Эскизное проектирование парогенераторов АЭС

Коэффициент теплопередачи от греющей среды к нагреваемой среде через разделительную стенку в общем случае определяется зависимостью:

После преобразований данную зависимость удобнее рассматривать в следующем виде, Вт/(м2Чград):

.

Где 1, 2 - коэффициенты теплопередачи от теплоносителя к стенке ПТО;

Rст -суммарное термическое сопротивление теплопередаче многослойной стенки;

RСТ = СТ/СТ - термическое сопротивление стенки труб ПТО;

RЗАГР = 2RОК + 2RОТЛ - термическое сопротивление загрязнений, состоящее из сопротивлений окисных пленок RОК и отложений RОТЛ с обеих сторон стенки труб ПТО.

Рис. 2. К расчёту коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопроводности металла СТ зависит от его химического состава и рабочей температуры. Теплопроводность углеродистых сталей при температурах до 400ОС в 3-4 раза выше, чем теплопроводность нержавеющих или высоколегированных сталей. Толщина стенки трубки СТ связана с диаметром трубки по условиям прочности. Для ПТО с принудительным движением внутри трубки целесообразны относительно небольшие диаметры, порядка 6-18 мм, при естественной циркуляции - 3-4 мм. Для любых параметров толщина стенки при таких диаметрах не превысит 3-4 мм. Термическое сопротивление RСТ трубок из углеродистой стали составляет величину порядка (2-10)Ч10-5 (м2ЧК)/Вт, а из нержавеющей стали (4-20)Ч10-5 (м2ЧК)/Вт.

Термическое сопротивление пленки окислов на трубах из углеродистой стали составляет RОК=(6-12)Ч10-5 (м2ЧК)/Вт, что примерно равно термическому сопротивлению металла труб. Для нержавеющей стали RОК не превышает 1Ч10-5 (м2ЧК)/Вт.

Отложения со стороны теплоносителя практически исключаются, т.к. требования к его чистоте весьма высоки. Отложения со стороны рабочего тела (накипь) могут иметь значительные термические сопротивления. Например, коэффициент теплопроводности кальциевых и магниевых соединений (соли жесткости) равен примерно 0,5 Вт/(мЧК). При толщине отложений 0,2 мм термическое сопротивление такой пленки RОТЛ=40Ч10-5 (м2ЧК)/Вт, что в 10-20 раз превышает сопротивление металла труб. Однако в испарителях с многократной циркуляцией отложения могут образоваться только при неправильном водном режиме или при несоблюдении режима продувки. В прямоточных ПГ должна учитываться неизбежность образования отложений примесей, нерастворимых в паре.

Скорость рекомендуется поддерживать в диапазоне:

2.0 м/с ? w1 ? 6.0 м/с,

где 2.0 м/с - минимальная скорость, при которой режим течения в трубках становится ламинарным, и теплоотдача ухудшается; 6.0 м/с - максимальная скорость, при которой начинается смыв защитной окисной плёнки с поверхности трубок и интенсифицируются коррозионные процессы.

Рассмотрим методику определения составляющих формулы коэффициента теплопередачи применительно к парогенератору с погружённой поверхностью теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке, Вт/(м2Чград):

Здесь: dВН = dН - 2ТР =15-2•1,3=12,4 - внутренний диаметр теплообменной трубки, мм; 1 - теплопроводность теплоносителя, Вт/(м·град); Nu1 - критерий Нуссельта.

Критерий Нуссельта в случае теплообмена при турбулентном течении неметаллических жидкостей и газов в прямых трубах:

Nu = 0.021 ·Re10.8·Pr10.43·Ct·Cl = 0,021•(200323)0,8•0,84790,43•1•1=341,03

Здесь: Ct - поправочный коэффициент, учитывающий переменность физических свойств вещества; Cl - поправочный коэффициент, учитывающий соотношение l/dВН теплообменных трубок. Re1 - критерий Рейнольдса для теплоносителя; Pr - критерий Прандтля для теплоносителя.

Критерий Рейнольдса для теплоносителя:

Результаты вариантных расчётов коэффициента теплопередачи от теплоносителя к стенке теплообменной трубки сводим в таблицы 2 и 3.

Таблица 2. Промежуточные данные к расчёту 1

Таблица 3. Расчет 1

При проектировании нового теплообменного аппарата термические сопротивления окисной плёнки (2ЧRОК) и отложений (RОТЛ) неизвестны. Поэтому обычно этими величинами задаются, пользуясь справочными данными или данными эксплуатации.

RЗАГР = 2RОК + RОТЛ@ (0,6 ... 1,2)·10-5 + (0,0... 80,.0)·10-5.

Примем RЗАГР = 2·10-5 (м2 град)/Вт.

Термическое сопротивление стенки определяется по формуле, (м2· град)/Вт:

Теплопроводность материала теплообменной поверхности (трубки) определяется при средней температуре теплоносителя :

= 18,64.

В качестве материала трубок поверхности теплообмена ПГ АЭС с погруженной поверхностью теплообмена примем следующий сплав: 08Х18Н10Т - коррозионно-стойкая высоколегированная аустенитная сталь с применением внутренней электрохимполировки и наружной шлифовки.

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·град), от стенки к рабочему телу для ПГ АЭС с погруженной поверхностью теплообмена определяется по формуле для пузырькового кипения воды в большом объёме (в межтрубном пространстве):

.

Обозначим как “A”

Учитывая принятое обозначение первого сомножителя, приведём формулу к виду:

2 = А· q0.7

Вычисляем значение коэффициента А:

Среднелогарифмический температурный напор (рис. 3), С:

Рис. 3. К определению температурных напоров ПГ АЭС с погруженной поверхностью теплообмена

Плотность теплового потока, Вт/м2

.

Обозначим как “В”

Вычисляем значение коэффициента B, (м2Чград)/Вт:

.

Учитывая принятые обозначения, плотность теплового потока запишется в виде, Вт/м2:

.

Истинное значение q находим из решения уравнений для условий входа и выхода теплоносителя

Вход теплоносителя:

Выход теплоносителя:

;

qвх= kвх·tБ.qвых= kвых·tм.

Данные системы уравнений решаем методом итераций:

1) задаёмся значением q

qвх=0,75дtл(1/1+Rст+Rзагр)-1=0,75·25,49·1,5299·104=124959,15;

аналогично на первом этапе итерацииqвых=124959,15;

2) вычисляем k вх, kвых:

аналогично на первом этапе итерации ;

3) вычисляем q вх , qвых:

4) вычисляем невязку по q:

;

5) вычисляем погрешность итерационного шага:

;

7) определяем условие окончания итераций

-- если ( q Ј 1% ), то итерации закончить;

-- если ( q > 1% ), то задаёмся новым значением плотности теплового потока () и весь итерационный расчёт повторяем.

Результаты предварительных расчётов по предыдущему пункту сводим в таблицу 4.

Таблица 4

По результатам предварительных расчётов определяем (для каждого значения w1):

-- среднеарифметический коэффициент теплопередачи, Вт/(м2Чград)

.

плотность теплового потока, усредненная по ПТО, Вт/м2

.

коэффициент теплоотдачи 2, Вт/(м2Чград)

;

площадь поверхности теплообмена, м2

 , где Q1 - Вт;

фактическая площадь поверхности теплообмена FФ, которая складывается из расчётной величины поверхности и запаса kЗ на загрязнения и повреждение труб. Т.к. образование отложений возможно, примем kЗ=1,07:

м2.

Результаты вычислений сводим в таблицу 5.

Таблица 5

На этом конструкторский тепловой расчёт ПГ АЭС с погруженной поверхностью теплообмена, обогреваемого водой под давлением, заканчивается.

По результатам расчёта строятся графики:

Re = f (w1); 1, 2 = f (w1); ; ; FПТО, Ф = f (w1).

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

2. Конструкционный расчет парогенератора

Цель расчета:

· определение габаритных размеров корпуса парогенератора,

· размещение трубной поверхности теплообмена в корпусе парогенератора,

· определение диаметра коллекторов,

· разбивка трубной поверхности на ряды и пучки.

Принимаем :

· Форма трубок ПТО - U- образная,

· расположение трубок ПТО - коридорное.

Общее число трубок ПТО по уравнению неразрывности (G = *w*F) (F=n*F1тр), шт.:

.

(G1 - кг/с; - кг/м3; - м/c; - внутренний диаметр трубок, мм ).

Примечание: число трубок n округляем до ближайшего целого четного значения.

Средняя (расчетная) длина трубок ПТО предварительно, м:

.

(FПТО - м2; dср = (dн + dвн)/2=(15+12,4)/2=13,7, мм; n - шт).

Рис. 9. Максимальная, минимальная и средняя длины трубок ПТО

Примечание: допустимая длина одной трубки не должна превышать 12... 14 м. Если полученная длина трубки неприемлема, то рекомендуется изменить диаметр трубок ПТО;

Принимаем шаги (расстояния между осями) трубок поверхности теплообмена:

Рис. 10. Шаг трубок ПТО в горизонтальном и вертикальном рядах.

S1 - шаг трубок ПТО в горизонтальном ряду, мм

S2 - шаг трубок ПТО в вертикальном ряду, мм

n1 - общее число трубок в горизонтальной плоскости

n2 - число горизонтальных рядов.

минимально допустимый шаг трубок по внутренней поверхности коллектора должен быть не менее 1,25-1,3 величины наружного диаметра трубок:

Smin = (1.25 - 1.3) dн=(1.25 - 1.3)·15=18,75-19,50.

шаг трубок в горизонтальном ряду:

S1 = (1.4 - 1.6) dн=(1.4 - 1.6)·1=21-24= 22.

В первом приближении можно принять S1 = 1.47dн с последующим уточнением в случае необходимости.

шаг трубок в вертикальном ряду:

S2 = (1.3 - 1.4) dн=(1.3 - 1.4)·15=19,5 -21, примем S2 =21.

Определение внутреннего диаметра коллекторов.

Общее число трубок в горизонтальной плоскости, шт.

или

(здесь , - - наружный и внутренний диаметр коллектора; все значения в мм;)

Примечание: число n1 округляем до ближайшего целого четного значения. Принимаем

Число горизонтальных рядов (число труб в одном вертикальном ряду):

.

Примечание: число n2 округляем до ближайшего целого значения.

Выполняем уточнение значений n, w1, LСР.

общее число трубок, шт.: ;

средняя по сечению скорость теплоносителя в трубках, шт.:

(G1 - кг/с; - кг/м3; - м/c; - мм ).

средняя длина трубок ПТО, м.

.

(FПТО - м2; dср - мм; n - шт).

Величину LСР округляем до мм.

Суммарное расстояние, не занятое трубной поверхностью в диаметральной плоскости ПГ, мм:

BСВ = ZКОР(центр)bсв(центр) + 2bсв(перифер)=3·150+2·250=950

ZКОР(центр) = 1 или 3 - число межпакетных коридоров; примем 3 коридора;

bсв(центр) - ширина межпакетных (центральных) коридоров 100 - 200 мм, примем 150 мм;

bсв(перифер) - ширина периферийных коридоров 200 - 300 мм; примем 250 мм.

Диаметр корпуса по ширине, мм.

D1 = n1S1 + BСВ = 98·22+950 = 3106

Диаметр корпуса по высоте, мм.

D2 = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 = 400+1848+150+650+300=3348.

Можно рекомендовать следующие значения:

а) h1 = 300 ... 700 мм - расстояние от нижней образующей корпуса ПГ до нижнего ряда труб ПТО;

б) h2 = n2S2=88·21=1848, мм - высота трубного пучка ПТО;

в) h3 = 150 ... 200 мм - глубина погружения труб ПТО под зеркало испарения;

г) h4 = 600 ... 1200 мм - высота парового пространства ( иначе: расстояние от зеркала испарения до низа сепарационных устройств);

д) h5 = 200 ... 600 мм - расстояние от низа сепарационных устройств до верхней образующей корпуса ПГ.

Примечание:

- высоты h1, ... , h5 в первом приближении принимаются минимальными.

- высоты h1, ... , h5 во всех вариантов (при всех скоростях) должны быть одинаковыми

В качестве диаметра корпуса принимается наибольшее из полученных значений D1 и D2, мм:

D = max (D1, D2)=3348.

В случае существенного неравенства диаметров D1 и D2:

Если D1<D2, (диаметр по ширине оказался меньше, чем диаметр по высоте и его увеличили), то нужно пересчитывать ширину коридоров .

Полученное значение нужно распределить на коридоры (на центральные).

Если D1>D2, то нужно пересчитывать высоты h1, h3, h4, h5 (лучше увеличить h4).

Примечание.

А. При вычислении диаметра корпуса должно быть выполнено условие:

.

Б. Кроме того, если диаметр корпуса D> 4200 (мм), то такой вариант отбрасываем по условиям не транспортабельности.

Длина корпуса ПГ, мм.

L = 2*(Lцил + bдн) + Dкн = 2·(2743,4+669,6)+760 = 7586;

Рис. 11

на рисунке для наглядности коллекторы показаны на одной продольной оси bДН - ширина днища ПГ (bДН 0,2*D=0,2·3348=669,6< 700). Lцил - длина цилиндрической части:

Lцил = Lпр + Rбол= 1319,4+1424= 2743,4

Rбол - наибольший радиус сгиба труб - для трубы максимального диаметра,

Rбол = (D - 2bсв(перифер) )/2=(3348-2·250)/2= 1424;

Rмал = bсв(центр) /2=150/2=75 - радиус сгиба для минимальной трубы;

Rср = (Rбол + Rмал ) /2=(1424+75)/2=749,5 - радиус гиба для средней трубы;

Lпр - длина прямого участка труб,

Lпр = (Lср - Rср) / 2 = (4993 - р·749,5)/2= 1319,4(т.к. Lср =2 Lпр + Rср)

При расчете тепловой разверки потребуется длина самой длинной и самой короткой трубки, мм:

Lмах = 2 Lпр + Rбол + 0.9·Dкн = 2·1319,4 + 1424 + 0,9·760 = 7796;

Lмin = 2 Lпр + Rмал+ 0.9·Dкн = 2·1319,4+ 75 + 0,9·760 = 3558 ;

Результаты расчетов сведем в итоговую таблицу.

Таблица 6

Построим графики:

Lср = f(w1), L = f(w1), D = f(w1)

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

3. Гидравлический расчет парогенератора

Цель расчета.

Определение потери давления теплоносителя в ПГ.

Методика расчета.

Потеря давления по тракту ПГ в общем случае определяется по формуле:

.

Для горизонтального ПГ, обогреваемого водой под давлением, учитывая горизонтальную компоновку трубок ПТО и пренебрегая изменением плотности теплоносителя, можно считать:

pНИВ 0 ; pУСК 0.

В общем случае потеря давления среды на трение, Па, в трубопроводе длиной l определяется по формуле Дарси:

Здесь:

- коэффициент гидравлического трения; l - длина трубопровода, м; dГ - гидравлический диаметр, м; - средняя плотность среды, кг/м3; - объемный расход рабочей среды, м3/с;

,

где G - кг/с);

S - площадь проходного сечения трубопровода, м2.

В общем случае местные потери давления выражаются формулой Вейсбаха:

.

Здесь:

м - коэффициент местного гидравлического сопротивления;

- средняя скорость среды по сечению входа в гидравлическое сопротивление (), м/с.

В рассматриваемом случае, с учетом расчетной схемы тракта теплоносителя в пределах ПГ (см. рис.), суммарная потеря давления теплоносителя определится следующим образом, Па:

.

- суммарная потеря давления теплоносителя в элементах тракта ПГ, Па; - потери на трение в подводящей части горячего и холодного коллектора, Па; - местные потери давления в раздающей части горячего коллектора и собирающей части холодного коллектора, Па; - местные потери давления при входе в трубки ПТО из горячего коллектора и при выходе из трубок ПТО в холодный коллектор, Па; - потеря давления на трение при течении теплоносителя в трубках ПТО, Па; - местная потеря давления в трубках ПТО при повороте теплоносителя на 1800, Па.

Рис. 15. Потери давления теплоносителя в элементах ПГ

На основании приведенных выше формул составляющие потери давления теплоносителя определяются следующим образом.

- объемный расход теплоносителя, м3/с;

- площадь проходного сечения коллектора, м2;

где - внутренний диаметр коллектора, м

число Рейнольдса для коллектора:

;

коэффициент трения в коллекторе при турбулентном течении:

;

- эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности коллектора, м;

Потеря на трение в подводящей части горячего коллектора, кПа:

Потеря на трение в отводящей части холодного коллектора, кПа:

.

lГ = lХ - длина входной части коллекторов, м; принять lГ = lХ = h1+0,5, (м)

Местная потеря давления в раздающей части горячего коллектора, кПа:

,

где:МГ = 0,7 при (n2 10) МГ = 1,4 при (n2 >10)

Местная потеря давления в собирающей части холодного коллектора, кПа:

,

где:

;

- внутренний диаметр трубок ПТО, м;

- внутренний диаметр коллектора, м;

n2 - число труб ПТО в вертикальном ряду.

Местная потеря давления при входе теплоносителя из горячего коллектора в трубки ПТО, кПа:

,

где:

.

Местная потеря давления при выходе теплоносителя из трубок ПТО в холодный коллектор, кПа:

,

где:

.

Потеря давления на трение при течении теплоносителя в трубках ПТО, кПа:

.

коэффициент трения при переходном течении:

;

- средняя по сечению скорость теплоносителя в трубках ПТО, м/с;

- эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности новых трубок ПТО, м;

- число Рейнольдса для трубок ПТО;

- коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м2/с.

Местная потеря давления в трубках при повороте теплоносителя на 180°, кПа:

.

Здесь .

Суммарная потеря давления теплоносителя, кПа:

Результаты расчетов следует свести в итоговую таблицу и построить график зависимости потери давления от скорости теплоносителя.

Таблица 7

Рис. 16

4. Расчет толщины стенок элементов парогенератора

4.1 Общие положения

Цель расчета. Определение номинальных толщин стенок элементов ПГ (коллектор, обечайка и днище корпуса, трубка ПТО), находящихся под разностью давлений.

Примечания.

1. Нормы расчетов на прочность предусматривают 2 вида расчетов: предварительное определение основных размеров конструкционных элементов; подробный поверочный расчет на прочность. В объеме данной работы выполняется предварительный расчет на прочность в части определения толщин стенок.

2. Расчет жесткости конструкционных элементов ПГ, вибрационные расчеты, расчеты на циклическую прочность, а также расчеты термических напряжений, - в объеме данной работы не проводятся.

Выбор толщины стенок проводится по результатам расчета на прочность. Для расчета на прочность отдельного элемента ПГ необходимо:

· правильно выбрать материал,

· определить его основные прочностные характеристики:

o расчетное давление, действующее на стенку,

o расчетную температуру стенки,

o номинальное допустимое напряжение.

4.2 Выбор конструкционных материалов

Для изготовления корпуса (обечайки, днища) и коллекторов ПГ с погруженной поверхностью теплообмена используются низколегированные марганцовистые стали - 16ГНМ, 10ГН2МФА. Выберем 10ГН2МФА.

Если рабочие условия (температура стенки, давление) допускают применение низколегированных сталей, то коллекторы со стороны теплоносителя и части корпуса ПГ плакируют коррозионно-стойкими материалами (нержавеющая сталь, никель и др.). Плакировка проводится путем совместной прокатки заготовки из основного материала с тонкими листами защитных покрытий. При определении толщины элемента ПГ, толщину плакирующего слоя не учитывают.

В качестве материала трубок поверхности теплообмена ПГ, обогреваемого теплоносителем "вода под давлением", используются аустенитные нержавеющие стали типа 08Х18Н10Т.

4.3 Определение номинального допустимого напряжения

За номинальное допустимое напряжение [H] принимают меньшее из двух значений:

или (МПа).

Отсюда 193,7 МПа.

Здесь: вр. - минимальное значение предела прочности, МПа; t - предел текучести, МПа; Квр - коэффициент запаса по пределу прочности (Квр=2.6); Кt - коэффициент запаса по пределу текучести (Кt=1.5).

Значения пределов приведены в таблице.

Таблица 8

Примечание: если в таблице отсутствуют значения для нужной температуры, то нужно их определить методом интерполяции.

tр = 260°С : вр=503,63 МПа; t=308,63 МПа.

4.4 Выбор расчетного давления и расчетной температуры

Расчетное давление в рабочих условиях для элементов сосудов и аппаратов - давление, на которое производится расчет на прочность. Расчетное давление, как правило, равно рабочему (номинальному) давлению или выше.

При выборе рабочего давления pР учитывают рабочее и гидростатическое давление, гидравлическое сопротивление и повышение давления при срабатывании регулирующих и предохранительных устройств при нормальных условиях эксплуатации. Величину расчетного давления принимают равной 90% от величины максимального давления в рассчитываемом элементе при срабатывании предохранительных клапанов или других подобных устройств.

В случае, если элемент одновременно нагружен внутренним и наружным давлением, за расчетное давление следует принимать максимально возможную разницу величин этих давлений.

Предохранительные устройства должны выбираться с таким расчетом, чтобы максимальное давление в рассматриваемом элементе не превышало рабочее более чем на 25%.

Для корпуса ПГ в качестве расчетного давления следует принимать не менее 90% от максимально допустимого давления, при котором срабатывают предохранительные клапаны ПГ (РПК), МПа.

Таким образом, расчетное давление для элементов корпуса ПГ, МПа:

Р2Р=0.9ЧРПК= Р2Ч (1,151,20)= 4,6921Ч1,16=5,44.

В качестве расчетной температуры для элементов корпуса ПГ принимается температура рабочего тела t1Р = t2s.

Для трубок ПТО и коллекторов теплоносителя ПГ с погруженной поверхностью теплообмена в качестве расчетного давления целесообразно принимать 90% от максимального давления, создаваемого ГЦН.

Таким образом, расчетное давление для коллекторов теплоносителя можно принять Р1Р = Р1.

В качестве расчетной температуры для стенок коллектора и трубок ПТО принимается средняя температура теплоносителя t2Р = t1.

Расчет толщины стенки корпуса ПГ

(мм)

(мм)

мнимый корень, поэтому

(мм)

(мм)

Толщина стенки центральной обечайки корпуса, мм:

РР - расчетное давление, МПа;

dВН - номинальный внутренний диаметр ПГ, мм;

[H] - номинальное допустимое напряжение, МПа;

- минимальный коэффициент прочности элемента, ослабленного сварным швом или отверстиями.

Для центральной обечайки, где основные отверстия - под коллекторы теплоносителя - с косым расположением относительно оси сосуда:

Рис. 17

где m = s2/s1=1499/760=1,972

Для крайних обечаек значение можно принять равным 1.

С - добавка к толщине стенки, мм.

С=0 ( для обечайки, днища, коллектора, трубной доски):

номинальная толщина стенки днища корпуса, мм:

h - номинальная высота выпуклой части днища по внутренней поверхности, мм;

h = 0.2* dвн=bдн=669,6;

для днища можно принять = 1.

5. Оценка массы парогенератора

Общую массу ПГ на данном этапе будем рассчитывать как сумму, (кг)

МПГ = (МКОРП+МКОЛ+МПТО)·1,1

Здесь:

МКОРП- масса корпуса ПГ, кг;

МКОЛ - масса холодного и горячего коллекторов, кг;

МПТО - масса труб ПТО, кг.

Примечание. В основу расчетов положена формула, кг:

Мi= ViЧ(МАТ)i.

Здесь: Vi - объем металлоконструкции i-го элемента, м3;

(МАТ)i - плотность материала, кг/м3.

плотность материала = 7900 кг/м3

Рис. 18

1) Масса корпуса ПГ без днищ, кг

Длина корпуса без днищ, м:

Lбдн = L - 2*bДН= 7586 - 2·0,6696 = 6,247.

Корпус состоит из 3 обечаек (1 центральная + 2 крайних)

Длина центральной обечайки равна примерно 1/3 длины корпуса без днищ, м:

w1:Lц.об. = Lбдн /3 = 6,247/3=2,082.

w2:Lц.об. =2,657

w3:Lц.об. =3,184

w4:Lц.об. =3,846

w5:Lц.об. =4,182

длина крайней обечайки, м:

.

w2:= 2,657

w3:= 3,184

w4:= 3,846

w5:= 4,182

Масса крайней обечайки, кг:

Масса центральной обечайки, кг:

Здесь:

ск - плотность металла корпуса;

D - внутренний диаметр корпуса, м.

DКрОб - наружный диаметр крайней обечайки корпуса, м;

DКрОб = D+2·дкр.об=3,348+2·47,8·10-3=3,444;

DЦОб - наружный диаметр центральной обечайки корпуса, м;

DЦОб = D+2·дц.об=3,348+2·63,36·10-3=3,475;

2) Масса днища, кг.

Здесь:

НДН.В - внутренняя высота днища (НДН.В.= 0,2ЧDКОРП.В.= bДН=0,6696), м;

НДН.Н - наружная высота днища (НДН.Н = НДН.В +ДН=0,696+59,23·10-3=0,729), м;

ДН= 59,23·10-3 - толщина днища, м.

3) Общая масса корпуса, кг

Мкорп = 2*Мкр.об. + Мц.об + 2*Мдн=2·8423+11193,8+2·4720,3=37480;

4) Суммарная масса горячего и холодного коллекторов, кг

.

Здесь:

, м3;

, м3.

Рис. 19

Нвх = h1 + 0,5=0,4+0,5=0,9;

Нпто = h2=1,848;

Нвых = h3+h4+h5=0,15+0,800+0,3=1,35; м.

n = 8624 - общее число трубок ПТО, шт.

5) Масса теплообменной поверхности ПТО, кг.

Здесь: ПТО - кг/м3; l, d - м.

6) Общая масса ПГ, кг:

МПГ = (МКОРП+МКОЛ+МПТО)·1,1= (37480+13208.2+19048.4)·1,1=76711.

Таблица 9

6. Технико-экономическая оптимизация парогенератора

Расчетные затраты на изготовление ПГ и его эксплуатацию в течение всего срока службы определяется следующим образом, у.е./год: ЗПГ = SКАП + SЭКСПЛ.

Затраты на эксплуатацию.

1) мощность главного циркуляционного насоса (ГЦН), [кВт]

- КПД главного циркуляционного насоса.

- гидравлические потери давления теплоносителя в 1-ом контуре, Па.

- расход теплоносителя через ПГ, кг/с;

2) мощность питательного насоса, [кВт]

- можно принять = 50000 Па, гидравлические потери давления питательной воды во 2-ом контуре

.

3) эксплуатационная составляющая затрат (Sэкспл) складывается из следующих составляющих, у.е./ год.

w1:SЭКСПЛ = (NГЦН + NПН)· ф ·ЦЭ=(+8,79)·7000·0,0111=44634

w2: SЭКСПЛ =49966

w3: SЭКСПЛ =58797

w4: SЭКСПЛ =76274

w5: SЭКСПЛ =89969,

где:

ф = 7000 ч/год; - число часов использования оборудования

ЦЭ = 0,0111 [у.е./кВт·ч]

Стоимость ПГ (затраты на изготовление).

Цпг = Цi, [у.е.]

Вн - коэффициент неучтенных затрат, Вн = (1,2 - 1,3) = 1,2- при эскизном проектировании, i - количество элементов ПГ: обечайка корпуса, днище корпуса, коллектор, трубки ПТО.

4) Ki = ВПРi СMi/ИMi + ВЗПiЗпi - стоимостный комплекс узла.

Таблица 10

5) Стоимость каждого узла

Цi = Вн · Мi·Ki, [у.е.],

где М - масса узла (из предыдущего раздела),

Вн - коэффициент неучтенных затрат,

Вн = (1,2 - 1,3) = 1,2- при эскизном проектировании.

Примечание: массу обечайки и днищ - пересчитать отдельно, кг:

w1:Моб. = 2*Мкр.об. + Мц.об = 2·8423+11193,8=28039,8;

w2:Моб. = 30274,5

w3:Моб. =36279,5

w4:Моб. =43822,3

w5:Моб. =47650,8

w1:Мднищ = 2*Мдн=2·4720,3=9440,6.

w2-w5:Мднищ =7482,6

w1:Цоб = Вн · Моб·Kоб=1,2·28,03987·4147,14=139542;

w2:Цоб =150663

w3:Цоб =180547

w4:Цоб =218085

w5:Цоб =237138

w1:Цднищ = Вн · Мднищ·Kднищ=1,2·9,4406·5024,25=56918;

w2-w5: Цднищ =45113,34

w1: Цкол = Вн · Мкол·Kкол=1,2·13,2088·6835,57=108347;

w2: Цкол =104334;

w3: Цкол =105418;

w4: Цкол =111748;

w5: Цкол =110037;

w1: Цтр = Вн · Мтр·Kтр=1,2·19,0484·16486,3=376846.

w2: Цтр =336503;

w3: Цтр =314894;

w4: Цтр =301223;

w5: Цтр =291707;

6) Стоимость ПГ:

w1:Цпг = Цi=139542+56918+108347+376846=681654;

w2: Цпг =636614;

w3: Цпг =645972;

w4: Цпг =676170;

w5: Цпг =683995 [у.е.], - сумма стоимостей всех узлов.

7) Капитальная составляющая затрат (на изготовление ПГ).

Кнорм = 0.3135

w1:SКАП = Кнорм ЦПГ = 0,3135·681654=213698

w2: SКАП =199578

w3: SКАП =202512

w4: SКАП =211979

w5: SКАП =214432, у.е./ год

8) Расчетные затраты на ПГ в год

w1:ЗПГ = SКАП + Sэкспл = 213698+ 44634 = 258333

w2: ЗПГ =249544

w3: ЗПГ =261309

w4: ЗПГ =288253

w5: ЗПГ =304402, у.е./ год

9) Построить графики зависимости ЗПГ, SКАП, Sэкспл от скорости теплоносителя и определить значение скорости при минимуме расчетных затрат.

Весь дальнейший расчет ведется для этой оптимальной скорости теплоносителя.

Таблица 11

Рис. 20

Из графика видно, что минимуму расчетных затрат соответствует скорость 3,007 м/с.

7. Расчет разверки поверхности теплообмена горизонтального парогенератора

1) Минимальная и максимальная длина трубок ПГ - берутся из конструкционного расчета - используются данные для оптимальной скорости теплоносителя, м:

lмах = 2 Lпр + рRбол + 0.9·Dкн = 2·2,302+р1,303+0,9·0,76=9,383;

lмin = 2 Lпр + рRмал+ 0.9·Dкн = 2·2,302+р0,075+0,9·0,76=5,525;

2) конструктивная неравномерность:

для трубки минимальной длины:

для трубки максимальной длины:

Для данного расчёта парогенератора принять зк=1.

3) гидравлическая неравномерность

для трубки минимальной длины:

для трубки максимальной длины:

где ПТО - коэффициент трения (из гидравлического расчета),

- сумма коэффициентов местного сопротивления (из гидравлического расчета);

4) Скорости теплоносителя в трубках, [м/с] для трубки минимальной длины:

для трубки максимальной длины:

5) Расчет удельных тепловых потоков для трубок с lMIN и lMAX ведется аналогично тепловому расчету - задача определить и (расчет сводится в таблицу)

Таблица 12

Критерий Рейнольдса для теплоносителя:

парогенератор теплоноситель трубопровод

Критерий Нуссельта в случае теплообмена при турбулентном течении неметаллических жидкостей и газов в прямых трубах:

Numin = 0.021 · Remin0.8· Pr10.43=0,021·3276660,8·0,84790,43=505,537

Numax = 0.021 · Re20.8· Pr0.43=0,021·2616010,8·0,84790,43=422,201

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке, Вт/(м2Чград):

Вычисляем значение коэффициента А:

Плотность теплового потока, Вт/м2:

.

Обозначим как “В”.

Вычисляем значение коэффициента B, (м2Чград)/Вт -для каждой скорости:

Истинное значение q находим из решения уравнений для условий на входе и выходе теплоносителя

Вход теплоносителя:

Выход теплоносителя:

;

qвх= kвх·tБ.qвых= kвых·tм.

Решаем системы уравнений в Mathcad.

Коэффициент теплопередачи,

Вт/(м2Чград) и плотность теплового потока, Вт/м2

Среднеарифметический коэффициент теплопередачи, Вт/(м2Чград)

Максимальный и минимальный тепловой поток, Вт/м2:

6) Тепловая неравномерность

для трубки минимальной длины:

для трубки максимальной длины:

где qср=147017,6Вт/м2 берется из теплового расчета для трубки средней длины при скорости, принятой за оптимальную.

7) тепловая разверка:

для трубки минимальной длины:

для трубки максимальной длины:

8) Изменение теплосодержаний по длине трубок:

- для трубок средней длины (lСР), [кДж/кг].

.

значения и определяются по давлению теплоносителя и температурам теплоносителя на входе в ПГ и выходе из него (по таблицам свойств воды); для трубки минимальной длины,

для трубки максимальной длины,

9) Энтальпия греющей среды на выходе из трубок ПТО, [кДж/кг]:

;

;

.

10) Температура греющей среды на выходе из трубок ПТО, С:

Эти значения используются для оценки неравномерности термических напряжений в холодном коллекторе.

8. Расчет сепарации и сепарационных устройств

Расчет гравитационной сепарации сводится к определению критической высоты парового пространства и влажности по высоте. Для схемы с жалюзийным сепаратором требуется доказать, что нижняя кромка жалюзи не затоплена пароводяной смесью. При использовании схемы без жалюзи (с ПпДЛ) должно быть доказано, что влажность на уровне кромки листа не превышает нормируемого значения.

ПпДЛ или жалюзийный сепаратор должен быть расположен на высоте, превышающей критическую высоту парового пространства с учетом набухания.

Рис. 21

1) Приведенная скорость пара на выходе с зеркала испарения:

w” = DПГ ·v” / SЗИ=(120·0,074282)/24,761=0,36, [м/с]

v” = 0,074282 м3/кг - по таблицам при Р2=4,6921 МПа,

SЗИ - площадь зеркала испарения, м2, - из эскизного чертежа

SЗИ = Lбд·Dвн=7,972·3,106=24,761;

длина корпуса ПГ без учета днищ, м:

Lбд = 2·Lцил + Dкн=7,972,

из конструкционного расчета.

Dвн=3,106, м;

2) Паровая нагрузка зеркала испарения:

R = 3600 w”=3600·0,36=1620 , [м3/(м2 ч)].

3) Истинное паросодержание при барботаже пара через слой воды над ПДЛ:

,

где Р0 =4,6921- давление пара в МПа.

4) Действительный уровень пароводяной смеси над ПТО, м:

hД = hВ/(1 - б)=0,15/(1-0,437)=0,266;

где hВ = 0,15 м - весовой (массовый) уровень воды .

5) Критическая высота парового пространства для ПГ без жалюзийного сепаратора:

hкр = 0,154 W” (4+1,43 P2) - 0,115=0,154·0,36·(4+1,43·4,6921) - 0,115=0,474; [м]

6) Высота установки ПпДЛ:

hППДЛ = (h3 + h4)=0,15+0,8=0,95, [м] где h3 и h4 - в [м]

Высота установки ПпДЛ с учетом критической высоты, м:

(hППДЛ)кр = hкр + hд =...