Тепловой расчет площади теплопередающей поверхности вертикального парогенератора

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ

1. тепловой расчет ПЛОЩАДИ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА

Уравнение теплового и материального баланса ПГ АЭС. Тепловая диаграмма

Теплообмен со стороны теплоносителя. Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки труб к рабочему телу на испарительном участке

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к рабочему телу на экономайзерном участке

Расчет площади теплопередающей поверхности парогенератора

. КОНСТРУКЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРА

Расчет среднего угла навивки труб поверхности нагрева

Основные конструкционные характеристики пучка теплообменных труб. Массовая скорость рабочего тела

Расчет режимных и конструктивных характеристик ступеней сепарации пара

Диаметры входных и выходных патрубков теплоносителя и рабочего тела

. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПАРОГЕНЕРАТОРА

Расчет толщины камеры подвода теплоносителя к трубам поверхности нагрева

Расчет коллектора

Расчет труб поверхности нагрева

3.4 Расчет толщины обечайки корпуса

. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

 

Производство рабочего пара на АЭС осуществляется или в ядерных реакторах, или в специальных теплообменных установках - парогенераторах.

Парогенераторы АЭС представляет собой единичный теплообменный аппарат или их совокупность. В парогенераторе осуществляется производство рабочего пара с использованием тепла, отводимого из активной зоны реактора охлаждающей средой, направляемой в поверхности нагрева ПГ. Этот агрегат наряду с ядерным реактором и паровой турбиной относится к основному оборудованию двухконтурной паротурбинной АЭС. В первый период развития ядерной энергетики ПГ были установлены и на нескольких одноконтурных АЭС в целях выявления их степени надежности и безопасности.

Основные характеристики ПГ АЭС такие же, как и ПГ ТЭС: паропроизводительность, параметры пара и температура питательной воды. Важным показателем качества пара является его чистота (т. е. содержание примесей), а для насыщенного пара и влажность. В общем случае горизонтальный ПГ состоит из подогревательного (водяной экономайзер) и паропроизводящего (испаритель) элементов. Они могут быть совмещены в едином корпусе или же выполняться в виде самостоятельных теплообменников, включенных по охлаждающей реактор и нагреваемой в ПГ среде. Нагреваемая среда (вода, пароводяная смесь, пар) называется рабочим телом. Охлаждающая реактор среда называется первичным теплоносителем или просто теплоносителем.

По способу организации рабочего тела в испарителе ПГ делятся на две группы: с многократной циркуляцией и прямоточные.

Испарители с многократной циркуляцией в свою очередь разделяются на испарители с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией.

В соответствии с этим и ПГ в целом делятся на три типа: прямоточные, с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией.

Парогенераторы с естественной циркуляцией характеризуются многократным проходом воды через поверхность нагрева испарителя за счет естественного напора, возникающего из-за разности масс столбов жидкости, проходящей через опускную систему, и пароводяной смеси - через подъемную. Испаритель является замкнутым контуром. Все элементы парогенератора должны соответствовать всем критериям прочности, надежности и безопасности при работе. Для замены отработавшего ресурс парогенератора на АЭС.

Главный циркуляционный насос (ГЦН) создает давление теплоносителя, достаточное для преодоления гидравлического сопротивления активной зоны реактора, парогенератора и соединительных трубопроводов, а также не допускающие закипания теплоносителя. После ГЦН теплоноситель нагревается в активной зоне ядерного реактора и подается в парогенератор.

В данном курсовом проекте приведен расчет парогенератора ПГВ-1000.

В результате теплового расчета в первой главе необходимо определить тепловую мощность горизонтального парогенератора, генерирующего насыщенный пар при естественной циркуляции рабочего тела, а также тепловую мощность отдельных его элементов, расход теплоносителя, температуру теплоносителя и рабочего тела и коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы в опорных точках тепловой диаграммы, размеры поверхности нагрева парогенератора.

Во второй главе в результате конструкционного расчета необходимо получить геометрические характеристики корпуса, а также режимные и конструктивные характеристики барботажных и паро-сепарационных устройств парогенераторов АЭС: действительный уровень зеркала испарения, необходимую высоту паровой подушки под погруженным дырчатым листом, шаг отверстий дырчатого листа при расположении отверстий по вершинам квадрата, скорость пара на входе, высоту парового пространства.

В третьей главе прочностного расчёта необходимо найти массу коллектора, толщину стенки центральной обечайки корпуса парогенератора, стенки конического переходного участка коллектора, толщину плоской крышки коллектора. А также толщину стенки эллиптического днища.

В четвёртой главе, гидравлического расчёта, будет найдена мощность ГЦН, необходимую для прокачки теплоносителя.

Расчет толщины камеры подвода теплоносителя к трубам поверхности нагрева (Рис. 3.1)

Рисунок 3.1 - Перфорированная часть камеры подвода теплоносителя

 

Принимаем внутренний диаметр коллектора d =0,93 м

Материал камеры - Сталь 10ГН2МФА

Расположение отверстий под трубы в камере - шахматное

Шаг труб (отверстий) по периметру коллектора в поперечном ряде отверстий, отнесенный к внутренней поверхности коллектора [3];

 

(S₁) =1.5·d_н =1.5·16·10^-3=0.024 м

S_2k = 2·d_н = 2·16 ·10^-3=0.032 м

 

Расчёт выполняется при S_1k = 0.5·(d_н ^к+d _вн^к)

Диаметр отверстий под трубы d₀ = d_н + 0.2мм = 16 + 0.2 = 16.2мм

Длина камеры, не занятая сверлениями под трубы a = 0.7м

Число труб поверхности нагрева n = 10562шт

Число труб в одном поперечном ряду n_1к = 122 шт

Число поперечных рядов n_2к = 90 шт

Коллектор должен быть рассчитан на давление Р₁’=17 МПа, что соответствует

Р_р=1.25×0.9×0.102 Р₁’= 1,95 кгс/мм² и температуру t₁’=320 C, которой отвечает номинальное допустимое напряжение [s_н] =23,6 кгс/мм²

Коэффициенты прочности для ослабляющих рядов отверстий

Поперечного направления

 

(3.1)

Продольного направления

 

(3.2)

Косого направления

 

(3.3)

 

где m = S_1k / S_2k - отношение шагов отверстий соответственно в поперечном и продольном направлении

n = 2 при шахматном расположении отверстий (n = 1 при коридорном)

Итерация 1

S_1k= (S₁) =1.5·d_н =1.5·16·10^-3=0.024 м

 

По (3.1) находим

 

 

По (3.2) находим

 

 

По (3.3) находим

 

m = S_1k / S_2k =1.5 / 2 = 0.75

 

Значит j_min = 0.2

Толщина стенки камеры

 

(3.4)

 

По (3.4) находим

 

мм

Для следующей итерации

 

(3.5)

 

Из (3.5) находим

 

мм

 

Итерация 2

S_1k= 30 мм

По (3.1) находим

 

 

По (3.2) находим

По (3.3) находим

 

m = S_1k / S_2k =30 / 32= 0.938

 

Значит j_min = 0.286

По (3.4) находим

мм

 

Из (3.5) находим S_1k для следующей итерации

 

мм

 

Итерация 3

S_1k= 28 мм

По (3.1) находим

 

 

По (3.2) находим

По (3.3) находим

 

m = S_1k / S_2k =28 / 32 = 0.875

 

Значит j_min = 0.254

По (3.4) находим

 

мм

Из (3.5) находим S_1k для следующей итерации

 

мм

 

Итерация 4

S_1k= 28,6 мм

По (3.1) находим

 

 

По (3.2) находим

По (3.3) находим

 

m = S_1k / S_2k =28,6 / 32 = 0.894

 

Значит j_min = 0.182

По (3.4) находим

 

мм

 

Из (3.5) находим S_1k для следующей итерации

мм

 

Итерация 5

S_1k= 28,7 мм

По (3.1) находим

 

 

По (3.2) находим

По (3.3) находим

 

m = S_1k / S_2k =28,7 / 32 = 0.897

 

Значит j_min = 0.255

По (3.4) находим

 

мм

 

Из (3.5) находим S_1k для следующей итерации

 

мм

Итерация 6

S_1k= 28,6 мм

По (3.1) находим

 

 

По (3.2) находим

По (3.3) находим

 

m = S_1k / S_2k =28,6 / 32 = 0.894

 

Значит j_min = 0.2607

По (3.4) находим

 

мм

 

Результаты итерационного расчёта d_кол приведены в таблице 3.1.

 

	1	2	3	4	5	6
S1k, мм	24	30	28	28,6	28,7	28,6
j1	0.65	0.92	0.84	0.867	0.871	0.867
j2	0.49	0.49	0.49	0.49	0.49	0.49
j3	0.2	0.286	0.257	0.253	0.255	0.253
dкол,мм	242	157	178	182	179,8	182

Таблица 3.1 - Результаты итерационного расчёта d_кол

По результатам таблицы 2 принимаю d_кол = 182 мм = 0.182 м

Масса камеры теплоносителя:

 

 

Расчет коллектора

 

Материал коллектора Сталь-10ГН2МФА, плакированная со стороны, омываемой ТН, сталью 10Х18Н10Т.

Коллектор должен быть рассчитан на давление Р₁’=17 МПа, что соответствует Р_р=1.25×0.9×0.102 Р₁’= 1.95 кгс/мм² и температуру t₁’=320C, которой отвечает номинальное допустимое напряжение [s_н] =23,6кгс/мм²

Внутренний диаметр коллектора d =0,93 м

Камера теплоносителя. Материал - ст.10ГН2МФА.

Наружный и внутренний диаметр камер:

 

d_н.к.=0,93+2·0.182=1.294 м, d_в.к.=0,93 м.

 

Высота камер:

 

h_k=h_k,111p+2^.0.35=1,05+0,7=1,75.

 

Соединительная обечайка (Рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Соединительная обечайка

 

Коэф. прочности для труб j = 1 т.к нет ослабляющих отверстий.

 

мм

 

Наружный диаметр:

 

d_{н СО} = d_{в СО}+2^.d_СО =0,93+2^.0,0401= 1,01 м

 

Высота обечайки:

 

h_CO=h₁₁^н-2^.0.35=4,07-0.7=3,37м

 

Наружная обечайка коллектора (Рис. 3.3).

 

Рисунок 3.3 - Наружная обечайка

d_в.НО =d_в.к.=0,93 м

мм

 

Принимаем мм

h_НO=3,5 м

Эллиптическая крышка (Рис 3.4).

 

Рисунок 3.4 - Эллиптическая крышка

 

Внутренний диаметр днища:

 

 

Толщина днища:

 

 

где Н_д - высота днища,

 

;

[σ_н] = 23,6 кгс/мм²;

φ - коэффициент прочности днища. Поскольку нету ослабляющих отверстий, то φ = 1.

Получим:

 

 

Разделительная обечайка (Рис 3.5):

 

Рисунок 3.5 - Разделительная обечайка

 

Внутренний диаметр рассчитывается из условия равенства площадей каналов кольцевого и круглого сечений:

 

 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

Основной задачей гидравлического расчета является определение потерь давления в каналах и затрат на прокачку теплоносителя.

Расчет начинается с определения необходимых геометрических характеристик четырех участков тракта теплоносителя (рис. 4.1):

.Разделительная обечайка

.Соединительная обечайка с раздающей камерой

.Трубы теплообменного пучка

.Собирающая камера с кольцевым каналом

 

 - направление движения теплоносителя

Рисунок 4.1 - Участки тракта теплоносителя гидравлического расчета

 

Определим длину камеры теплоносителя

 

 

Длина камеры теплоносителя,не занятой полем отверстий 0.7 м

Длина первого участка:

 

 

Длину кольцевого канала примем 3 м

 

 

Длина второго участка

 

 

Длину соединительной обечайки с раздающей и собирающей камерами теплоносителя примем 10 м

 

 

Длина третьего участка

 

 

Длина четвертого участка

 

 

В качестве гидравлического диаметра на всех расчетных участках,за исключением четвертого,принимаютя внутренние диаметры соответственно разделительной обечайки,соединительной обечайки с камерой теплоносителя и теплообменных труб [2]:

 

Исходя из заданного соотношения площадей проходного сечения кольцевого канала и разделительной обечайки

 

 

Тогда гидравлический диаметр четвертого расчетного участка

 

 

Коэффициенты трения на расчетных участках:

 

 

Шероховатость на всех учатсках, кроме третьего(

 

 

Местные сопротивления на первом участке представланы резким поворотом потока на 90⁰ и внезапным расширением проходного сечения при потока из разделительной обечайки в соединительную

 

 

На втором участке местные сопротивления отсутствуют

На третьем участке местные сопротивления представлены входом в трубу, выходом из нее в камеру и плавными поворотами

 

 

Местные сопротивления четвертого участка включают в себя только резкий потока теплоносителя при ві ходе из ПГ

 

 

Массовые скорости теплоносителя на участках

 

 

Гидравлические сопротивления расчетных участков

 

 

 

Гидравлическое сопротивление ПГ по тракту теплоносителя

 

 

Мощность ГЦН,затрачиваемая на прокачку теплоносителя через ПГ

 

Таблица результатов

Обозначение	Значение		Размерность
Тепловая мощность Qэк	159380.2		кВт
Qисп	627381.6		кВт
Расход теплоносителя Gтн	3720.62		кг/с
Энтал. на выходе из испарительного участка i’’1u	1276.26		кДж/кг
t’’1u	288.63		^0C
wr1	2737.48		кг/м^2с
Вход теплоносителя в испарительный участок
Re	431582.4
a1	26.87		кВт/м^2К
5t	39.14		^0C
tcт	293.91		^0C
к	6.37		кВт/м^2К
q	249.32		кВт/м^2
a2	49.86		кВт/м^2К
Выход теплоносителя из испарительного участка
5t	7.77		^0C
tcт	283.45		^0C
к	4.69		кВт/м^2К
q	36.4		кВт/м^2
a2	12.97		кВт/м^2К
Вход теплоносителя в экономайзерный участок
Re	104728
a1	12.34		кВт/м^2К
Выход теплоносителя из экономайзерного участка
Re	556759
a1	4.68		кВт/м^2К
Сепорация пара
Жалюзийные сепораторы
Nокр	8		шт
hж	0.417		м
Sокр	0.203		м
Циклоные сепораторы
Nc	143		шт
m	7		шт
Dвн^верх.об.	4.56		м
Прочностной расчет
Коллектор
dкол	0.182		м
j1	0.867
j2	0.49
j3	0.253
S1k	0.0286		м
dн.к.	1.284		м
dв.к.= dв.но	0.93		м
hk	1.75		м
dco	0.0401		м
dн.co.	1.01		м
hco	3.37		м
hнo	3.5		м
Гидравлический расчет
5 Р		кПа
N		4111	кВт

ВЫВОДЫ

 

Целью курсового проекта являлся расчет вертикального парогенератора с витой поверхностью нагрева и естестрвенной циркуляцией рабочего тела.

. При тепловом расчете площади теплопередающей поверхности вертикального парогенератора были определены коефициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы, а также от стенки трубы к рабочему телу на испарительном и экономайзерном участке, которые соответственно равны:

Вход теплоносителя в испарительный участок a₁ = 26.87 кВт/(м^2.К)

Вход теплоносителя в экономайзерный участок a₁ = 12.34кВт/(м^2.К)

Выход теплоносителя из экономайзерного участока a₁ = 4.68 кВт/(м^2.К)

. Основной целью конструкционного расчета парогенератора было определение среднего угла навивки труб поверхности нагрева, который составил b = 24.31 ^о

Также были определены основные кострукционные характеристики пучка теплообменных труб:

Число труб поверхности нагрева n = 10562

Число слоёв навивки трубного пучка N_сл = 45

Диаметр 1-го слоя d_1сл = 1.488 м

Диаметр последнего слоя d_mсл = 3.6 м

Массовая скорость рабочего тела в межтрубном пространстве Wr =652 кг/(м^2.с)

. Был прочностной расчет элементов парагенератора, в котором определили толщины камер подвода теплоносителя к трубам поверхности нагрева, а также расчет коллектора, толщин обичаек корпуса.

Результаты вышеуказанных расчетов приведены в таблице результатов.

. Гидравлический расчет был выполнен с целью определения мощности ГЦН, затрачиваемой на прокачку теплоносителя через парогенератор N = 4111 кВт.

Графическая часть проекта, состоящая из двух чертежей:

- основной вид вертикального парогенератора;

-   деталировка.

Основные определяющие размеры, приведенные на чертежах являются результатами расчетов пояснительной записки.

ПЕРЕЧЕНЬ СС ЫЛОК

 

1. Рассохин Н.Г. Парогенераторные установки атомных электростанций: Учебник для вузов. - 3-е изд.,перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1987. - 384с.

. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании: Учебное пособие для вузов. - 3-е изд. испр. -М.: Высш. Шк., 1986. -448с.

3. Расчет на прочность деталей парогенераторов АЭС: Методические указания к проекту по дисциплине “Парогенераторы атомных электростанций” для студентов специальности 0520 “Парогенераторостроение” / Сост. В.К.Щербаков,Я.В.Ященко - К.: КПИ, 1986. - 28с.

.   Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине “Парогенераторы АЭС” для студентов специальности “Атомные электрические станции” / Сост. В.П.Рожалин. -.: КПИ, 1990. - 80с.

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ

1. тепловой расчет ПЛОЩАДИ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА

Уравнение теплового и материального баланса ПГ АЭС. Тепловая диаграмма

Теплообмен со стороны теплоносителя. Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки труб к рабочему телу на испарительном участке

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к рабочему телу на экономайзерном участке

Расчет площади теплопередающей поверхности парогенератора

. КОНСТРУКЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРА

Расчет среднего угла навивки труб поверхности нагрева

Основные конструкционные характеристики пучка теплообменных труб. Массовая скорость рабочего тела

Расчет режимных и конструктивных характеристик ступеней сепарации пара

Диаметры входных и выходных патрубков теплоносителя и рабочего тела

. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПАРОГЕНЕРАТОРА

Расчет толщины камеры подвода теплоносителя к трубам поверхности нагрева

Расчет коллектора

Расчет труб поверхности нагрева

3.4 Расчет толщины обечайки корпуса

. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

 

Производство рабочего пара на АЭС осуществляется или в ядерных реакторах, или в специальных теплообменных установках - парогенераторах.

Парогенераторы АЭС представляет собой единичный теплообменный аппарат или их совокупность. В парогенераторе осуществляется производство рабочего пара с использованием тепла, отводимого из активной зоны реактора охлаждающей средой, направляемой в поверхности нагрева ПГ. Этот агрегат наряду с ядерным реактором и паровой турбиной относится к основному оборудованию двухконтурной паротурбинной АЭС. В первый период развития ядерной энергетики ПГ были установлены и на нескольких одноконтурных АЭС в целях выявления их степени надежности и безопасности.

Основные характеристики ПГ АЭС такие же, как и ПГ ТЭС: паропроизводительность, параметры пара и температура питательной воды. Важным показателем качества пара является его чистота (т. е. содержание примесей), а для насыщенного пара и влажность. В общем случае горизонтальный ПГ состоит из подогревательного (водяной экономайзер) и паропроизводящего (испаритель) элементов. Они могут быть совмещены в едином корпусе или же выполняться в виде самостоятельных теплообменников, включенных по охлаждающей реактор и нагреваемой в ПГ среде. Нагреваемая среда (вода, пароводяная смесь, пар) называется рабочим телом. Охлаждающая реактор среда называется первичным теплоносителем или просто теплоносителем.

По способу организации рабочего тела в испарителе ПГ делятся на две группы: с многократной циркуляцией и прямоточные.

Испарители с многократной циркуляцией в свою очередь разделяются на испарители с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией.

В соответствии с этим и ПГ в целом делятся на три типа: прямоточные, с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией.

Парогенераторы с естественной циркуляцией характеризуются многократным проходом воды через поверхность нагрева испарителя за счет естественного напора, возникающего из-за разности масс столбов жидкости, проходящей через опускную систему, и пароводяной смеси - через подъемную. Испаритель является замкнутым контуром. Все элементы парогенератора должны соответствовать всем критериям прочности, надежности и безопасности при работе. Для замены отработавшего ресурс парогенератора на АЭС.

Главный циркуляционный насос (ГЦН) создает давление теплоносителя, достаточное для преодоления гидравлического сопротивления активной зоны реактора, парогенератора и соединительных трубопроводов, а также не допускающие закипания теплоносителя. После ГЦН теплоноситель нагревается в активной зоне ядерного реактора и подается в парогенератор.

В данном курсовом проекте приведен расчет парогенератора ПГВ-1000.

В результате теплового расчета в первой главе необходимо определить тепловую мощность горизонтального парогенератора, генерирующего насыщенный пар при естественной циркуляции рабочего тела, а также тепловую мощность отдельных его элементов, расход теплоносителя, температуру теплоносителя и рабочего тела и коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы в опорных точках тепловой диаграммы, размеры поверхности нагрева парогенератора.

Во второй главе в результате конструкционного расчета необходимо получить геометрические характеристики корпуса, а также режимные и конструктивные характеристики барботажных и паро-сепарационных устройств парогенераторов АЭС: действительный уровень зеркала испарения, необходимую высоту паровой подушки под погруженным дырчатым листом, шаг отверстий дырчатого листа при расположении отверстий по вершинам квадрата, скорость пара на входе, высоту парового пространства.

В третьей главе прочностного расчёта необходимо найти массу коллектора, толщину стенки центральной обечайки корпуса парогенератора, стенки конического переходного участка коллектора, толщину плоской крышки коллектора. А также толщину стенки эллиптического днища.

В четвёртой главе, гидравлического расчёта, будет найдена мощность ГЦН, необходимую для прокачки теплоносителя.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА