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文檔簡介
1、<p> 1 設(shè)計目的 </p><p> 通過本課程設(shè)計,達(dá)到以下目的:</p><p> 深入理解壓水堆熱工設(shè)計準(zhǔn)則;</p><p> 深入理解單通道模型的基本概念、基本原理。包括了解平均通道(平均管)、熱通道(熱管)、熱點(diǎn)等在反應(yīng)堆熱工設(shè)計中的應(yīng)用;</p><p> 掌握堆芯焓場的計算并求出體現(xiàn)反應(yīng)堆
2、安全性的主要參數(shù);燒毀比DNBR,最小燒毀比MDNBR,燃料元件中心溫度t0及其最高溫度t0,max,包殼表面溫度tcs及其最高溫度tcs,max等;</p><p> 求出體現(xiàn)反應(yīng)堆先進(jìn)性的主要參數(shù):堆芯流量功率比,堆芯功率密度,燃料元件平均熱流密度(熱通量),最大熱流密度,冷卻劑平均流速,冷卻劑出口溫度等;</p><p> 通過本課程設(shè)計,掌握壓水堆熱工校核的具體工具;</
3、p><p><b> 掌握壓降的計算;</b></p><p> 掌握單相及沸騰時的傳熱計算。</p><p><b> 2 設(shè)計題目</b></p><p> 某壓水堆的冷卻劑和慢化劑都是水,用UO2作燃料,用Zr-4作燃料包殼材料。燃料組件無盒壁,燃料元件為棒狀,采用正方形排列。已知參數(shù)如
4、表1所示:</p><p><b> 表2.1:</b></p><p> 將堆芯自下而上分為6個控制體,其軸向歸一化功率分布如表2所示:</p><p> 表2.2:堆芯歸一化功率分布 </p><p><b> 3 計算過程</b></p><p> 3.1流
5、體堆芯出口溫度(平均管) </p><p><b> (式3.1)</b></p><p> Cp按15.5MPa下流體平均溫度(tf,out + tf,in)/2查表得Cp= kJ/kgK。</p><p> 采用迭代方法計算C語言程序代碼如下:</p><p> #include<stdio.h&
6、gt;</p><p> #include<math.h></p><p> #define limit 0.001</p><p> void main()</p><p><b> {</b></p><p> double tfo,tfi=292.4,cpi=5.242
7、73,cpo,a=0.09,tf,_tf,_cp,Fa=0.974,W=68500.0,Nt=3016.0,_tfo;</p><p> printf("請輸入假設(shè)的出口溫度 tfo:\n"); //估算實(shí)際的出口溫度在320至330之間。</p><p> scanf("tfo=%f",&tfo);</p><
8、p><b> do</b></p><p> { _tfo=tfo;</p><p> tf=(tfo+tfi)/2;</p><p> if(tfo<320) </p><p> cpo=5.4655+(tfo-300)*0.7015/20;</p><p&
9、gt;<b> else</b></p><p> cpo=6.167+(tfo-320)*1.7645/20; //計算出口比容</p><p> _cp=5.4655+(tf-300)*0.7015/20; //計算平均比容</p><p> tfo=tfi+Fa*Nt*3600/(W*(1-a)*_cp); //迭
10、代出口冷卻劑溫度</p><p> }while(fabs(tfo-_tfo)>=limit);</p><p> printf("出口溫度:tfo=%f,\n,平均溫度:tf=%f,\n,出口比容:cpo=%f,\n,平均比容_cp=%f,\n",tfo,tf,cpo,_cp);</p><p><b> }</b&
11、gt;</p><p> 平均溫度在310至320之間,故在程序中設(shè)置平均比容在310至320間差值并迭代而得,在320至330之間輸入不同的假設(shè)溫度,并在期間進(jìn)行插值迭代而得。由此運(yùn)算程序有如下結(jié)果:</p><p><b> 圖3.1.1</b></p><p> 由程序運(yùn)算結(jié)果可知道平均管的出口溫度=322.0639</p&g
12、t;<p> 平均溫度:=307.23206,</p><p> 出口比容:=6.349107kJ/(Kg)</p><p> 平均比容: kJ/(Kg)</p><p> 3.2.燃料棒表面平均密度</p><p><b> ==157</b></p><p><b
13、> =4.5252</b></p><p> ==0.974=6.4916</p><p> 燃料棒表面最大熱流密度</p><p><b> =6.4916</b></p><p><b> 燃料棒平均線功率</b></p><p><b&
14、gt; =6.4916</b></p><p><b> =1.9364</b></p><p><b> 燃料棒最大線功率</b></p><p><b> =</b></p><p><b> 3.3平均管的情況</b></
15、p><p><b> 平均管的流速</b></p><p><b> =157</b></p><p> =1/0.0014072=710.631</p><p><b> V==</b></p><p> 3.4. 通道內(nèi)的截面積和流量</
16、p><p> 為簡化計算起見,假定熱管內(nèi)的流體流速和平均管的V相同。則</p><p> 同樣,熱管四根燃料元件間組成的單元通道內(nèi)的流量</p><p><b> =</b></p><p> 3.5.熱管中的計算 (按六個控制體計算)</p><p> 3.5.1熱管中的流體溫度</
17、p><p><b> 設(shè)cn=</b></p><p> =75329.2265</p><p><b> 則</b></p><p> 查表可得在壓強(qiáng)為15.5Mp下,溫度為300時,比容為5.4655KJ/(Kg),溫度為320時,比容為6.167 KJ/(Kg),溫度為340 KJ/(Kg
18、)。</p><p> 由于比容和出口溫度都不知道,故只能通過迭代計算,迭代的思路是:根據(jù)進(jìn)口溫度,估計出口溫度的范圍,如第一段控制體進(jìn)口溫度=292.4,假設(shè)出口溫度在300下,故可以假設(shè)=300,由平均溫度查出比容,進(jìn)而由公式算出,再由新的平均溫度查出以此再算出算出,以此類推,再由算出迭代誤差。如果最后迭代的結(jié)果與假設(shè)的出口溫度相差較大就另假設(shè)一個出口溫度再這樣計算。要求迭代誤差小于0.01。計算結(jié)果如下:
19、</p><p> ?、俦?.5.1.1:第一段控制體</p><p> ?、郾?.5.1.3:第三段控制體</p><p> ?、鼙?.5.1.4:第四段控制體</p><p> ?、荼?.5.1.5:第五段控制體</p><p> ?、薇?.5.1.6:第六段控制體</p><p><
20、b> 總結(jié)得到表如下:</b></p><p> 3.5.2控制體出口處的包殼外壁溫</p><p><b> = (式3.2)</b></p><p><b> 式中:可以用</b></p><p><b> 所以,</b></p>
21、<p><b> 式中:Re==</b></p><p><b> 0.01179m</b></p><p> 流體的、和Pr數(shù)根據(jù)流體的壓力和溫度由表查得;</p><p> 如果流體已經(jīng)達(dá)到過冷沸騰,用Jens-Lottes公式:</p><p><b> 作為判
22、別公式。</b></p><p><b> =+</b></p><p><b> 當(dāng)時,用前面的式子</b></p><p><b> 當(dāng)時,用</b></p><p><b> 表3.5.2.1</b></p><
23、;p><b> 總結(jié)得出以下表格:</b></p><p><b> 表3.5.2.2</b></p><p> 3.5.3控制體出口處的包殼內(nèi)壁溫</p><p> =ln() (式3.3)</p><p> 式中:Zr-4的 </p>
24、<p> 由于平均溫度不知道,故假設(shè),迭代出,進(jìn)而再算出,計算結(jié)果如下:</p><p> ?、俦?.5.3.1:第一段控制體</p><p> ?、诒?.5.3.2:第二段控制體</p><p> ?、郾?.5.3.3:第三段控制體</p><p> ?、鼙?.5.3.4:第四段控制體</p><p>
25、 ⑤表3.5.3.5:第五段控制體</p><p> ?、薇?.5.3.6:第六段控制體</p><p> 得出表3.5.3.7:</p><p> 3.5.4第一個控制體出口處的芯塊外表面溫度</p><p><b> (式3.4)</b></p><p> 計算結(jié)果如下:表3.5.4.
26、1</p><p> 3.5.5第一個控制體出口處的芯塊中心溫度</p><p> 用積分熱導(dǎo)求解的方法,即</p><p><b> ?。ㄊ?.5)</b></p><p> 計算結(jié)果如表3.5.5.1下:</p><p> 由芯塊中心溫度可知,=2052.193。</p>
27、<p> 綜上所有的溫度的如下表3.5.5.2:</p><p><b> 畫圖如下:</b></p><p> 圖3.5.5.1 溫度沿軸向分布</p><p> 3.5.6熱管中(為了簡化計算,不考慮熱流密度非均勻分布的影響)</p><p><b> 用W-3公式計算,</b
28、></p><p><b> ?。ㄊ?.6)</b></p><p> 式中:為軸向均勻加熱的臨街熱流密度;p為冷卻劑工作壓力(Pa);G為冷卻劑質(zhì)量流密度;為冷卻劑通道的當(dāng)量直徑(m);為冷卻劑通道的飽和比焓;為堆芯進(jìn)口處冷卻劑的比焓;為計算點(diǎn)z處的平衡含氣量,為其絕對值。平衡含氣量的計算式為:</p><p> 其中為飽和汽化潛熱
29、,且查表得966.3664。</p><p><b> 定位架修正系數(shù):</b></p><p><b> ?。ㄊ?.7)</b></p><p> 式中:為冷卻劑的熱擴(kuò)散系數(shù),單箍型定位架時,可取。</p><p> 計算結(jié)果表3.5.6.1:</p><p> 3
30、.5.7DNBR的計算</p><p> DNBR= (式3.8)</p><p> 計算結(jié)果的表3.5.7.1:</p><p> 根據(jù)數(shù)據(jù)有如下表3.5.7.2:</p><p><b> 作圖如下:</b></p><p> 圖3.5.7.1 燃料元件表面熱流密度和D
31、NBR沿軸向分布</p><p> 3.5.8計算熱管中的壓降</p><p> ①單相流體的摩擦壓降 (式3.9)</p><p><b> 式中f=</b></p><p> 計算結(jié)果如下表3.5.8.1:</p><p> 總的摩擦壓降=30277.70
32、972Pa</p><p> ② 單相流體加速壓降 (式3.10)</p><p><b> 表3.5.8.2:</b></p><p> ③單相流體提升壓降: </p><p><b> ?。ㄊ?.11)</b></p>
33、<p> 24646.30039Pa</p><p><b> ?、芫植繅航担?lt;/b></p><p> 1)出口: (式3.12)</p><p> 14499.88484Pa</p><p> 2) 進(jìn)口:9276.676482Pa (式3.13</
34、p><p> ⑤ 局部壓降,定位格架出口 =14106.11308Pa (式3.14</p><p> 其中,比容按相應(yīng)的流體壓力和溫度,由表查得。</p><p><b> 4結(jié)果分析:</b></p><p><b> 4.1冷卻劑的溫度</b></p>&l
35、t;p> 冷卻劑的溫度沿軸向升高,且在第三個和第四個控制體的進(jìn)出口溫差最大,兩邊的溫差近似對稱分布。說明熱管在中心處的功率最大,近似余弦分布。堆芯熱管出口處達(dá)到最大值=335.6385,與平均管出口溫度=322.0639相比,溫差只有13,說明堆芯功率分布比較均勻。此外,在工作壓力為15.5Mp下,飽和溫度為=346.6373,堆芯冷卻劑并未達(dá)到飽和,且離飽和溫度還有10左右,故堆芯處于比較安全的工作狀態(tài)。</p>
36、<p><b> 4.2包殼溫度</b></p><p> 由計算結(jié)果可知,包殼內(nèi)外壁溫都在在第四個控制體,即中心偏上處出現(xiàn)最大值=346.8905,而包殼內(nèi)壁溫度最大值=396.9634。</p><p><b> 4.3芯塊溫度</b></p><p> 芯塊溫度在堆芯中間處的溫度最大,而且芯塊中心
37、與外表面存在著溫差,甚至溫差達(dá)到進(jìn)兩倍,故極易是芯塊發(fā)生熱膨脹和腫脹,這也是為什么要采取碟形加倒角的措施的原因。</p><p> 而芯塊中心最高溫度=2052.193,所以芯塊不會發(fā)生融化。</p><p><b> 4.4溫差</b></p><p> 從計算結(jié)果可以了解到,膜溫差和包殼導(dǎo)熱溫差只有幾十度,而包殼內(nèi)與芯塊外表的氣隙溫差
38、和芯塊中心與外表的溫差可以達(dá)到六七百度,故消除導(dǎo)熱難題應(yīng)從這兩者入手。</p><p><b> 4.5熱流密度</b></p><p> 有圖3.5.7.1知,熱流密度呀沿軸向成余弦分布,符合理論結(jié)果。</p><p><b> 4.6MDNB</b></p><p> 計算中得知,MDN
39、B=3.18122.0,所以這種堆型運(yùn)行十分安全。</p><p><b> 4.7誤差</b></p><p> 由于采用W-3公式計算而其公式試用范圍為xe:(-0.15~+0.15)而本題計算的xe已超過此范圍,因此的計算是不準(zhǔn)確的,也出現(xiàn)了一定的錯誤。需要改正。在處理物性時簡單的采用了數(shù)直線性插值法,這種處理方法簡單,粗糙。這樣就給計算結(jié)果帶來較大誤差,甚
40、至出現(xiàn)錯誤。此外,由于有大量的計算,計算中有取舍,故誤差會在計算中積累和放大。</p><p><b> 5參考資料</b></p><p> [1] 于平安, 朱瑞安, 喻真烷, 等. 核反應(yīng)堆熱工分析[M]. 第三版. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2002.</p><p> [2] 俞冀陽, 賈寶山. 反應(yīng)堆熱工水力學(xué)[M]. 北
41、京: 清華大學(xué)出版社. 2003.</p><p> [3] 趙兆頤, 朱瑞安. 反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社. 1992.</p><p> [4] M. M. 埃爾-韋基爾. 核反應(yīng)堆熱工學(xué)[M]. 北京: 原子能出版社, 1976.</p><p> [5] 湯孫, J. 韋斯曼. 壓水反應(yīng)堆熱工分析[M]. 北京: 原子能出版社,
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