Тепловой расчет теплообменников газоохлаждаемого канального реактора Текст научной статьи по специальности «Физика»

Thermal calculation of heat exchanger design parameters of the gas-cooled channel reactor Suleimenov N.1, Vitjuk V.2, Kotov V.3 (Republic of Kazakhstan)

Тепловой расчет теплообменников газоохлаждаемого канального реактора Сулейменов Н. А. , Витюк В. А. , Котов В. М. (Республика Казахстан)

1Сулейменов Нурболат Айдынович /Suleimenov Nurbolat - магистрант,

Государственный университет имени Шакарима, г. Семей;

2Витюк Владимир Анатольевич / Vitjuk Vladimir - начальник лаборатории 222, ИАЭ РГП НЯЦРК;

3Котов Владимир Михайлович / Kotov Vladimir - начальник отдела 220, ИАЭ РГП НЯЦ РК, г. Курчатов, Республика Казахстан

Аннотация: в статье рассмотрен газоохлаждаемый канальный реактор в цикле Ренкина, выполнен тепловой расчет теплообменных аппаратов. На основе полученных результатов построена T-Q-диаграмма теплообменников.

Abstract: this article describes the gas-cooled channel reactor based on the Rankine cycle. Thermal calculation of heat exchangers was done. Depended on results of calculation T-Q-diagram was drawn.

Ключевые слова: газоохлаждаемый реактор, теплообменник, T-Q-диаграмма, тепловой расчет.

Keywords: gas-cooled reactor, heat exchanger, T-Q-diagram, thermal calculation.

Введение

Важнейшими элементами АЭС являются теплообменные аппараты - устройства, предназначенные для передачи тепла от одного тела к другому для осуществления различных процессов нагревания, охлаждения, кипения, конденсации. Теплообменные аппараты, такие как конденсаторы, испарители, охладители, экономайзеры, широко используются во многих отраслях промышленности. Их правильное включение в тепловую схему определяет эффективность всей станции в целом [1, с. 5].

1. Объект и задачи исследования

Рассматриваемым объектом является газоохлаждаемый реактор в цикле Ренкина с тепловой мощностью 2200 МВт. В работах [2, 3, 4] описаны возможности и сопряжение газоохлаждаемого канального реактора с водным замедлителем, показана возможность достижения термодинамический КПД около 46 %, за счет полного использования энергии замедления нейтронов, высокого давления пара в цикле Ренкина и тройного перегрева пара, что положительно сказалось на высокой сухости вырабатываемого пара.

Схема газоохлаждаемого реактора приведена на рисунке 1 [5, с 6-7].

1 - подогреватель; 2 - парогенератор; 3 - пароперегреватели

Рис. 1. Схема газоохлаждаемого реактора

В качестве теплоносителя используется водород. Для передачи тепловой энергии используются 6 теплообменных аппаратов кожухотрубного типа - подогреватель, парогенератор, состоящий из экономайзера и испарителя, и 3 пароперегревателя. В первом подогревателе происходит предварительный подогрев питательной воды за счет утечки тепловой энергии в замедлитель, которая может составлять до 15 % от тепловой мощности реактора. В экономайзере происходит нагрев питательной воды до температуры насыщения, а в испарителе - превращение воды в пар. В трех пароперегревателях осуществляется последовательный перегрев пара до 500 оС.

Задачи работы:

- расчет тепловой схемы реактора;

- тепловой расчет теплообменников с использованием уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи с целью определения площади теплообменной поверхности;

- построение T-Q-диаграммы теплообменных аппаратов.

Баланс энергии для теплообменников имеет следующий вид, %:

- нагрев воды (33 оС^365,75) оС - 41,7;

- превращение воды в пар 365,75 оС - 14,5;

- первый перегрев пара (365,75^500) оС - 20,4;

- второй перегрев пара (288,5^500) оС - 13,5;

- третий перегрев пара (315,3^500) оС - 9,9.

2. Тепловой расчет теплообменников

Тепловой расчет проводился на основе уравнений теплового баланса и теплопередачи:

Qp = О-пд + Qnr + Qnm + Qnn 2 + Qnn з

(1)

Q = F • k-AT

где: - QP - тепловая мощность реактора, МВт;

Qmд - мощность подогревателя, МВт;

Qmr - мощность парогенератора, МВт;

Qrni, Qmm2, Qmm2 - мощности 1, 2 и 3 пароперегревателей, МВт;

F - площадь теплообменной поверхности; к - коэффициент теплопередачи;

AT - температурный напор.

Полученные в ходе расчета характеристики теплообменников внесены в таблицу 1. Погрешности в расчетах составили не более 1 %.

Таблица 1. Результаты расчета

Реактор Пароперегреватели Испаритель Экономайзер

1 | 2 | 3

T оС твх? С 298,8 545,9 419 376,7

Т оС 545,9 419 376,7 298,8

GH2, кг/с 513,3 239,1 158,2 116 513,1 513,1

Оп, кг/с 530,7 532,4 531,5 534 534

W, МВт 2200 448,8 297 217,8 312,5 582,3

Определим количество тепловой энергии пара, переданной на турбину, состоящей из цилиндров высокого, среднего и низкого давления. Тепловая энергия пара, передающаяся на турбину, равна:

W = в„ • d, <2)

где: - G„ - расход пара

dj - разница энтальпии пара на входе и выходе в турбину

Энергия, переданная на цилиндры турбины, составила: ЦВД - 187,9 МВт, ЦСД - 193,1 МВт, ЦНД -618,9 МВт. Общая тепловая мощность, переданная на турбину, составила около 1000 МВт, следовательно, теоретический КПД всей установки в целом достигает 45 %.

С использованием уравнения теплопередачи были найдены площади теплообменной поверхности, на основе которых определены геометрические размеры теплообменных труб. Полученные характеристики теплообменников приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Результаты расчетов

Параметр Значение

Участок Подогреватель Экономайзер Испаритель

Греющий теплоноситель Вода Водород

Давление, МПа 2,5 6

Температура, оС

вход 182 377 419

выход 170 299 377

Расход, кг/с 6190,6 513,1

Скорость, м/с 2,87 29,45 30

Нагреваемый теплоноситель Вода Вода Водяной пар

Давление, МПа 1 20 20

Температура, оС

вход 33 174 365,75

выход 174 365,75

Расход, кг/с 534 537 534

Скорость, м/с 0,65

Мощность, МВт 325,6 591,9 318,9

Температурный напор 45,4 46,1 26,7

Длина труб 7,2 12 5,3

Количество труб 5941 7651 15548

Размер труб йн, мм 16х0,5 17х2 26х2,5

Радиальный шаг 1,5 4 2 йн 1,4 йн

Материал корпуса 12Х18Н10Т 10ГН2МФА

Диаметр корпуса внутр, м 2,144 3,433 6,21

Толщина корпуса, мм 100 100 100

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2-К 3471,3 2968 1647

Поверхность теплообмена, м2 2081 4324 7374

Удельная тепловая нагрузка, кВт/м2 156,4 136 44

Таблица 3. Результаты расчетов

Параметр Значение

Пароперегреватель 1 2 3

Греющий теплоноситель Водород

Давление, МПа 6

Температура, оС

вход 546

выход 419

Расход, кг/с 239,1 158,2 116

Скорость, м/с 25,15 25,6 30,6

Нагреваемый теплоноситель Водяной пар

Давление, МПа 20 5 1,5

Температура, оС

вход 365,75 288,5 315,3

выход 500 500 500

Расход, кг/с 530,6 532,4 531,5

Скорость, м/с 9,21 25,97 22,24

Мощность, МВт 448,8 297 217,8

Температурный напор 52,1 83 73,1

Длина труб 14,5 7,5 10,4

Количество труб 5167 8911 7957

Размер труб йн, мм 17х2 22х2

Радиальный шаг 2 йн 1,4 йн 1,4 йн

Материал корпуса 10ГН2МФА

Диаметр корпуса внутр, м 2,821 2,6 3,18

Толщина корпуса, мм 100 100 100

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2-К 2450 1137 575

Поверхность теплообмена, м2 3528 3148 5197

Удельная тепловая нагрузка, кВт/м2 127,2 94,4 41,9

На основании полученных данных построим T-Q-диаграмму теплообменников (Рис. 2) - график, показывающий зависимости температур греющего и нагреваемого теплоносителя от количества переданной теплоты (мощности).

На диаграмме обозначены следующие точки и участки:

1-2 - подогрев питательной воды в подогревателе энергией замедления нейтронов; 2-3 - нагрев воды в экономайзере до точки насыщения; 3-4 - парообразование в испарительной части парогенератора; 4-5, 6-7, 8-9 - первый, второй и третий перегревы пара;

•—*Н2 •—НЮ - -Н20(зам)

I - подогреватель; II - экономайзер; III - испаритель;

IV, V и VI - соответственно 1, 2 и 3 пароперегреватели

Рис. 2. T-Q-диаграмма теплообменников

Выводы

Анализируя результаты расчетов, можно сделать следующие выводы:

- предложенная схема включения теплообменников в цикл Ренкина позволяет получить теоретический КПД установки на уровне 45 % за счет использования энергии замедления нейтронов, утекаемой в замедлитель;

- для достижения такого результата требуется температура теплоносителя (водорода) на выходе из реактора около 550 оС;

- в рассчитанных конструктивных размерах теплообменных аппаратов значения скоростей теплоносителей находятся в пределах оптимальных значений, что положительно сказывается на количестве шума и вибраций;

- относительно большие площади теплопередающих поверхностей теплообменников обусловлены использованием газового теплоносителя, характеризующегося худшими теплофизическими параметрами по сравнению с водным теплоносителем;

- невысокие коэффициенты теплопередачи вызывают необходимость увеличить разницу температур между греющим и нагреваемым теплоносителями для уменьшения поверхности теплообмена.

Литература

1. Новиков В. Н., Радовский И. С., Харитонов В. С. Расчет парогенераторов АЭС: Пособие к курсовому проектированию. Ч. 1. М.: МИФИ, 2001.

2. Котов В. М., Витюк Г. А., Иркимбеков Р. А., Мухаметжарова Р. А. Сопряжение тяжеловодного газоохлаждаемого реактора с циклом Ренкина. // Тезисы VIII междунар. конф. «Ядерная и радиационная физика, Алматы, 20-23 сент. 2011 г.», Алматы, ИЯФ НЯЦ РК, 2011.

3. Котов, В. М. Газоохлаждаемый реактор с паровой машиной Ренкина: инновационный патент № 26118 на изобретение / ДГП ИАЭ РГП НЯЦ РК. - Курчатов, 2011.

4. Возможности газоохлаждаемых реакторов с водным замедлителем. / В. М. Котов, Г. А. Витюк, А. С. Сураев. // Вестник НЯЦ РК. - 2012. - № 4 (52).

5. Возможности газоохлаждаемых реакторов с водяным замедлителем. / В. М. Котов, Г. А. Витюк, А. С. Сураев. // Атомная энергия. - 2014. - № 1 (116).