2
0
500
1000
1500
2000
2500
ql , кВт/м
Рис.1.4. Пример распределения удельного теплового потока qs и критического теплового
потока q кр по высоте канала: ------ - в расчете на среднюю тепловую нагрузку; - - - - - на
максимально нагруженный твэл.
2.Теплогидравлический расчет реактора типа БН
2.1. Определение геометрических характеристик активной зоны
На основании заданных параметров определяем объем активной зоны:
V0 
Qтепл
qV
(2.1)
где
qV - удельное энерговыделение, Вт/м3;
Qтепл - тепловая мощность реактора, Вт.
Коэффициент уплощения активной зоны H 0 / D0 принимается в соответствии с
заданием ведущего преподавателя. (Для БН 600 коэфф.уплощения равен 0,37).
Размеры цилиндрической активной зоны, м:
- диаметр D0
- высота H 0
Толщина торцевых частей экрана  т.э. , м, принимается в соответствии с [1].
Толщина бокового экрана  б .э. , м, принимается в соответствии с [1].
Площадь бокового экрана, м2:

f б.э.  0,785  D0  2   б.э.   D02
2

(2.2)
Эффективная добавка по оси активной зоны  , м, принимается в соответствии с
[1].
Экстраполированная высота, вдоль которой идет тепловыделение с максимум в
центральной плоскости и нулевым значением на торцах, м:
H  H0  2  
(2.3)
При определении площади одной ячейки (активной зоны и экранов) f яч , м2,
принимается, что ячейкой является площадь ТВС.
Число ТВС в активной зоне:
N
  D02
(2.4)
4  f яч
Число ТВС бокового экрана:
N б . э. 
f б . э.
f яч
(2.5)
Проходное сечение ТВС активной зоны, м2:
1  hкл  2   к 
2

  0,785  n  d 2
3 
2

2
s яч  6
где
hкл - размер между центрами ТВС (под ключ), м.
(2.6)
Гидравлический периметр ТВС активной зоны, м:
Пг  6 
1
hкл  2   к    d 2  n
3
(2.7)
Гидравлический диаметр ТВС активной зоны, м:
dГ 
4  Sк
П
(2.8)
Проходное сечение ТВС бокового экрана, м2:
1  hкл  2   к 
2

  0,785  nб .э.  d б .э.
3 
2

2
sб . э.  6
(2.9)
Гидравлический периметр ТВС бокового экрана, м:
1
hкл  2   к    dб.э.  nб.э.
3
Пб.э.  6 
(2.10)
Гидравлический диаметр ТВС бокового экрана, м:
d б . э. 
4  Sк
П
(2.11)
Тепловой периметр ТВС, м:
- в активной зоне
- в боковом экране
Птепл    d  n
(2.12)
2.2. Определение теплогидравлических параметров
активной зоны и бокового экрана
Расход теплоносителя, кг/с:
- через активную зону
- через боковой экран
G
Qтепл
с p  TT
(2.13)
Скорость теплоносителя, м/с:
- через активную зону
- через боковой экран
w
G
s яч  N  
(2.14)
Линейный тепловой поток по высоте канала, Вт/м:
- в активной зоне
- в боковом экране
  z 
ql  z   ql , 0  cos

 H 
(2.15)
Линейный тепловой поток в центральной плоскости, Вт/м:
- в активной зоне
ql , 0 
Qа. з.  Qт.э.  k z
(2.16)
H
- в боковом экране
qб .э., 0 
Qб .э. k z
H
(2.17)
Температура теплоносителя по высоте канала, 0С:
- в активной зоне
- в боковом экране
 q ( z) 

dz  l
G c 
H / 2
p


TT  z   Tвх  
z
(2.18)
Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К):
- в активной зоне

 w d
N     5  0,025   АЗ Г
a



d0  N  d Г
- в боковом экране

 


 w  d 
N б .э.     5  0,025   б .э. б .э.  
a




d 0  N б . э .  d б . э.
(2.19)
(2.20)
Температура наружной поверхности твэла, 0С:
- в активной зоне
Tоб z   TT z   T z 
(2.21)
- в боковом экране
T  z  
  ql  z 
П тепл  
(2.22)
Температура топливного сердечника вдоль центральной оси, 0С:
- в активной зоне
Tc z   TT z   T z 
(2.23)
- в боковом экране
T z   Tс z   Tз z   Tоб z   T z 
(2.24)
Коэффициент сопротивления трения натрия в реакторе:
 тр




124 
0 , 32
0 , 25 
 0,21  Re
 1 
 1,78  1,485  x  1  x  1
1, 65 
  t  


 d  
(2.25)
Перепад давления теплоносителя в реакторе, Па:
P 
 тр    w 2
2  d б .э.
(2.26)
Расчетные значения тепловых потоков и температуры теплоносителя по высоте
канала заносятся в табл.2.1.
2.3. Построение графиков по результатам расчетов
Для построения графиков, представленных на рис.2.1., используются данные
табл.2.1.
Табл.2.1.
Параметр
Координата по высоте канала z, м
-z3
-z2
-z1
0
z1
z2
z3
ql , 109
qб .э. , 106
TT
Tб .э.
Tоб
Tоб ,б .э.
T0
T0,б .э.
0,6
0,4
ql (z )
0,2
TT (z )
0
-0,2
-0,4
Tо (z )
-0,6
0 2 4
ql , кВт/м
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
T , 0С
Рис.2.1. Пример распределения тепловой нагрузки, температуры теплоносителя и
топливного сердечника по высоте активной зоны реактора на быстрых нейтронах,
охлаждаемого жидким натрием
Библиографический список:
1.
Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. – М.: Энергоатомиздат,
1990.
2. Идельчик И.Е. Справочник по гидродинамическим сопротивлениям. М.:
Машиностроение, 1975.
3. Камерон И. Ядерные реакторы. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
4. Кириллов
П.Л.,
Юрьев
Ю.С.,
Бобков
В.П.
Справочник
по
теплогидравлическим расчетам (реакторы, теплообменники, парогенераторы).
– М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного
пара. М.: Энергия, 1980.
6. Самойлов А.Г. Тепловыделфющие элементы ядерных реакторов. М.:
Энергоатомиздат, 1985.
7. Усынин
Г.Б.,
Кусмарцев
Энергоатомиздат, 1985.
Е.В.
Реакторы
на
быстрых
нейтронах.
М.: