Расчет гидравлических сопротивлений в активной зоне

Исходными данными для гидравлического расчета разветвленной кольцевой сети являются общая схема гидравлического тракта с указанием отметок уровня, размеры участков тракта, гидравлические характеристики насосов, характеристики теплоносителя, то есть расчет может быть проведен только после конкретизации конструкций элементов активной зоны ЯР.

Целью расчета гидравлических сопротивлений является определение потерь давления в каналах и затрат мощности на прокачку теплоносителя.

Для гидравлических расчетов используются следующие величины, характеризующие поток в каналах: геометрические характеристики канала (площадь сечения, определяющий размер, абсолютная эквивалентная шероховатость и т.д.), скорость и плотность среды. За определяющий размер принимается эквивалентный (гидравлический) диаметр, средняя плотность среды определяется по средней ее температуре в канале на данном участке.

Гидравлические процессы в поверхностях теплообмена отличаются большим разнообразием, обусловленным свойствами и агрегатным состоянием движущихся веществ, конструкционными и геометрическими характеристиками каналов и структурой потока. Основным определяющим фактором является структура потока как однофазного, так и в еще большей степени двухфазного потока. Определяются гидравлические сопротивления в большинстве случаев приближенно, в том числе и для однофазных потоков.

При движении в каналах поток испытывает разнообразные воздействия, из которых наиболее значительным является трение, вызываемое вязкостью среды. В результате возникают потери давления на трение. Каналы могут иметь участки с различными проходными сечениями, с резким переходом от одного размера сечения к другому, повороты, загромождения и др. В этих участках канала поток испытывает сопротивление движению, называемое местным сопротивлением.

При подводе тепла к движущейся среде происходит изменение ее объема, а следовательно, и скорости потока по длине канала. Ускорение потока сопровождается появлением сопротивления движению, которое называют сопротивлением ускорения потока.

В каналах при подъемном движении возникает сопротивление, связанное с подъемом массы на определенную высоту. Это сопротивление называют нивелирным, оно зависит от плотности среды и разности высот (геодезических) конца и начала рассматриваемого участка. При опускном движении эта величина уже не будет сопротивлением, а наоборот, она будет затрачиваться на преодоление сопротивлений.

При расчете гидравлических сопротивлений тракта циркуляции теплоносителя весь контур разбивается условно на n конструктивно одинаковых участков. Для каждого из участков определяются все виды сопротивлений. Полное сопротивление тракта циркуляции равно сумме сопротивлений всех участков.

Па. (10.1)

где Δ р _{тр i} - потери давления на трение;

Δ р _{м i} - потери давления от местных сопротивлений;

Δ р _{уск i} - потери давления от ускорения потока;

Δ р _{нив i} - нивелирные потери давления.

 

Потери давления на трение при продольном омывании труб однофазным потоком обусловлены силами вязкости и определяются по формуле Дарси.

Па, (10.2)

где - коэффициент сопротивления трения;

l, d_э - длина и эквивалентный гидравлический диаметр канала соответственно;

- средняя плотность потока на участке, кг/м³;

- средняя скорость потока на участке, м/с.

Коэффициент сопротивления трения зависит от режима течения теплоносителя, геометрии канала, шероховатости поверхности, наличия или отсутствия подогрева теплоносителя в канале и т.п.

Для ядерных реакторов наиболее характерен развитой турбулентный режим течения с подогревом теплоносителя. В частности, для ТВС с пучками гидравлически гладких стержней, расположенных в треугольной решетке в широком диапазоне относительных шагов t/d=1…10 и при 2ּ10⁴ <Re<5ּ10⁵ можно пользоваться эмпирической формулой Ушакова П.А.

 

(10.3)

где

; (10.4)

t_твэ - шаг решётки твэлов, м;

d_твэ - наружный диаметр твэла, м;

- критерий Рейнольдса;

- коэффициент кинематической вязкости среды, м² /с;

- коэффициент динамической вязкости среды, Нּс/м², Паּс;

d_э - эквивалентный (гидравлический) диаметр канала, м.