Распределение температуры оболочки, топливного сердечника по длине канала

В активную зону теплоноситель с расходом поступает недогретым до температуры насыщения с энтальпией . Насыщенный пар с расходом и энтальпией выходит из реактора на турбину, а отсепарированная вода с энтальпией в количестве возвращается в контур циркуляции, где смешивается с питательной водой и за счет движущего напора естественной циркуляции и работы насоса (если он присутствует в контуре) попадает на вход активной зоны.

Тепловая мощность реактора определяется соотношением

,

при этом связь между расходом пара и циркулирующей воды задается значением массового паросодержания на выходе из активной зоны .

Энтальпия на входе в активную зону с учетом захвата пара в опускной участок определяется следующим соотношением:

.

Коэффициент захвата пара для схем циркуляции с тяговым участком диаметром мм можно рассчитать по формуле

,

где - скорость всплытия паровых пузырьков, м/c; - давление теплоносителя, МПа; , - скорости циркуляции в опускном и тяговом участках, отнесенные к плотности теплоносителя на линии насыщения.

Температура теплоносителя от значения на входе в канал (определяется по энтальпии на входе и давлению) увеличивается на экономайзерном участке в соответствии с полем энерговыделения до значения, равного температуре насыщения (при известном давлении), и далее остается постоянной (при неучете изменения параметров состояния насыщения от давления).

Температура наружной поверхности оболочки твэла в сечении рассчитывается с помощью известного соотношения:

, (22)

где - температура поверхности оболочки; - температура теплоносителя; - плотность теплового потока с поверхности твэла; - коэффициент теплоотдачи.

Принципиальной особенностью расчета теплообмена в парогенерирующем канале является наличие областей с существенно разными механизмами теплопереноса, а значит, и разных соотношений, описывающих эти механизмы. С помощью этих соотношений можно определить такую характеристику, как коэффициент теплоотдачи. Методику расчета рассмотрим на примере известного уже прямоточного парогенерирующего канала (см. рисунок 2).

Коэффициенты теплоотдачи при тепловом расчете данного канала, как правило, рассчитываются для следующих пяти зон:

- зоны конвективного теплообмена однофазной жидкости (от входа в канал до сечения начала кипения );

- зоны пристенного (поверхностного) кипения (от до , где и будем считать, что );

- зоны развитого кипения ( до );

- закризисной зоны (от до сечения, в котором );

- зоны перегрева пара (от сечения с до выхода из канала).

Зона конвективного теплообмена. Расчет числа Нуссельта для пучков твэлов может быть выполнен по следующим формулам.

Для треугольной упаковки твэлов

, (23)

где , - относительный шаг расположения твэлов. Формулу (23) можно использовать при ; ; .

Для квадратной упаковки твэлов (при )

, (24)

где ; - число Нуссельта для круглой трубы диаметром, равным гидравлическому диаметру пучка твэлов.

Зона поверхностного кипения. Коэффициент теплоотдачи при кипении воды, недогретой до температуры насыщения, рассчитывают по следующей формуле:

, (25)

где - вычисляется по формулам конвективного теплообмена для однофазной жидкости, а - формуле для развитого кипения воды в большом объеме.

Температура теплоносителя в первых двух зонах растет в соответствии с рапределением теплового потока от твэлов от температуры на входе до температуры насыщения .

Зона развитого кипения. Коэффициент теплоотдачи для данной зоны рассчитывается по формуле

, (26)

где , - коэффициент теплоотдачи для однофазного потока воды, рассчитанный по скорости циркуляции (формулы 23, 24); - средняя скорость пароводяной смеси; - коэффициент теплоотдачи для развитого кипения воды в большом объеме.

Можно воспользоваться упрощенными формулами (при МПа), которые имеют следующий вид:

при ;

при ; (27)

при .

Коэффициент теплоотдачи при развитом кипении воды в большом объеме рассчитывается по формуле

, (28)

где - плотность теплового потока, Вт/м²; - давление МПа; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

Формулу (28) используют при МПа; МВт/м².

Закризисная зона. В диапазоне от до для расчета числа в пучке стержней можно рекомендовать следующее соотношение:

(29)

где , определяется по формуле

, (30)

где ; - свойства пара при температуре стенки.

Зона перегрева пара. Расчет коэффициента теплоотдачи в этой зоне можно выполнить по формуле

, (31)

где , - плотности пара при температуре стенки и средней температуре пара.

При расчете коэффициентов теплоотдачи в зонах с заметным изменением параметров по их длине целесообразно проводить разбиение зон на отдельные участки, используя в расчетах средние значения плотности теплового потока, относительной энтальпии (и т.п.) в пределах этих зон.

Расчет температурного перепада по оболочке твэла, в зазоре между топливным сердечником и оболочкой, по топливному сердечнику (с центральным отверстием или без него) ведется по обычным хорошо известным соотношениям задач теплопроводности.