 |
активная зона; 2 – испарительный канал; 3 – барабан-сепаратор; 4 – циркуляционный насос.
|
|
|
|
Для кипящих канальных реакторов с многократной принудительной циркуляцией теплоносителя, допустимое значение массового паросодержания 
на выходе из каналов лежит в пределах 14-20% (для реакторов РБМК-1500 с интенсификаторами теплообмена 
).
Массовое паросодержание представляет собой величину, обратную кратности циркуляции 
:
. (4)
Например, при 
.
Определив тепловую мощность реактора и задавшись величиной 
, исходя из диапазона, характерного для данного типа реакторов (таблица), находится объем активной зоны по (2). Далее, задавшись конструкцией активной зоны, формой и шагом решетки, определяют размеры и количество параллельных каналов (). Расчет теплогидравлических параметров ведется на твэл средней нагрузки активной зоны и наиболее нагруженный твэл.
На рис. 2. показано качественное изменение основных теплогидравлических параметров по высоте испарительного канала.
Энерговыделение по высоте канала 
можно считать симметричным и изменяющимся по закону “усеченного косинуса”. Перепад давления на канале в значительной мере определяется паросодержанием и его распределением по высоте, которое подлежит определению. Поэтому предварительно перепадом давления задаются 
.
В соответствии с падением давления по высоте канала определяется изменение энтальпии насыщенной воды 
. Энтальпия теплоносителя на входе 
, соответствующая температуре и давлению на входе, лежит левее 
, поскольку на входе в канал теплоноситель недогрет до температуры насыщения. По мере подогрева теплоносителя и последующего его испарения энтальпия теплоносителя 
монотонно возрастает и определяется выражением:
. (5)
Точка пересечения кривых 
и соответствует температуре, при которой теплоноситель догревается до температуры насыщения, а начиная с координаты 
идет развитое объемное кипение.
|
|
|
рис. 2. изменение основных теплогидравлических параметров по высоте испарительного канала.
Температура теплоносителя на участке от 
до 
растет, а с момента наступления развитого объемного кипения (координата 
) идет по линии насыщения, несколько уменьшаясь в связи с падением давления.
Кривая наружной температуры оболочки твэла, определяемая суммой
,
идет правее кривой температуры теплоносителя 
. Ее максимум лежит вблизи точки , выше которой интенсивность теплоотдачи, обусловленная развитым объемным кипением, существенно возрастает, а температурный перепад 
уменьшается. С приближением к выходу из канала последний продолжает снижаться, что связано с уменьшением теплового потока .
Выше точки пересечения кривых 
и 
, т.е. 
, вплоть до координаты теплообмен происходит в условиях поверхностного кипения недогретой до 
воды.
Таким образом, по высоте испарительного канала условно выделяют три области:
· Область чисто конвективного теплообмена 1;
· Область поверхностного кипения 2;
· Область развитого объемного кипения 3.
При этом коэффициент теплоотдачи и гидравлическое сопротивление возрастают по ходу движения теплоносителя.
Энтальпия насыщения в точке , определяемая выражением
, (6)
меньше энтальпии насыщения на входе в канал 
, что обусловлено падением давления на участке , т.е.
, (7)
где 
- изменение энтальпии насыщения воды в зависимости от давления, 
.
Перепад давления 
обусловлен гидравлическими потерями и нивелирной составляющей:
, (8)
где 
- приведенный коэффициент гидравлического сопротивления, представляющий собой сумму потерь на трение и местные сопротивления; 
, 
- соответственно плотность и скорость теплоносителя на участке .
Выражение (8) можно представить так:
|
|
|
, (9)
где 
- приведенный коэффициент сопротивления по всей высоте испарительного канала 
; при этом выражение в скобках представляет собой перепад давления 
в предположении, что на всем протяжении канала движется некипящий теплоноситель.
Тогда, учитывая соотношения (5)-(7) и (9), получим
, (10)
где
. (11)
Определение координаты , с которой начинается развитое объемное кипение, осуществляется методом последовательных приближений. Для этого предварительно следует задать (в качестве первого приближения можно взять точку пересечения кривых и 
), определить по (11) 
и затем по (10) .
На рис. 2. показано качественное изменение паросодержания по высоте испарительного канала. На входе оно равно нулю, т.к. теплоноситель недогрет до . После достижения на оболочке температуры, немного превышающей температуру насыщения, т.е. 
, начинается поверхностное кипение. При этом пузырьки пара, отрываясь от поверхности твэла, конденсируются в ядре потока, недогретом до . По ходу движения теплоносителя в канале наружная температура оболочки твэла вначале возрастает, достигает максимума на участке кипения с недогревом, и далее несколько снижается, что связано с понижением температуры насыщения.
На рис. 3. качественное изменение паросодержания в зоне поверхностного кипения, начиная с координаты (начало кипения), с переходом в зону развитого объемного кипения.
В сечении относительная энтальпия равна нулю, т.е.
,
а значения паросодержаний – массового 
и истинного объемного 
- больше нуля. При этом термическое равновесие двухфазного потока наступает в сечении , расположенном несколько выше координаты .
Рис. 3. изменение паросодержания по высоте испарительного канала.
- сечение входа; - сечение начала поверхностного кипения; - сечение подогрева по тепловому балансу; - сечение, в котором наступает термически равновесное кипение; - массовое паросодержание; 
- истинное объемное паросодержание.
Рассмотрим соотношения, позволяющие рассчитать паросодержание в зоне поверхностного кипения, а также в точке наступления термического равновесия двухфазного потока.
Истинное объемное паросодержание в точке можно определить по следующей формуле:
, (12)
где 
- поверхностная плотность теплового потока; 
- скрытая теплота парообразования при давлении 
; 
- давление воды в критической точке; 
- скорость циркуляции, или, другими словами, скорость жидкости в сечении канала, в котором начинается парообразование (
- массовая скорость в сечении канала); 
- число Рейнольдса, которое можно представить так:
|
|
|
, (13)
где комплекс 
представляет собой скорость испарения, 
; за определяющий размер принята величина, пропорциональная отрывному диаметру пузыря, т.е. 
.
Относительная энтальпия в точке начала поверхностного кипения, по определению равная
,
может быть рассчитана по следующей формуле (
в (14) не известна):
. (14)
Уточнение координаты начала поверхностного кипения производится линейной интерполяцией:
, (15)
где 
- нижняя граница диапазона 
, содержащего точку начала кипения ; 
, 
- относительные энтальпии на границах диапазона .
Истинное объемное паросодержание от до , определяется зависимостью:
. (16)
Массовое паросодержание в точке, в которой начинается термически равновесное кипение, при 
, определяется выражением:
, (17)
где 
- расходное объемное паросодержание в точке 
:
. (18)
Координата начала термически равновесного кипения определяется по формуле (15) при замене на .
Истинное объемное паросодержание в точке , определяется из соотношения:
, (19)
где 
- коэффициент проскальзывания в точке , определяется по формуле:
, (20)
где 
- число Фруда (характеризует среднюю меру отношения силы инерции к силе тяжести).
Изменение истинного паросодержания на участке от , где оно принимается равным нулю, до можно описать линейной зависимостью, так же как и истинное объемное паросодержание на участке от до . Координата точки подогрева теплоносителя до температуры насыщения , находится так:
. (21)
За участком массовое паросодержание соответствует 
(рис. 3.), а истинное объемное паросодержание до выхода из канала определяется по формулам (17)-(20), которые применимы при 
.
После определения истинного объемного и массового паросодержаний по высоте канала рассчитываются гидравлические сопротивления, коэффициенты теплоотдачи и температурный режим твэла.
|
|
|
|
|
|
