Расчет парогенератора АЭС

1. Исходные данные. 

 № Наименование  Значение  Величина
 1  Тепловая  мощность
 700  МВт
 2  По натр. Контуру принудительная

 циркуляция

      
 3  Давление  пара за ПГ  13,7  МПа
 4  Температура теплоносителя 2 контура

 входная

 510  оС
 5  Температура теплоносителя 2 контура

 выходная 

  320  оС
 6  Температура питательной воды
 240  оС
 7  Температура перегретого пара
 490  оС
 8 КПД парогенератора
 99  %

 

      Дополнительные  условия: 

Характер движения теплоносителя и рабочего тела:

  • теплоноситель движется в межтрубном пространстве
  • рабочее тело движется в трубном пространстве
  • прямоточная схема генерации пара с перегревом
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Предварительный  расчёт. 

1.1 Тепловая мощность ПГ; расход теплоносителя и рабочего тела.

Запишем уравнение теплового  баланса: 

 

Здесь: – расход через экономайзер.

      – расход через испаритель.

      – расход через перегреватель.

       - расход теплоносителя. 

       - теплоёмкость теплоносителя.

       – энтальпия воды на линии насыщения.

       - энтальпия пара на линии насыщения.

       – энтальпия перегретого пара.

       – энтальпия питательной воды. 

Необходимые значения энтальпий определяем из таблиц:

 оС  (При давлении =13,7 МПа)                                                   

=   (При ) 

= (При )                 

= (При давлении =13,7 МПа и = 490 оС)

= (При температуре =13,7 МПа и =240 оС)   

Определяем  расход теплоносителя  по второму контуру:

Т.к. мы имеем прямоточный  ПГ, то расходы через  экономайзерный, испарительный и перегревательный участки будут равны: Dэк = Dисп = Dпп =D 

Тепловая  мощность экономайзера:  = = Вт

Тепловая  мощность испарителя:  = Вт

Тепловая  мощность перегревателя: = Вт 
 

1.2 Построение  Q–T диаграммы ПГ. 

Определим  температуру натрия на выходе из испарительного и перегревательного участков:  
 
 

                                                     
 
 

1.3 Выбор материала, толщины и диаметра труб теплопередающей

поверхности, материала корпуса и коллектора теплоносителя. 

Выбираем  следующие марки  стали:

– для труб теплопередающей поверхности – 15ХМ

– для элементов  корпуса – 10ГН2МФА. 

Наружный  диаметр трубок ПГ: =16 мм  

Толщину стенок труб теплопередающей  поверхности рассчитываем по формуле:

                                                                                            

Здесь  – расчётное давление, .

– наружный диаметр трубки, мм.

– минимальный коэффициент прочности  элемента, ослабленного отверстием или сварным швом.

– номинальное допускаемое напряжение, .

 – прибавка к расчётной  толщине, мм.

МПа = 1,57                      

   Для расчёта номинального допускаемого напряжения необходимо знать температуру стенки трубы во входном (по теплоносителю) сечении .

   В первом приближении можно принять оС.

При оС для стали 15ХМ

  

   Коэффициент прочности для труб =1.

   Отсюда

   Прибавка к толщине на минусовый допуск мм

   Прибавка на утонение стенки за счёт коррозии =0

   Необходимое утолщение стенки по технологическим, монтажным и другим соображениям проектирующих или изготавливающих предприятий  =0

   Прибавка на утонение стенки изогнутой части трубы =0

  

   Итак, =0,16389мм.

   Окончательно толщина стенки равна мм.

Внутренний  диаметр трубки:  
 
 
 
 

1.4 Проверка ранее принятых температур стенки. 

 При расчёте толщины стенки труб теплопередающей поверхности для определения номинального допускаемого напряжения температура стенки принималась равной:    оС.

 Расчётное значение температуры стенки в этом сечении  будет равно:

 

 оС.

Отношение , что допустимо при расчёте . 
 

 

1.5 Расчёт числа трубок теплопередающей поверхности, площади проходного сечения трубного и межтрубного пространства. 

Проходное сечение одной трубки: 

Зададимся скоростью рабочего тела на входе: =1

Суммарная площадь проходного сечения трубок:

Число трубок ТО поверхности:

Трубки на трубной  доске будем располагать по сторонам правильных шестиугольников с относительным  шагом  .

Число труб в модуле, на диагонали модуля и число модулей:

, где =1,137

Выберем число труб на диагонали  =35 и найдём :

919 трубок

 трубок

модуля

Внутренний  диаметр корпуса:

Площадь межтрубного пространства:

Тогда скорость движения Na:

Скорость  движения воды на входе:

, что приблизительно равно заданной. 
 
 
 
 
 
 
 

1.6 Расчёт кризиса теплообмена. 

Кризис  теплообмена – это ухудшение теплообмена за счёт оттеснения воды от стенок канала паровой фазой, характеризуется граничным паросодержанием, которое выражается формулой:

граничное паросодержание, для  трубки диаметром  . 

граничное паросодержание, для  трубки диаметром  .

рабочее давление

 

 

Так как  , где , то в рассчитанном парогенераторе присутствует закризисная зона и кризис теплообмена. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тепловой  расчет различных  участков парогенератора. 

Расчет  экономайзерного  участка.

Теплоотдача от натрия к стенке.

Коффицент теплопередачи: , где =0,0134 мм

Определяем среднюю  температуру натрия на экономайзерном участке:

По таблице теплофизических свойств натрия определяем параметры натрия при данной температуре:

(Динамическая вязкость)

(Кинематическая вязкость)

Определяем  среднюю скорость на участке по теплоносителю:

Определяем  число Рейнольдса для натрия на экономайзером  участке: 

Число Пекле на экономайзерном участке:

Число Нуссельта будем  определять по рекомендованной  формуле для натрия, протекающего в межтрубном пространстве:

Коэффициент теплоотдачи  от натрия к стенке на экономайзерном участке будет равен:

Для рабочего тела:

Теплоотдача от стенки к воде. 

По таблице  теплофизических св – в воды и  водяного пара определяем температуру насыщения воды в третьем контуре, при известном давлении:

Определяем среднюю  температуру воды на экономайзерном участке:

По таблице  теплофизических свойств в воды и водяного пара определяем теплофизические свойства воды:

Определим среднюю  скорость на участке:

 

Для нахождения коэффициента теплоотдачи от стенки  воде воспользуемся рекомендованной для расчета формулой Михеева:

 

Теплоотдача от натрия к воде.

Находим среднюю  температуру стенки трубки:

По таблице  физ. св – в сталей определяем коэффициент теплопроводности для стали 15ХМ:

А так как  отношение внешнего диаметра к внутреннему  , меньше 2, то термическое сопротивление стенки трубки рассчитывается:

Коэффициент теплопередачи от натрия к воде, будет равен:

 

Геометрия экономайзерного  участка.

Определяем разность между температурой выхода натрия и  температурой входа воды на экономайзерном участке (большая разница температур):

Малая разница температур будет определяться как разность между температурой натрия на экономайзерном участке и температурой воды на линии насыщения:

Средне логарифмический  температурный напор:

Общая площадь  экономайзерного участка:

 
 

Средний диаметр  трубки по которой протекает натрий:

 
 

Общая длина  трубок экономайзерного участка:

 

Расчет  испарительного участка. 

Определим мощность участка с развитым пузырьковым кипением:

 Определим мощность участка с ухудшенной теплоотдачей:

Температура натрия в точке XГР:

 

Зона  развитого кипения  : 

Теплоотдача от натрия к стенке: 

X=0,

По таблице  найдём теплофизические свойства Натрия:

 

Число Рейнольдца для натрия по испарительному участку: 

Число Нуссельта  определяем по следующей формуле:

Коэффицент теплообмена  от натрия к стенке:

 
 
 
 

Точка   X=XГР, t=tГР=402,0120С 

По таблице  найдём теплофизические свойства Натрия

Число Рейнольдца для натрия по испарительному участку:

Число Нуссельта  определяем по следующей формуле: 

Коэффицент теплообмена  от натрия к стенке в граничной  точке:

 

Теплоотдача от стенки к воде: 

Расчет коэффициентов  теплоотдачи будет производиться  без учета отложений примесей воды на стенках трубок. 

X=0, t=3350C,

Коэффициент теплоотдачи  от стенки трубы к воде продольно  обтекающий пучек труб рассчитывается по формуле:

Тепловой поток:

- температурный напор на стенку трубы.

Нахождение коэффициента теплоотдачи от стенки к воде производится методом последовательных этераций, первоначально  принимается 0.

В выражении  для теплового потока коэффициент  принимаем равным 0.75. 

Итерация 1.

Итерация 2.

 

 
 
 

Итерация 3.

 

 
 

Итак, коэффициент  теплоотдачи   
 

X=XГР

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к  воде в точке Х=Хгр зоны развитого кипения испарительного участка будем проводить аналогичным образом при помощи итераций, по формуле:

где WCM – приведенная скорость пароводяной смеси, αП – коэффициент теплопередачи, рассчитаный по формуле:

где αW – коэффициент теплопередачи к воде, взятый на линии насыщения, αК – коэффициент теплопередачи, рассчитываемый по формуле для точке Х=0.

По  и давлению находим теплофизические свойства воды и водяного пара:

Плотность насыщенного  водяного пара:

Скорость циркуляции воды:

 
 
 

Число Рейнольдса для воды на испарительном участке:

Коэффициент теплоотдачи  к воде при температуре насыщения рассчитывается по формуле Михеева:

Приведенная скорость пароводяной среды:

Температурный напор на стенку трубы в точке  ХГР будет равен:

В выражении  для теплового потока принимаем коэффициент, равный 0,85. 
 
 
 
 
 
 

Итерация 1.

 

Итерация 2.

 
 
 
 
 
 

Итерация 3.

 

Итерация 4.

 

Итак, за коэффициент  теплоотдачи принимаем 

Теплоотдачи от натрия к воде X=0:

X=Xгр:

 остановился

 

Геометрия области развитого кипения.

Определяем разность между температурой выхода натрия и температурой входа

Разница между  температурой входа натрия и температурой выхода воды

Малая разница:

Средне логарифмический  температурный напор:

Общая площадь теплообмена зоны развитого кипения:

 

Общая длина  трубок зоны развитого кипения испарительного участка:

 
 

Закризисная область теплообмена:

Теплоотдача от натрия к стенке:

Средняя температура натрия на испарительном участке закризисной области:

 

По таблице  найдём теплофизические свойства Натрия:

 
 

Число Рейнольдца для натрия по испарительному участку: 

Число Нуссельта  определяем по следующей формуле:

Коэффицент теплообмена  от натрия к стенке:

 
 

Теплоотдача от стенки к воде: 

Точка   X=1

Число Нуссельта  рассчитывается по формуле:

 

отношение среднего коэффициента теплоотдачи  в пучке к коэффициенту теплоотдачи  в пучке 

 

По таблице  найдём теплофизические свойства Натрия

Число Рейнольдца для натрия по испарительному участку:

Число Нуссельта: 

Число Нуссельта  для пара в закризисной области:

Коэффициент теплообмена  от стенки трубы к воде обтекающей пучек труб: 

 
 
 
 
 

Теплоотдача от натрия к воде:

 

Коэффициента  теплоотдачи от натрия по всей закризисной  области:

 

Геометрия закризисной области испарительного участка.

Определяем разность между температурой выхода натрия и  температурой входа 

Разница между  температурой входа натрия и температурой выхода воды

Малая разница:

Средне логарифмический  температурный напор:

Общая площадь  теплообмена зоны развитого кипения:

 

Общая длина  трубок зоны развитого кипения испарительного участка:

 

Геометрия всего  испарительного участка:

Общая площадь  теплообмена

Общая длина  испарительного участка:

 
 

Пароперегреватель: 

Средняя температура натрия в пароперегревательном участке: 

По  таблице определяем теплофизические  свойства натрия: 

Число Рейнольдса в пароперегревателе: 

 

Число Пекле: 

 
 

Число Нуссельта для  натрия в пароперегревателе:

 

Коэффициент теплоотдачи от натрия к стенке в пароперегревателе:

Теплоотдача от стеки к воде:

Средняя температура водяного пара на пароперегревательном участке: 

 

По  таблице определяем теплофизические  свойства пара: 

Расчет парогенератора АЭС