парогенератори та теплообмінники АЕС

Методичні вказівки до практичних занять для студентів напрямів підготовки

6.050603 “Атомна енергетика” та 6.050604 “Енергомашинобудування”

(Електронне видання)

Рекомендовано вченою радою теплоенергетичного факультету

Київ НТУУ “КПІ” 2013

Парогенератори та теплообмінники АЕС: Методичні вказівки до практичних занять для студентів напрямів підготовки 6.050603 “Атомна енергетика” та 6.050604 “Енергомашинобудування” / Уклад.: Є.В. Шевель. – К.: НТУУ «КПІ», ТЕФ, каф. АЕС і ІТФ, 2013. – 72с.

Гриф надано вченою радою

теплоенергетичного факультету

Протокол № 7 від 28. 03. 2013 р.

Електронне навчальне видання

ПАРОГЕНЕРАТОРИ ТА ТЕПЛООБМІННИКИ АЕС

Методичні вказівки до практичних занять

для студентів напрямів підготовки

6.050603 “Атомна енергетика” та 6.050604 “Енергомашинобудування”

Укладач: Шевель Євген Вікторович

Відповідальний редактор: Коньшин Валерій Іванович, к. т. н., доц..

Рецензент: Хавін Сергій Олександрович, к. т. н., доцент.

За редакцією укладача

Загальні відомості.

Дані методичні вказівки призначені для самостійної роботи студентів при поглибленому вивченні курсу «Парогенератори та теплообмінники AЕC». Матеріал викладається за основними темами у відповідності з робочою програмою. За кожною темою наведено основні визначення і розрахункові співвідношення. Для більш глибокого вивчення матеріалу студентам рекомендується ознайомитися із зазначеними для кожної теми розділами і главами джерел зі списку рекомендованої літератури. Це сприяє розвитку у студентів навичок роботи з технічною літературою, уміння зіставляти й аналізувати різні точки зору на одну й ту ж проблему. При глибокому засвоєнні матеріалу і вмінні користуватися літературою студент в змозі запропонувати свою систему основних визначень і розрахункових співвідношень з тієї або іншої теми, альтернативної, викладеної в даних методичних вказівках.

Відповідно до кожної теми студенту для самостійного опрацювання пропонуються завдання, які охоплюють три типи парогенераторів до водо-водяних реакторів типу ВВЕР: прямоточний, горизонтальний і вертикальний з природною циркуляцією робочого тіла. У додатку наведені довідкові відомості в обсязі, необхідному для вирішення наданих в даних методичних вказівках завдань. Їх проробка дозволяє студенту отримати поглиблену підготовку до виконання курсового проекту з курсу "Парогенератори та теплообмінники АЕС". При цьому рішення задач доцільно пов’язувати з типом парогенератора. Наприклад, для горизонтального парогенератора послідовність рішення задач за пунктами даних методичних вказівок така: П.1.2.1, П.2.2.1, П.4.2.1, П.5.2.1, П.6.2, П.7.2.2, П.8.2.3.

При організації аудиторної самостійної роботи студентів методичні вказівки забезпечують індивідуальними завданнями студентів академічної групи в об’ємі 18 годин учбового часу. Студенту видається завдання по заданому типу парогенератора з постійним номером варіанта по всіх задачах.

1. Рівняння теплового та матеріального балансу парогенератора АЕС. Теплова діаграма парогенератора

1.1 Основні визначення та розрахункові співвідношення

1.1.1 Теплова потужність парогенератора та окремих його елементів, кВт:

;

;

;

,

де - теплова потужність відповідно економайзерної, випарної, і пароперегрівної ділянок, а також парогенератора, ; - відповідно паропродуктивність парогенератора і величина продувки, ; - ентальпія відповідно живильної води, води і пари на лінії насичення при тиску робочого тіла, перегрітої пари, ; r – теплота пароутворення, .

1.1.2 Витрата теплоносія, кг/с:

,

де - ентальпія теплоносія відповідно на вході і на виході парогенератора, ; - ККД парогенератора, .

1.3.3 Температура робочого тіла на вході в поверхню нагріву (після змішування живильної і парогенераторної води на опускній ділянці контуру природної циркуляції), :

; ,

де - ентальпія робочого тіла на вході в поверхню нагріву, ; - тиск робочого тіла, ; - кратність циркуляції, .

1.1.4. Граничний масовий паровміст при прямоточній течії робочого тіла в середині труб:

;

де – масова швидкість робочого тіла.

- зовнішній діаметр труб поверхні нагріву, м;

- коефіцієнт поверхневого натягу води на лінії насичення, Н/м;

- густина води на лінії насичення, кг/м³.

1.1.5 Теплова потужність ділянок, кВт:

розвиненого кипіння

;

погіршеного теплообміну

.

1.1.6 Температура теплоносія на межі ділянок розвиненого і погіршеного теплообміну

;

де - ентальпія теплоносія, , - його тиск, :

1.1.7 Температура теплоносія, ° C:

· на вході у випарну ділянку

,

· на виході з неї

,

де - тиск на вході у випарну ділянку, МПа;

;

, - ентальпія відповідно на вході в випарну ділянку і виході з неї, кДж/кг

(l, гл. 4, § 4.2, с. 65-71; гл. 11, § 11.2, с. 244-246; с. 341-342;

3, гл.14, §14.4, с. 237-241; 4, гл. 2, § 2.1, с. 39-42; гл. 5,

§ 5.1, с. 166-168; 6, 9, гл. 11 § 11.1, с. 175-181; § 11.2, с. 181-184; § 11.4, с. 189-193)

1.2 Завдання для самостійної роботи

1.2.1 Визначити теплову потужність горизонтального парогенератора, що генерує насичену пару при природній циркуляції робочого тіла, а також теплову потужність окремих його елементів, витрату теплоносія, температуру теплоносія і робочого тіла в опорних точках теплової діаграми парогенератора. Вихідні дані наведені в табл. 1.1.

При вирішенні прийняти: ККД парогенератора = 0,98; кратність циркуляції ; величину продувки = 0,01 D; теплофізичні властивості робочого тіла в стані насичення визначити за табл. П.1, а робочого тіла в рідкому стані і теплоносія - за табл. П.2»

Таблиця 1.1

№ варіанта	D, кг/с	, МПа	,	, МПа	,	,
+				12,5
-				11,5
	+	+	+	+	+	+
	-	+	+	+	+	+
	+	-	+	+	+	+
	-	-	+	+	+	+
	+	+	-	+	+	+
	-	+	-	+	+	+
	+	-	-	+	+	+
	-	-	-	+	+	+

Приклад розв’язку задачі за даними варіанта 8

Теплова потужність:

економайзерної ділянки

;

випарної ділянки:

;

парогенератора

.

Витрата теплоносія

.

Ентальпія робочого тіла на вході в міжтрубний простір поверхні нагріву:

.

Температура робочого тіла на вході у міжтрубний простір поверхні нагріву:

.

Ентальпія теплоносія на виході із випарника

.

Температура теплоносія на виході із випарника

; .

1.2.2 Визначити теплову потужність прямоточного парогенератора з частковим перегрівом пари і його окремих елементів, витрату теплоносія, температуру теплоносія і робочого тіла в опорних точках теплової діаграми. Вихідні дані наведені в табл.1.2.

Таблиця 1.2

№ варіанта	D, кг/с	, МПа	,	,	, МПа	,	,
+
-
	+	+	+	+	+	+	+
	-	+	+	+	+	+	+
	+	-	+	+	+	+	+
	-	-	+	+	+	+	+
	+	+	-	+	+	+	+
	-	+	-	+	+	+	+
	+	-	-	+	+	+	+
	-	-	-	+	+	+	+

Приклад розв’язку задачі за даними варіанта 8

Теплова потужність:

економайзерної ділянки:

;

випарної ділянки

;

пароперегрівної ділянки:

;

парогенератора:

.

Витрата теплоносія

.

Граничний масовий паровміст

.

Теплова потужність:

ділянки розвиненого кипіння

;

ділянки погіршеного теплообміну

.

Ентальпія теплоносія на межі ділянок розвиненого кипіння і погіршеного теплообміну:

.

Температура теплоносія на межі ділянок розвиненого кипіння і погіршеного теплообміну:

; .

Ентальпія теплоносія на вході у випарну ділянку

.

Температура теплоносія на вході у випарну ділянку

; .

Ентальпія теплоносія на виході із випарної ділянки

.

Температура теплоносія на виході із випарної ділянки

; .

1.2.3 Для вертикального парогенератора з природною циркуляцією робочого тіла визначити теплову потужність парогенератора та його окремих елементів, витрату теплоносія, температуру теплоносія і робочого тіла в опорних точках теплової діаграми. Вихідні дані наведені в табл. 1.3.

Таблиця1.3

№ варіанта	D,	,	,	,	,	,
+		6,5
-		5,5
	+	+	+	+	+	+
	-	+	+	+	+	+
	+	-	+	+	+	+
	-	-	+	+	+	+
	+	+	-	+	+	+
	-	+	-	+	+	+
	+	-	-	+	+	+
	-	-	-	+	+	+

Приклад розв’язку задачі за даними варіанта 8

Теплова потужність:

економайзерної ділянки

;

випарної ділянки

;

парогенератора

.

Витрата теплоносія

.

Ентальпія робочого тіла на вході у міжтрубний простір поверхні нагріву

.

Температура робочого тіла на вході у міжтрубний простір поверхні нагріву

; .

Ентальпія теплоносія на виході з випарної ділянки

.

Температура теплоносія на виході з випарної ділянки

; .

2.Теплообмін з боку теплоносія. Теплообмін з боку робочого тіла на випарній ділянці

2.1. Основні визначення і розрахункові співвідношення

2.1.1 Коефіцієнт тепловіддачі з боку теплоносія розраховується за емпіричними залежностями для випадку течії однофазного середовища в трубах, :

,

де - коефіцієнт теплопровідності води, ; , - відповідно зовнішній діаметр і товщина стінки труб поверхні нагріву, м; - число Рейнольдса; Рr - Число Прандтля.

2.1.2. число Рейнольдса

,

де - масова швидкість теплоносія, ; - динамічна в'язкість води, .

2.1.3. Коефіцієнт тепловіддачі з боку робочого тіла на випарній ділянці поверхні нагріву парогенератора АЕС визначається методом поступового наближення, :

(2.1)

де - температура насичення при тиску робочого тіла у випарнику, ;

q - питомий тепловий потік, .

2.1.4. Питомий тепловий потік, :

(2.2)

де - коефіцієнт теплопередачі, ; - температурний напір, , який визначається для фіксованого розрахункового перерізу як різниця температур теплоносія і робочого тіла.

2.1.5. Коефіцієнт теплопередачі, :

(2.3)

де , - термічний опір відповідно стінки труби і плівки оксидів на поверхні труб, .

Необхідність використання ітераційного способу визначення (див. п. 2.1.3) пов'язана з тим, що на першому кроці ітерації невідомо і термічний опір приймають рівним нулю. У наступних ітераційних кроках уточнюються значення питомого теплового потоку, коефіцієнта тепловіддачі з боку робочого тіла і коефіцієнт теплопередачі. Обчислення вважаються закінченими, якщо розбіжність значень питомого теплового потоку, отриманих у двох останніх ітераціях, не перевищує заздалегідь обумовленого відхилення, наприклад 5%:

, (2.4)

2.1.6 Термічний опір стінки труби

,

де - товщина стінки труби, м; - коефіцієнт теплопровідності матеріалу труби, . Так як теплопровідність матеріалу залежить від його температури, то в першому наближенні можна прийняти , де - температура робочого тіла.

2.1.7. Термічний опір оксидних плівок приймається .

[l, гл. 6, § 6.1, с. 102-108; § 6.3, с. 113-118; 2, гл. 7, § 7.2, с. 204-213, 3, гл. 14, §14.1, с. 226-230; § 14.2, с. 230-235; 4, гл. 4, § 4.2, с. 139-144; 6; 9; гл. 4, § 4.2, с. 51-53; гл. 5, с. 63-65]

2.2 Задачі для самостійної роботи

2.2.1 Для горизонтального парогенератора з природною циркуляцією робочого тіла розрахувати коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія до стінки труби в опорних точках теплової діаграми, від стінки труби до робочого тіла на вході і виході випарної ділянки, кількість труб поверхні теплообміну. Вихідні дані наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

№ варіанта	,	,	,		,		,	,
+		12,5				14 1,4	4,5
-		11,5				12 1,2	3,5
	+	+	+		+	+	+
	+	+	+		+	-	+
	-	+	+		+	+	-
	-	+	+		+	-	-
	+	+	+		+	+	+
	+	+	+		+	-	+
	-	+	+		+	+	-
	-	+	+		+	-	-

Приклад розв’язку задачі за даними варіанта 8

У даному випадку слід розглядати три опорні точки теплової діаграми:

1) вхід теплоносія у випарну ділянку (в парогенератор);

2) вхід теплоносія в економайзерну ділянку (вихід з випарної ділянки);

3) вихід теплоносія з економайзерної ділянки (з парогенератора).

Для зазначених перетинів поверхні нагріву за заданим значенням тиску і температури теплоносія визначаються питомий об’єм, динамічна в'язкість, коефіцієнт теплопровідності і число Прандтля:

вхід теплоносія у випарну ділянку ( , ):

;

;

;

;

вхід теплоносія в економайзерну ділянку ( , ):

;

;

;

;

вихід теплоносія з економайзерної ділянки ( , ):

;

;

;

.

Так як масова швидкість теплоносія в силу сталості прохідного перетину залишається постійною по всій довжині труби поверхні нагріву, то її можна розрахувати за відомими значеннями параметрів у вхідному перетині:

Число Рейнольдса в розрахункових перетинах:

на вході теплоносія у випарну ділянку

;

на вході теплоносія в економайзерну ділянку

;

на виході теплоносія з економайзерної ділянки

.

Коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія до стінки труби

на вході теплоносія у випарну ділянку

;

на вході теплоносія в економайзерну ділянку

;

на виході теплоносія з економайзерної ділянки

.

Для визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки труби до робочого тіла необхідно знати коефіцієнт теплопровідності матеріалу труби, що залежить від температури стінки, яка в першому наближенні для розрахункових перерізів:

на вході теплоносія у випарний ділянку:

;

,

де - температура насичення при відомому тиску робочого тіла;

на виході теплоносія з випарної ділянки:

;

.

В якості матеріалу труб поверхні нагріву парогенератора АЕС зазвичай використовується аустенітна сталь XI8HI0T. Тоді згідно табл. П.5 коефіцієнт теплопровідності матеріалу труб:

на вході теплоносія в випарну ділянку

;

на виході теплоносія з випарної ділянки

.

На першому ітераційному кроці (рис. 2.1) коефіцієнт тепловіддачі від труби до киплячого робочого тіла в розрахункових перетинах:

на вході теплоносія в випарну ділянку

;

;

;

на виході теплоносія з випарної ділянки

;

;

.

Результати розрахунку коефіцієнта тепловіддачі від труби до робочого тіла на вході теплоносія і його виході з випарного ділянки при подальших ітераціях наведені в табл.2.2.

Таблиця 2.2

Параметр	Номер ітераційного кроку
Вхід теплоносія у випарну ділянку	Вихід теплоносія з випарної ділянки
;
k,	8,37	7,40	7,33	8,22	6,83	6,67
q,	499,6	441,8	437,6	260,6	216,5	211,4
	1,0	0,13	0,01	1,0	0,20	0,02
;	63,62	58,37	57,98	40,34	35,43	34,84

Як випливає з наведених в табл. 2.2 результатів, умова (2.4) витримується уже на третьому ітераційному кроці. Отже, значення коефіцієнтів тепловіддачі від труби до киплячого робочого тіла в розрахункових перерізах визначаються величинами, отриманими на цьому ітераційному кроці.

Число труб поверхні нагріву при відомих внутрішньому діаметру труб, швидкості і параметрах теплоносія на вході в ці труби, визначиться на підставі рівняння нерозривності струменя:

.

2.2.2 Для вертикального парогенератора з природною циркуляцією робочого тіла, що генерує насичену пару, розрахувати коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія до стінки труби в опорних точках теплової діаграми, від стінки труби до робочого тіла на вході і виході випарної ділянки, кількість труб поверхні теплообміну. Вихідні дані наведені в табл. 2.3.

Таблиця 2.3.

№ варіанта	,	,	,		,		,	,
+	6,5					14 1,4	4,5
-	5,5					12 1,2	3,5
	+	+	+		+	+	+
	+	+	+		+	-	+
	-	+	+		+	+	-
	-	+	+		+	-	-
	+	+	+		+	+	+
	+	+	+		+	-	+
	-	+	+		+	+	-
	-	+	+		+	-	-

3. Основні конструктивні характеристики пучка теплообмінних труб парогенераторів АЕС. Масова швидкість робочого тіла

3.1. Основні визначення та розрахункові співвідношення

Одним з основних режимних параметрів, що визначають інтенсивність конвективного теплообміну при течії однофазних середовищ, є масова швидкість , . Для робочого тіла в економайзерній і перегрівальній ділянках парогенератора АЕС

,

де - паропродуктивність парогенератора, кг/с; - кратність циркуляції; - площа прохідного перетину міжтрубного простору теплообмінного пучка, .

Площа прохідного перетину міжтрубного простору теплообмінного пучка визначається формою поверхні теплообміну і способом введення поверхні теплообміну в корпус парогенератора. Раціональна форма поверхні нагріву вибирається в основному виходячи з двох умов: досягнення найбільшої компактності і запобігання виникнення температурних напружень.

Для зниження температурних напружень, що виникають через істотне розходження температур теплоносія і робочого тіла, використовують або спеціальні компенсатори, або елементи виконують такими, що самокомпенсуються.

Великий вплив на конструктивну схему парогенератора надають способи введення поверхні теплообміну в корпус. Вони бувають: з трубними дошками, зовнішніми колекторами і внутрішньокорпусними колекторами.

Спосіб введення теплообміну в корпус з трубними дошками являє собою найбільш просте конструктивне рішення. Однак його застосування обмежене через температурні напруження, які виникають в трубній дошці від перепаду температур між теплоносієм і робочим тілом. Схема із зовнішніми колекторами здорожує корпус парогенератора, так як передбачає велику кількість вводів і виводів труб через стінку корпусу. Така схема при високих тисках не доцільна. Схема з внутрішньокорпусними колекторами складніше і дорожче, ніж з трубними дошками, але вона значно надійніше.

Площа прохідного перетину міжтрубного простору теплообмінного пучка істотно залежить від розташування поверхні нагріву в корпусі парогенератора.

3.1.1 Прямотрубний пучок з трубними дошками.

Площа прохідного перерізу міжтрубного простору в цьому випадку

,

де - площа трубної дошки, ;

,

- діаметр трубної дошки, м:

,

- кількість труб, розташованих по діагоналям шестикутника, вписаного в коло діаметром ; ,

- крок розташування труб по вершинам рівностороннього трикутника – гексагональна упаковка труб, ;

– кількість труб у пучку, шт.; - зовнішній діаметр труб, .

3.1.2 Вертикальний гвинтовий змійовиковий трубний пучок з внутрішнім колектором.

Для даної конструкції теплообмінного пучка площа прохідного перетину міжтрубного простору, :

,

де - середній діаметр бухти труб міжтрубного простору теплообмінної поверхні нагріву, , ; - кількість шарів навивки, ; - число цих рядів уздовж твірної колектора; - крок між шарами навивки, м, .

Діаметр першого шару змійовиків , , визначиться величиною зовнішнього діаметра колектора , , і лінійними розмірами вузлів приєднання труб до роздавальної і збиральної камер колектора:

.

Діаметр останнього шару змійовиків можна розрахувати на підставі вже відомих величин, м:

.

3.1.3. Внутрішньокорпусний колектор для введення поверхні нагріву.

Внутрішній діаметр колектора для підводу (відводу) теплоносія до труб поверхні нагріву згідно рівнянню нерозривності струменя, м:

.

де - витрата теплоносія, кг/с; – питомий об’єм теплоносія, ; швидкість теплоносія в колекторі, .

Зовнішній діаметр колектора визначиться його внутрішнім діаметром і товщиною стінки колектора , :

.

При відомому внутрішньому діаметрі колектора та обраних кроках отворів в колекторі під труби поверхні нагріву можна визначити число отворів (труб) по периметру колектора, тобто в одному поперечному ряді

і число цих рядів уздовж твірної колектора

,

де - крок труб (отворів) по периметру колектора в поперечному ряді отворів, віднесений до внутрішньої поверхні колектора; - число труб поверхні нагріву.

Розглянутий крок отворів має змінне значення по товщині стінки колектора, яка поступово зростає при переході від внутрішньої до зовнішньої поверхні стінки. Це пов'язано з тим, що отвори свердлять строго по радіусу колектора.

Поряд із зазначеним кроком при формуванні поля отворів вибирається також крок між рядами отворів вздовж твірної колектора , який зберігає, на відміну від , своє числове значення як для внутрішньої, так і для зовнішньої поверхні стінки колектора.

Рекомендовані числові значення і залежать від взаємного розташування отворів: при коридорному розташуванні зазвичай , для шахового розташування можна рекомендувати ; .

При визначенні числа отворів і слід враховувати особливості форми трубного пучка, необхідність дистанціювання труб і т. ін.. Наприклад, при виконанні поверхні нагріву у вигляді вертикального гвинтового змійовикового трубного пучка фактичне число отворів у поперечному ряді по периметру колектора при шаховому їх розташуванні з урахуванням приварки по твірній шести пластин для дистанціювання труб:

.

Для горизонтально розташованого трубного пучка, набраного з U-подібних труб, під’єднаних до роздавального і збирального колекторів (горизонтальний парогенератор до блоку з реактором ВВЕР), необхідно врахувати особливість конструкції, при якій частина периметру колекторів (приблизно 10%) залишається вільною від отворів. У формуванні трубного пучка у вертикальному перерізі парогенератора у цьому випадку приймає участь 50% загального числа труб. З урахуванням вище сказаного, трубний пучок зручно конструювати, приймаючи в розрахунок отвори у поперечному ряді, що приходяться на півпериметр колектора:

;

.

3.2. Задачі для самостійної роботи

3.2.1. Для прямоточного парогенератора з введенням теплообмінних труб за допомогою трубних дощок обчислити основні конструктивні характеристики , , _., , необхідні для розрахунку масової швидкості у міжтрубному просторі, масову швидкість робочого тіла у міжтрубному просторі. Вихідні дані – в табл.3.1.

Приклад рішення задачі за даними варіанта 8

Загальна кількість труб поверхні нагріву:

.

Таблиця 3.1

№ варіанта	,	,
+				4,5	14 1,4
-				3,5	12 1,2
	+	+		+	+	+
	+	+		+	-	-
	+	+		-	+	+
	+	+		-	-	-
	+	+		+	+	+
	+	+		+	-	-
	+	+		-	+	+
	+	+		-	-	-

Число труб, які розташовані по діагоналі шестикутника, вписаного в коло трубної дошки: