Реферат: Расчет тепловой схемы парогенератора ПГВ-1000 с построением диаграмм t-Q, тепловой и гидродинамический расчеты
ВВЕДЕНИЕ
ПарогенераторыАЭС с реакторами, охлаждаемыми водой, вырабатывают насыщенный пар. Требованиеподдержания высокой частоты теплоносителя обусловливает выполнение поверхностейтеплообмена таких парогенераторов из аустенитной нержавеющей стали с электрополированнымиповерхностями. Трубы из такой стали промышленностью выпускаются длиной до 14метров. Использование для поверхностей теплообмена труб из нержавеющей сталицелесообразно только при минимально допустимых по условиям прочности толщинахстенок dст. Длявысокого давления теплоносителя dст £ 1.5 мм, а для среднего dст £ 1.2 мм. По условиям технологии изготовления трубы изнержавеющей стали выпускаются с наименьшей толщиной 1.4 мм. Применение труб столщиной стенки, оптимальной по условиям сварки (dст » 2.5 мм), противоречиттребованиям создания агрегата с возможно меньшими капитальными затратами. Крометого, необходимо считаться с недопустимостью неоправданного увеличения расходадефицитного очень дорогостоящего материала. Такие ограничения, стоявшие передпроектировщиками и конструкторами, в какой-то мере даже способствовали созданиюнаиболее оптимальной конструкции ПГ для АЭС с ВВЭР: однокорпусного спогруженной поверхностью теплообмена, с естественной циркуляцией рабочего тела.В течениепоследующего двадцатилетия с переходом на более высокие единичныемощности агрегатов созданная конструкция ПГ принципиальных изменений непретерпела. Однако осуществлялись весьма серъезное усовершенствование ее узлови рационализация протекания процессов генерации пара. Практика показывает, чтодаже для условий больших мощностей реактора ВВЭР-1000ПГ погруженнойповерхностью теплообмена обеспечивает требуемую производительность.
Даннаярасчетно-пояснительная записка включает в себя расчет тепловой схемы парогенератораПГВ-1000 с построением диаграмм t-Q, тепловой и гидродинамический расчеты.
1. Исходные данные для шифра 149 02 представлены втаблице 1
Таблица 1
№№ Размерность Значение 1 Расход воды первого контура через парогенераторт/ч ´ 103
18 2 Температура воды первого контура на входе в ПГ °C 318 3 Температура воды первого контура на выходе из ПГ °C 291 4 Давление воды первого контура МПа 15.7 5 Давление воды первого контура Мпа 3,0 6 Температура питательной воды °C 225 7 Величина продувки % 1.0 8 Типоразмер труб поверхности теплообмена мм 16х1.5 9 Материал труб поверхности теплообмена Сталь ОХ18Н10Т1.Расчет тепловой схемы ПГ
/>
В выбранной конструкционной схеме питательная водачерез коллектор питательной воды и систему раздающих труб подается на горячуюсторону теплопередающей поверхности. Здесь она смешивается с котловой водойпарогенератора и нагревается до температуры насыщения ts.
Подача питательной воды на горячую сторонупарогенератора служит выравнивания паровых нагрузок по площади зеркалаиспарения.
Получение сухого насыщенного пара осуществляется вжалюзийном сепараторе.
1. Определяемтепловую мощность ПГ.
QПГ=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 итеплофизические свойства воды и водяного пара» /1/, при
P1=15,7 ;
i1'=14,31 ;
i1''=12,89;
h — КПД парогенератора, принимаем h=0,99.
QПГ=18*(106/3600)(14,28-12,58)* 105*0,99=7,029*105 кДж/с
2.Определяем паропроизводительность парогенератора (2-ой контур).
QПГ=Д*[(i2'-iПВ)+r]+ ДПР*(i2'-iПВ),
где: Д — паропроизводительность ПГ,
r — теплота парообразования,
ДПР — расход продувки.
По давлению 2-го контура при помощитаблицы «Термодинамические свойства воды и водяного пара в состояниинасыщения» /1/ определяем:
При P =3,0 Мпа, ts=233,84 С;
i2' = 1,008 *106Дж/кг;
r=1,794 *106 Дж/кг;
По таблице определяем энтальпию питательной воды:
При tПВ = 225,P2 =3,0МПа,
iПВ=9,67 *105 Дж/кг
Принимаем величину продувки ПГ: ДПР = 0,01Д.
Д= QПГ/ ( (i2'-iПВ)*1,02+r) =
7,029 *105/(1,008*(1,24-0,967)*103+1,794 *103)=7,029 *105/1,836*103==383кг/с.
3. Определяем больший и меньший температурные напоры.
Dtб= t1'- ts' =318-234=94°C,
Dtм= t2''- ts' = 291-234=57 °C
,
Характерныепара изменения температуры вдоль поверхности нагрева представлены на t-Qдиаграмме
/>
3. Конструктивный расчет ПГ.
Для изготовления коллекторов теплоносителя и корпусапарогенератора применяется сталь 10ГН2МФА, коллектора теплоносителя изнутриплакируются сталью ОХ18Н10Т. По заданию трубчатка ПГ выполняется из сталиОХ18Н10Т, труба 16х1,5.
Поверхность теплообмена состоит из U-образныхгоризонтальных змеевиков, скомпонованных в два U-образныхпучка, имеющих по три вертикальных коридора для обеспечения циркуляции котловойводы. Концы змеевиков привариваются к плакировке коллекторов аргонодуговойсваркой и вальцуются взрывом на всю толщину стенки. Расположение отверстий вколлекторах для завальцовки труб шахматное.
Определим число труб теплопередающей поверхности.
Определим внутренний диаметр трубы:
dв=dн-2d=16-2*1,5=13 мм.
Определимплощадь сечения трубы:
Fтр=p*dн2/4=3,14*132/4=1,33*10-4 м2
Зададимсяскоростью теплоносителя на входе в трубчатку:
W1вх=5 м/с.
Определимрасчетное число труб теплопередающей поверхности из уравнения сплошностипотока:
Gвн=fвн*W1вх/n1',
где fвн= fтр*n,
n1'=1,694*10-3 м3/кг, тогда
n=(G*n1')/(fтр*W1вх)=12736шт.
4. Тепловой расчет.
1. Определим средний температурныйнапор воль поверхности нагрева:
Dtб=84 °C,
Dtм=57°C,
Dtб/Dtм=1,4<1,7
Поскольку температурный напор и,следовательно, удельный тепловой поток, изменяются значительно, то коэффициенттеплоотдачи от стенки к кипящей воде и коэффициент теплопередачи рассчитываютсяраздельно на границах участка. Коэффициент теплопередачи рассчитывается, каксреднее арифметическое этих двух значений. Коэффициент теплоотдачи оттеплоносителя к стенке трубы рассчитывается по средней температуре теплоносителяи принимается одинаковым для всего участка:
Dtср=(Dtб+Dtм)/2 = (84+57)=70,5 °C.
2.Определимкоэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.
2.1.Средняя температура теплоносителя на участке
t1ср=(Dtср+Dtср)/2=(318+291)/2=305°C.
2.2.Физические параметры воды при t1ср=305°C:
плотность r1=799кг/м3,
коэффициенттеплопроводности l1=0,531 Вт/(м*К),
вязкостьm1=88,3 *10-6 Па*с,
числоПрандтляPr=0,98,
удельныйобъем-u1=1,425*10-3 м3/кг.
2.3.Скорость теплоносителя
W1=(Gм* -u1)/(Fтр * n)=4,19м/с.
2.4.Число Рейнольдса
Re=( W1*dвн)/(-u1*m1)=(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 трубепо формуле:
a1=0,021*( l1/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:
R1=1/a1=3.66* 10-5 (м2*К)/ Вт.
2.7.Температура стенки:
tст=t1ср-(1/3)*( t1ср — ts)=305-(1/3)*(305-224)=281°C.
2.8.Теплопроводность стали 12Х18Н10Т при tст=281°C
lст=18,51 Вт/(м*К) (приложение IXучебника)
Термическоесопротивление стенки:
Rст=dст/lст=1,5*10-3/(18,51)=8, 1* 10-5 (м2*К)/ Вт.
2.9.Термическое сопротивление окисных пленок:
2Rок=1,5* 10-5 (м2*К)/ Вт.
2.10.Сумма термических сопротивлений:
R=R1+Rст+ 2Rок=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 входномсечении:
3.1.Проведем расчет методом последовательных приближений. Первое значение тепловогопотока q для расчета берем из диапазона:
q=(0,8¸0,9)* Dtб/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 стенкитрубы к кипящей воде по формуле:
a2'=(10,45/(3,3-0,0113(Ts — 373)))* (q')0,7=62000(Вт/м2*K)
3.3. Термическое сопротивление:
R2'=1/a2'=1,61* 10-5(м2*K/Вт)
3.4. Определяем коэффициент теплопередачи во входномсечении.
Полное термическое сопротивление во входном сечении:
Rполн'= R1'+ R2'=(13,26 +1.61)* 10-5=14,87 * 10-5 (м2*K/Вт).
Коэффициент теплопередачи во входном сечении.
k1'= 1/ Rполн'=6720 (Вт/м2*K)
3.5 Удельный тепловой поток:
qn''= k1'*Dtб=6720*84=6320 (Вт/м2)
3.6. Определяем отношение:
q''/q'=1,01 <1,05.
Точность расчета устраивает, поэтому принимаемокончательно:
a2'=62000(Вт/м2*K),
k1'= 6720 (Вт/м2*K).
4. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи итеплопередачи в выходном сечении:
4.1. Определяем коэффициент теплоотдачи в выходномсечении:
4.1.1 Первое значение теплового потока для расчетаметодом последовательных приближений q2'=4,3 * 10-5(Вт/м2)
4.1.2 Вычисляем a2''
a2''=(10,45/(3,3-0,0113(Ts— 373)))* (q')0,7=0,48*10(Вт/м2*K)
R2''=2,05 *10-5
4.1.3 Определяем коэффициент теплопередачи и полноетермическое сопротивление в выходном сечении:
Rполн''= R+R2''=(13,26+2,08)* 10-5 = 15,34* 10-5 (м2*K/Вт).
k2''= 1/ Rполн''= 6510(Вт/м2*K)
4.1.4 Удельный тепловой поток в выходном сечении:
qn''= k2''*Dtм=436000 (Вт/м2)
4.1.5 Определяем отношение
q''/q'=1,01 <1,05.
Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:
a2''=48000(Вт/м2*K),
k2''= 6510 (Вт/м2*K).
4.1.6 Отношение коэффициентов теплопередачи на входе ина выходе:
kвх/ kвых=6,72/6,51=1,03 <1,25, ПОЭТОМУ, КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ВСЕГО УЧАСТКА РАССЧИТЫВАЕМ, КАК СРЕДНЕАРИФМЕТИЧЕСКОЕЭТИХ ДВУХ ЗНАЧЕНИЙ k.
K=0,5(6,72+6,51)=6,615 КВТ/М*К
5… Определяем площадь поверхности теплообмена,расчетную длину труб, расчетную длину среднего змеевика.
5.1 Определяем расчетную площадь поверхноститеплообмена:
HP= QПГ/(k*Dtcр)=7,029 *105/(6,615*70,5)=1,52 *103 м2
5.2 Определяем среднюю расчетную длину труб:
LP= HP/(p*dн)=1,52 *103/(3.14*0,016)=30,5*103 м
5.3 Определяем расчетную длину одной трубы среднегозмеевика:
lp= LP/n=30,5 *103/12736=3,56 м
5.4 Пересчитаем характеристики теплопередающейповерхности с учетом коэффициента запаса:
Кз=1,125
Масса 1м трубы 16х1,5 ml=0,6кг/м
5.5 Площадь теплопередающей поверхности ПГ
Н= HP*Кз=1,52 *103*1,125=1,71 *103 м2.
5.6 Длина труб ПГ:
LP= LP*1,125=30,5*103 *1,125=34,6 *103 м
5.7 Средняя длина одного змеевика:
l=lp*1,125=3,56 *1,125=4,05 м
5.8 Масса трубчатки
lp=L*ml*10-3 =34,6 *0,6=20,76тн
5. Гидравлический расчет ПГ
1. Гидравлический расчет первогоконтура ПГ
Исходные данные:
Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:
t1 = 318 °C
n1'=1,694*10-3 м3/кг
m1'=83,7*10-6 Па/кг
Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:
t2 =291
n2'=1,371*10-3 м3/кг
m2'=92,7*10-6 Па/кг
Удельный вес и вязкость теплоносителя при среднейтемпературе теплоносителя ПГ (t1ср=301):
n1cр=1,425 *10-3 м3/кг
m=88,3*10-6 Па/кг
Абсолютная шероховатость поверхностей из сталиОх18Н10Т принята равной dш£0,05мм.
1.1 Определяем гидравлическоесопротивление входного коллектора
1.1.1 Определяем переходное числоРейнольдса
Reпер=120*(dвк/dш)=120*1000/0,05=24*105
1.1.2 Определяем переходное числоРейнольдса входного сечения
Reвк==(W1вх*dвх)/( n1'*m1')=(7,8*1)/( 1,694*10-3 *83,7*10-6)=55,1 *106
Reвк> Reпер
1.1.3 Для режимов течения с Re> Reпер коэффициенттрения x определяется по формуле:
x=(1,74+2*lg(rв/dш))-2= (1,74+2*lg(500/0,05))-2=10,5*10-3
1.1.4 Длина коллектора теплоносителя:
lк=lперф. части+lуч.присоед. к патр.=2130+760=2890м
1.1.5 Определяем сопротивление трениявходного коллектора теплоносителя по формуле:
DPT= x*( lк/d)*(1/n1')*( W1''2/2)=
=10,5*10-3 * (2890/1000)*(1/1,694*10-3)*(7,82/2)=0,545 kРа
1.2 Определяем гидравлическоесопротивление выходного коллектора
1.2.1 Переходное число Рейнольдса
Reпер=120*(dвк/dш)=120*1000/0,05=24*105
1.2.2 Определяем переходное числоРейнольдса выходного сечения
Reвых==(W1вых*dвых)/( n1''*m1'')=(6,52*1)/( 1,349*10-3 *92,7 *10-6)=51,3 *106
Reвк> Reпер
1.2.3 Коэффициент трения :
x=(1,74+2*lg(rв/dш))-2= (1,74+2*lg(500/0,05))-2=10,5*10-3
1.2.4 Длина выходного коллектора:
lк=2890 м
1.2.5 Определяем сопротивление трениявыходного коллектора :
DP= x*( lк/d)*(1/n1'')*( W1''2/2)=
=10,5*10-3 * (2890/1000)*(1/1,349*10-3)*(6,522/2)=0,471 kРа
1.3 Определяем гидравлическоесопротивление труб теплопередающей поверхности
1.3.1 Переходное число Рейнольдса
Reпер=120*(dвк/dш)=120*13,2/0,05=0,317*105
1.3.2 Скорость теплоносителя в трубах:
Wтр=G/(fтр*n*r1ср)=
=(19*103)/(3,6*1,33*10-4 *12736*0,799*10-3)=3,7 м/с.
1.3.3 Число Рейнольдса
Reтр=(Wтр*dв)/( n1ср*m1ср)=(3,7*0,013)/( 1,425 *10-3 *88,310-6)=3,88 *105
Reтр> Reпер
1.3.4 Коэффициент трения :
xт=(1,74+2*lg(rв/dш))-2= (1,74+2*lg(6,4/ 0,05))-2=28,2 *10-3
1.3.5 Коэффициент сопротивления входатеплоносителя в трубу определяем по таблице (с.114)
xвх.тр=0,5
1.3.6 Коэффициент сопротивления приповороте теплоносителя на 180° внутри труб:
xпов=0,5
1.3.7 Коэффициент сопротивления выходатеплоносителя из труб:
xпов=1
1.3.8 Суммарный коэффициент местныхсопротивлений:
xсум=xвх.тр+xпов.тр+xвых.тр=2
1.3.9 Суммарный коэффициент сопротивлений труб:
xтр.сум=xсум+xт*rв/dв<sup/>=2+28,2 *10-3*6,6 /0,0132=19,1
1.3.10Гидравлическое сопротивление трубчатки:
DPтр= xтр.сум*(1/n1ср)*(W1тр2/2)=
=19, 1 * 0,799*103*3,72/2=104 kРа
1.4Гидравлическое сопротивление I контура:
DPI=SDPi=0,545 +0,478 +104=105кПа<sub/>
2. Гидравлическое сопротивление 2-гоконтура ПГ.
Гидравлическое сопротивление 2-го контура ПГ DP2, преодолеваемое питательным насосом, складывается изсопротивления жалюзийных сепараторов и выхода пара из ПГ.
Гидравлическое сопротивление пучка труб движениюпароводяной смеси преодолевается напором, создающимся в контуре естественнойциркуляции ПГ.
2.1 Сопротивление выхода питательнойводы из входного патрубка в коллектор питательной воды:
DPвх= xвх.п*r2'*(Wпит2/2)=1,3*0,785 *103*5,42/2=18,9 кПа
Скорость питательной воды определим по формуле:
Wпит=(Д+0,015*Д)* n2'/(0,785*dв2)=
=(383+0,015*383)*1,216 *10-3/(0,785*0,32)=5,4м/с
Где n2' при t2'=225°Cи P2=3,0МПа
2.2 Коэффициент местного сопротивленияпри повороте на 90 питательной воды в трубах раздачи:
xт.раз=0,2
2.2.1Сопротивление, испытываемое потоком питательнойводы при повороте в трубах раздачи питательной воды:
Скорость в трубе раздачи:
W2 раз '=(Д+0,015*Д)*n2'/(0,785*n*dтр2)=
=(383+0,015*383)*1,216 *10-3/(0,785*12*0,082)=7,8м/с
DPтр.разд= xт.раз*r2'*(Wразд2/2)=0,2*7,8 2*1,216*103/2=5,0 кПа
2.3 Сопротивление трубок раздачипитательной воды:
Сопротивление входа: xвх=0,5,
Сопротивление выхода: xвых=1,2,
DPтр.разд= (xвх+xвых)*r2'*(Wразд2/2)=1,7*6,86 2*0,741*103/2=29,64кПа
2.4 Суммарное сопротивление коллекторапит. воды:
DPк.пит = DPвх.п +2*DPт.раз +DPтр.разд=18,9+2*3,99+42=68,8кПа
2.5 Сопротивление жалюзийногосепаратора:
DPсеп =9 кПа.
2.6 Сопротивление выходных патрубковпара:
DPвых.патр= xвых*r2''*(W2''2/2)=0,5*51,62*66,21 2=10,05 кПа
W2''=Д* n2''/(0,785*n*dв2)=
=383*66,2 *10-3/(0,785*10*0,252)=51.6м/с
2.7 Сопротивление коллектора пара (xк.п=1,3):
DPкп= xкп*r2''*(Wкп''2/2)=1,3*55,72*66,2 /2=30,4 кПа
Wкп''=Д* n2''/(0,785*n*dв2)=
=383*66,2 *10-3/(0,785*10*0,582)=55,7м/с
2.8 Сопротивление второго контура ПГ
DPII<sub/> = DPк.пит +DPсеп +DPвых.патр+DPкп=68,8+9+10,05+50,4 =118,2 кПа
3 Определяем мощность главного циркуляционного ипитательного насосов NI и NII .
3.1 Мощность главного циркуляционного насосаопределяем по формуле:
NI =G*DPI /*r1cр*hГЦН,
где h=0,76 — КПД главногоциркуляционного насоса.
NI=19000*105*1,404 *10-3/(3,6*0,76)=1014 кВт
3.2 Мощность питательного насоса определяем поформуле:
NII =1,005*D*DPII /*r2'*hПН,
, где hПН =0,82 — КПД питательного насоса.
NII=1,005*383*118*1,216 *10-3/0,82=67,3 кВт
Библиографический список
1. Рассохин Н.Г.«Парогенераторные установки атомных электростанций» М.:Энергоатомиздат, 1987