2.3. Теплогідравлічний розрахунок

У якості тепловиділяючої збірки прийнята стандартна ТВЗ реактора ВВЕР-440 з шістьма спрямовуючими каналами для поглинаючих стрижнів органа регулювання.

Початкові дані до розрахунку:

Електрична потужність N_ел=35MBт.

Теплова потужність Q = 148МВт.

Температура входу теплоносія t_вх=276 °С.

Температура виходу теплоносія t_вих=314 °С.

Тиск на вході в реактор Р_вх=12,70МПа.

Показник втрати тиску P_втр=0,050МПа.

Тиск на виході із реактора Р_вих=5МПа.

Міжкасетний зазор ₂=1 мм.

Число стрижнів в ТВЗ n_ст=127 шт.

Зовнішній діаметр ТВЕЛ d_тв=6,20мм.

Крок решітки t=0,0134 м.

Кількість концентрованих рядів n_к.р.=7 шт.

Товщина газового зазору ₃ =0 мм.

Діаметр отвору в таблетці d_отв=0 мм.

Внутрішній діаметр оболонки d_вн=0,0078 м.

Кількість дистанційних решіток 7 шт.

Товщина оболонки касети ₁=1мм.

Діаметр центральної труби 22 мм.

Пальне UO₂.

Енегонапруженість q_v=108,7 МВт/м³

Радіус отвору R_отв=0,0 мм.

Радіус паливної таблетки R_пт=5.2мм.

Відносний шаг решітки 1,346

Внутрішній діаметр ТВЕЛа d_вн=5,2мм.

Відношення висоти до діаметра активної зони ψ=1,125

Прототип КЛТ-40

Визначення геометричних характеристик

Визначаємо розмір активної зони:

Об’єм АЗ

V = = 1,36 .

Діаметр і висота АЗ:

D = = 1,155 м;

H = ∙D = 1,300 м;

Крок решітки:

S = t ∙ d = 8,35 мм.

Розмір під ключ:

H = 0,866(m – 1) ∙ 2 ∙ S + + 1,65(S - ) + 2 = 98,52 мм.

З урахуванням між касетного зазору:

= H + = 99,52 мм.

Площа, яку займає касета з урахуванням міжкасетного зазору:

= ∙ 0,866 = 8577 .

Площа активної зони:

= 1,05 .

Число касет:

= = 121 шт.

Що становить:

30 шт. на сектор

Кількість стрижнів в ТВЗ:

З них:

ТВЭЛ=	102шт.
ПЭЛ	12шт.

Зовнішній діаметр паливної таблетки:

_р

_5,2мм.

П лоща яку займає паливо:

2165,1 мм².

Площа оболонки ТВЗ:

345,61мм².

Площа води:

4665,9 мм².

Fh2o/Fuo2=	2,1550602
F1/nтв=	45,7442

Площа конструкційних матеріалів:

1312,8 мм².

Уран-водне співвідношення:

0,46

Площа газу:

dоб.вн.=

5,2

dтабл.=

5,2

Fгаза=

0

Теплогідравлічний розрахунок:

Е нтальпія на вході та виході з АЗ:

1213,3 кДж/кг.

1421,4 кДж/кг.

208,2 кДж/кг.

Витрата теплоносія через АЗ:

710,9 кг/с.

Питомий об'єм на вході та виході

_{0,001303м3/кг. 0,001379 м3/кг.}

0,001454 м³/кг.

Середня швидкість теплоносія:

1,641 м/с.

Е фективна добавка:

0,1034 м.

Величина дорівнює:

2,084

Розділимо АЗ на 7 ділянок з координатою 0 у центрі (максимальне тепловиділення).

Ділянка 7 відповідає параметрам на вході в АЗ, а ділянка 1 – на виході.

Втрати тиску приймаємо рівномірними по висоті та рівними 0,05МПа.

Лінійних тепловий потік по висоті:

3,559 кВт/м.

де: - коефіцієнт нерівномірності (по радіусу)

_{x = 0,96} - частина тепла, яка виділяється при діленні палива в ТВЕЛі

Визначаємо температуру насичення при тиску:

Е нтальпія теплоносія по висоті:

1213,3 кДж/кг.

де K_Δt=1,87 – коефіцієнт запасу

Визначаємо дійсну температуру:

Визначаємо питомий об’єм, динамічну на кінематичну в’язкість, число Прандтля, коефіцієнт теплопровідності.

Швидкість теплоносія з висотою:

1,641 м/с.

Результати занесемо в табл.2.4.

Таблиця 2.4

№	z	bc*z	sinbc*z	cosbc*z	P,мПа	h,кДж/кг	ts , ํC	t, ํC
1	0.650	1.354	0.977	0.215	12.65	1602.6	328.7	328.7
2	0.433	0.903	0.785	0.619	12.66	1564.4	328.8	328.8
3	0.217	0.451	0.436	0.900	12.67	1494.9	328.8	325.5
4	0	0.000	0.000	1.000	12.68	1407.9	328.9	311.8
5	-0.217	-0.451	-0.436	0.900	12.68	1321.0	328.9	296.5
6	-0.433	-0.903	-0.785	0.619	12.69	1251.4	329.0	283.4
7	-0.650	-1.354	-0.977	0.215	12.70	1213.3	329.0	276.0

№	qz ,кВт/м	Vz м^3/кг	Wz ,м/с	4 55		5 55P
1	3.559	0.002428	3.057	3.09E-07	0.4587	1.1677
2	10.269	0.002036	2.563	3.68E-07	0.4717	1.1334
3	14.922	0.001325	1.669	5.66E-07	0.4953	1.0705
4	16.583	0.001442	1.815	1.19E-07	0.5299	0.9318
5	14.922	0.001373	1.729	1.22E-07	0.5605	0.8676
6	10.269	0.001326	1.670	1.25E-07	0.5830	0.8382
7	3.559	0.001303	1.641	1.27E-07	0.5945	0.8283

Визначальним розміром для критеріїв теплообміну являється еквівалентний діаметр:

9,399 мм.

Число Рейнольдса:

158006.

Коефіцієнт тепловіддачі від ТВЕЛу до теплоносія при конвективному теплообміні:

24855 Вт/(м²к).

Термічний опір пограничного слою навколо ТВЕЛів:

0,002067 м²К/кВт.

З овнішня температура оболонки ТВЕЛу на вході:

_310,1.

_{Результати останні}х розрахунків наводимо в табл.2.5:

Таблиця 2.5:

№	Re	Alfa,Вт/м^2К	Ralfa	tzоб.нар, ^оС
1	157754	58433.8	0.00088	331.9
2	157796	112388.8	0.00046	333.5
3	157838	143330.3	0.00036	333.7
4	157880	153736.6	0.00033	331.9
5	157922	143775.7	0.00036	328.9
6	157964	24464.3	0.00210	323.8
7	158006	24854.7	0.00207	310.1

Із результатів видно, що максимальна температура зовнішньої оболонки ТВЕЛу 333,7^оС не перевищує гранично допустиму 370^оС.

Перевищення по температурі насичення 4,820^оС.

Всередині оболонки ТВЕЛу знаходиться гелій під тиском 2 МПа. Коефіцієнт допуску

K_λ=1,44.Визначимо температуру оболочки і палива на вході в активну зону.

Приймаємо орієнтовані значення перепаду температур на оболонці ТВЕЛу 7,9 ^оС.

С ереднє значення температур оболонки складе:

313,7 ํС.

При цій температурі коефіцієнт теплопровідності цирконія буде рівним:

20,07 Вт/мК.

Температурний перепад на оболонці ТВЕЛа в цьому перетині

7,2 ํС.

Отримане значення співпадає з прийнятим з мінімальною погрішністю.

Т емпература на внутрішній поверхні оболонки ТВЕЛу:

317,3 ํС.

Результати зведемо в табл. 2.6.

Таблиця 2.6

№	dtобол	dtобол	tсред об	lamb об	t внут
1	7.1	7.1	335.4	20.16	339.0
2	20.5	20.5	343.7	20.20	354.0
3	29.8	29.8	348.6	20.22	363.4
4	33.1	33.1	348.4	20.22	364.9
5	29.8	29.8	343.8	20.20	358.7
6	20.5	20.5	334.1	20.16	344.4
7	7.2	7.2	313.7	20.07	317.3

Приймаємо орієнтоване значення перепаду температур в газовому зазорі 0,0^оС.

Середнє значення температури гелію:

317,3 ^оС.

Цій температурі відповідає коефіцієнт теплопровідності газової суміші 0,248 Вт/м·К Температурний перепад в газовому зазорі

0,0 ^оС.

Отримане значення співпадає з прийнятим з мінімальною погрішністю.

Т емпература на зовнішній поверхні блоку палива в цьому перетині:

317,3 ^оС.

Результати приведені в таблиці 2.7.

Таблиця 2.7

№	dtгз	dtзаз	tср газ	t K	lamb газ	tнартаб
1	0.0	0.0	339.0	612.1	0.255	339.0
2	0.0	0.0	354.0	627.1	0.259	354.0
3	0.0	0.0	363.4	636.6	0.262	363.4
4	0.0	0.0	364.9	638.1	0.262	364.9
5	0.0	0.0	358.7	631.9	0.260	358.7
6	0.0	0.0	344.4	617.5	0.256	344.4
7	0.0	0.0	317.3	590.4	0.248	317.3

Приймаємо орієнтоване значення перепаду температур в пальному 12,5^оС

Середнє значення температури палива:

323,5^оС.

Коефіцієнт термічного розширення палива визначається з довідкової літератури.

Температурі 323,5^оС відповідає коефіцієнт 0,00*10^-6 1/к

Теплопровідність паливної матриці з табл. 2.1:

32,550 Вт/м∙К.

Т емпературний перепад в пальному:

12,5 ^оС.

Відповідно температура горючого на поверхні отвору рівна:

329,8 ^оС.

Результати приведені в таблиці 2.8.

Таблиця 2.8

№	dt гор	dt гор	tгор ср	lamb гор	tmaxтаб
1	12.4	12.4	345.2	32.808	351.4
2	35.4	35.5	371.7	33.123	389.5
3	51.3	51.3	389.1	33.330	414.8
4	57.0	57.0	393.4	33.382	421.9
5	51.4	51.4	384.4	33.274	410.1
6	35.6	35.7	362.2	33.010	380.0
7	12.5	12.5	323.5	32.550	329.8

Визначення запасу по критичному тепловому навантаженню.

Масовий паровміст:

_-0,2662

де _{h = 1213,3 кДж/кг} - значення ентальпії в локальній точці.

_{h′ = 1519,5кДж/кг} - значення ентальпії при P_Sна лінії води.

_{r = 1150,4кДж/кг} - прихована теплота пароутворення.

Масова швидкість в активній зоні (не змінюється з висотою):

1259,2 кг/м²с.

Допоміжні величини для знаходження q_кр, m та n визначаються так:

0,267;

0,8335.

Тоді критичний тепловий потік:

4,972мВт/м².

Максимальний питомий поверхневий тепловий потік в центрі АЗ:

0,8518 972 мВт/м². являє собою мінімальний коефіцієнт запасу, що означає, що необхідний запас до кризи теплообміну витримується і на останніх ділянках.

У результаті: 3,13.

Результати приведені в табл.2.9.

Таблиця 2.9

№	x	pw	m	n	qкр	Qz,l	к зап	ro
1	0.07452	1259.2	0.161	0.8283	1.800	0.1828	9.85	411.9
2	0.0412	1259.2	0.171	0.8291	1.995	0.5275	3.78	491.2
3	-0.0193	1259.2	0.190	0.8300	2.401	0.7665	3.13	754.6
4	-0.09596	1259.2	0.214	0.8309	3.022	0.8518	3.55	693.7
5	-0.1718	1259.2	0.237	0.8318	3.781	0.7665	4.93	728.4
6	-0.2326	1259.2	0.256	0.8326	4.513	0.5275	8.55	753.9
7	-0.266	1259.2	0.267	0.8335	4.972	0.1828	27.19	767.2

Визначення гідравлічного опору АЗ:

Гідравлічний опір складається з опору на тертя, місцевий опір та опір прискорення.

Середні параметри:

Re = 157880;

W = 2.021 м/c.

P =657,3 кг/м³.

Граничне значення Re:

1052670;

д е

7,55 мм.

Коефіцієнт тертя для переміщення в трубі:

0,0163.

Відносний крок решітки:

1,26> 1,02значить визначаємо а:

2,9401.

Коефіцієнт тертя для пучка стрижнів:

_0,0183

Втрати тиску на тертя:

0,0034 мПа.

Коефіцієнти місцевого опору для вхідної та дистанційної решіток визначаються звуженням потоку в цих решітках. У вхідній решітці потік стискується на 50%, а в дистанційній – на 30%. Звідси:

0,0132 мПа.

Втрати на прискорення:

_{0,00178 мПа.}

Сумарні трати тиску в АЗ:

0,018 мПа.

Отримане значення согласується з наведеним у літературі натиском ГЦН.

Для нейтронно-фізичного розрахунку необхідно значення середньої температури палива та середньої температури на поверхні блоку палива для всього реактора. В проведеному розрахунку ці значення визначенні тільки для найбільш напруженого ТВЕЛу.

В кожному перетині АЗ по висоті визначаємо перепад температури між зовнішньою поверхнею палива та температурою теплоносія, а також між температурою в центрі палива і температурою теплоносія.

Результати розрахунків приведені в таблиці 2.10.

Таблиця 2.10

Z			-0,650	-0,433	-0,217	0	0,217	0,433	0,650
Средняя температура ТН			276,0	280,0	287,2	295,8	304,2	310,6	314,0
Перепад между внешней			30,6	47,7	53,0	51,2	43,9	32,1	18,5
поверхностью блока и ТН
Сред. Температура пов-ти			326,4	343,5	348,8	347,0	339,7	328,0	314,4
блока
Перепад температур			53,8	100,0	123,0	126,1	110,6	78,9	37,4
между центром горючего и ТН
Средняя температура			335,7	369,9	386,9	389,2	377,7	354,3	323,6
центра горючего

335,4 ^оС.

362,5 ^оС.

Середня температура теплоносія дорівнює 295^оС.

Середня температура на поверхні центрального отвору таблетки дорівнює 362^оС.

При питомому об'ємному навантаженні 108,7 МВт/м³ і відношенні висоти до діаметру 1,125 висота активної зони рівна 1,3 м, діаметр – 1,155 м. Максимальна температура зовнішньої поверхні оболонки твела в центральних ТВС рівна 333,7 °С. Максимальна температура в центрі паливного сердечника рівна 421,9 °С. Запас по критичному тепловому навантаженню рівний 3,13.