Оптимізація ефективності теплообміну в парогенераторі реактора ВВЕР-1000 АЕС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Український державний хіміко-технологічний університет

Кафедра енергетики

Курсовий проект

з дисципліни «Оптимізація тепломасообмінних процесів і установок»

тема: «Оптимізація ефективності теплообміну в парогенераторі

реактора ВВЕР-1000 АЕС»

Глухов В.С.

м. Дніпро, 2020 г.

Завдання

Сформулювати і вирішити задачу оптимізації теплообміну в парогенераторі реактора ВВЕР-1000 АЕС. Задати вихідні дані, програму оформити у вигляді стандартної процедури, проаналізувати отримані результати, побудувати необхідні графічні залежності.



Реферат

У курсовій роботі розроблена математична модель руху теплоносіїв в парогенераторі, для оптимізації руху теплоносіїв при теплообміні.

Розроблена математична модель була реалізована на ЕОМ при використанні чисельного методу кінцевих різниць.

Мета роботи:

побудувати математичну модель, задати початкові данні та реалізувати на ЕОМ. При рішенні використовували чисельний метод, будували графік залежності.

У роботі зустрічаються такі слова:

- тепловий баланс;

- теплоємність;

- температура;

- рух;

- ефективність;

- теплообмін.



Зміст

програма теплообмін парогенератор реактор

Вступ

1. Опис об'єкта оптимізації

2. Постановка завдання оптимізації

3. Математична постановка задачі

4. Вибір методу для вирішення задачі оптимізації

5. Алгоритм реалізації програми

Висновок

Список використаної літератури



Вступ

Рівень розвитку реакторобудуввання певною мірою залежить від вивчення гідродинаміки і теплообміну теплоносіїв в елементах активної зони ядерних реакторів. Необхідність знання процесів теплообміну і гідродинаміки вивчається тим, що ядерні реактори являються собою енергетично напружені теплові машини, в яких зазначені процеси проявляються в досить складній формі.

Ядерна енергетика або атомна енергетика - галузь енергетики, що використовує ядерну енергію для електрифікації і теплофікації та область науки і техніки, що розробляє методи і засоби перетворення ядерної енергії в електричну і теплову.

До теплоносіїв, що використовується в ядерній енергетиці Ставляться спеціальні вимоги: прийняті ядерно-фізичні властивості, мінімальний вплив на конструкційні матеріали, стійкість при опроміненні, термічна стійкість, низька хімічна активність, висока температура кипіння, невелика в'язкість, висока теплопровідність, велика теплоємність, низька вартість теплоносія і т.д. важко знайти теплоносій, який влаштував би всім цим вимогам в рівній мірі.

Кожен з теплоносіїв, що використовується в ядерній енергетиці, має переваги і недоліки, що визначають область його застосування. Вибір теплоносія здійснюється з урахуванням всіх фізико-технічних потреб. Велика увага при цьому приділяється теплофізичним і гідродинамічним характеристикам теплоносія.

Оптимізація - процес максимізації вигідних характеристик, співвідношень (наприклад, оптимізація виробничих процесів і виробництва), і мінімізації витрат.

В даний час системний підхід використовується і піддається осмисленню філософами, біологами, кібернетики, фізиками, інженерами, соціологами, економістами та іншими фахівцями. Системні уявлення все ширше включаються в навчальний процес багатьох вузів, і в даний час такі курси, як «Теорія систем», «Системний аналіз», «Системологія», служать базовою освітою для багатьох спеціальностей. Системний підхід увійшов в сучасну теорію організації управління як особливо затребувана методологія наукового аналізу і мислення. Здатність до системного мислення стала однією з вимог до сучасного керівника, особливо, до проектного менеджера. Системне мислення - не справа вільного вибору, а виробнича необхідність. Без нього практично неможливо сьогодні займатися оптимізацією будь-яких складних систем, в тому числі, технічних.

Так як теплоенергетика є однією з найважливіших галузей 21 століття в умовах, коли невідновлюваних ресурсів планети стає все менше, а ця галузь займається перетворенням теплоти в інші види енергії, необхідно максимально відповідально підходити до поняття оптимізації обладнання та звичайно ж безпосередньо робочого процесу. В основі всієї інженерної діяльності лежить процес оптимізації, оскільки класичні функції інженера полягають в тому, щоб з одного боку проектувати нові більш ефективні і менш дорогі системи, а з іншого боку розробляти методи підвищення якості функціонування існуючих систем. При цілеспрямованому управлінні будь-яким процесом можна визначити яку дію веде до кращих результатів, а яке - до гірших. А також кількісно оцінити результат кожної дії і вибрати найкращий, тобто оптимізувати його. У найширшому сенсі під оптимізацією розуміють вибір оптимального варіанту аналізованого рішення.



1. Опис об'єкта оптимізації

Реактор ВВЕР-1000 - водо-водяний енергетичний реактор корпусного типу, з водою під тиском. Термін «водо-водяний» означає, що сповільнювачем нейтронів і теплоносієм, що відводить виділяється в реакторі тепло, служить знесолена борована вода.

Парогенератор є одиничний теплообмінний апарат або їх сукупність. В парогенераторі здійснюється виробництво робочого пара з використанням тепла, що відводиться з активної зони реактора охолоджуючої середовищем, яке б в поверхні нагріву парогенератора. Цей агрегат поряд з ядерним реактором і паровий турбіною відноситься до основного обладнання двохконтурной паротурбінної АЕС.

Основні характеристики парогенератора АЕС такі ж, як в парогенераторі на ТЕС: паропродуктивність, параметри пара і температура живильної води. Важливим показником якості пара є його чистота (вміст домішок), а для насиченого пара і вологість. У загальному випадку парогенератор складається з нагрівального (водяний економайзер), парогенеруючого (випарник) і перегріваючого (пароперегрівача) елементів. Вони можуть бути суміщені в єдиному корпусі або ж виконуватися в вигляді самостійних теплообмінників.



2. Постановка завдання оптимізації

Критерієм оптимальності виступає коефіцієнт ефективності теплообміну. Задача оптимізації руху теплоносія в парогенераторі є пошук екстремуму коефіцієнта ефективності теплообміну. Параметр, що оптимізуються, це параметр теплопередачі та відношення водяного еквіваленту .

Початкові дані:

Теплова потужність Q = 750 МВт

Температура теплоносія

В першому контурі: t^вх_гщ = 550°C

В другому контурі: t^вх_нг = 330°C

Теплоємність теплоносія: с_р = 2126 Дж/кгК

Площа теплообміну теплообміника F = 5020 м²;

3. Математична постановка задачі

Рівняння теплового балансу[1]:

- теплова потужність, підведена в теплообмінник гріючи теплоносієм, Вт;

- теплова потужність, що генерується в теплообміннику у результаті гідравлічного опору відповідних трактів теплоносія, Вт;

- теплова потужність, відведена з теплообмінника нагріваємим теплоносієм, Вт;

- теплова потужність, відведена у оточуючу середу.

Розмір сумарної потужності складає долю відсотка від сумарної потужності теплообмінників, працюючих на рідких теплоносіях. Втрати в оточуюче середовище для сучасних великих теплообмінників складає долі відсотка[1].

Так як вказані величини малі й частково компенсують одне одного, то можливо враховувати коефіцієнт корисної дії великих теплообмінників на номінальному режимі близьким до одиниці, звідки:

Q - теплова потужність теплообмінника на номінальному режимі роботи, Вт

Розрахунок коефіцієнту ефективності теплообмінника

Де - параметр теплопередачи; - відношення водяних еквівалентів

Приймаємо рух теплоносіїв перехресним, який не перемішується, з цього виходить[1]:



Розрахунок масової витрати теплоносія, кг/с

В першому контурі

В другому контурі

Кінцеві температури теплоносія на виході з теплообмінника приймаємо:

Середній коефіцієнт тепловіддачі k:

- діаметр труб; - товщина стінок;

- теплопровідність стінок труб, Вт/мК;

- коефіцієнт тепловіддачі у міжтрубному просторі, приймаємо 31000 Вт/м²К;

- коефіцієнт тепловіддачі у трубному просторі, приймаємо 38000 Вт/м²К;



4. Вибір методу для вирішення задачі оптимізації

Для вирішення поставленого завдання застосовуємо метод сканування він полягає в послідовному обчисленні значення цільової функції в ряді точок, що належать області зміні оптимальних змінних і знаходження серед цих точок такої в якій цільова функція досягає свого екстремального значення. Точність цього методу залежить від того наскільки часто розташовані вибрані точки в області зміни оптимальних змінних.

Переваги методу є те, що його застосування гарантує відшукання глобального екстремуму, а також незалежність пошуку від виду оптимальної функції.

Недоліком є те, що необхідно обчислити значення цільової функції для більшого числа точок. доп. обмеження на незалежні змінні не ускладнюють, а навпаки спрощують застосування методу сканування, тобто точки не задовольняють заданим умовам.

5. Алгоритм реалізації програми.

Розрахунок виконуємо у наступній послідовності:

Приймаємо теплоносій - вода, з теплоємністю с_р = 2126 Дж/кг*К

1. Приймаємо діаметр труб 25 мм з товщиною стінок 2 мм з обох сторін та розраховуємо середній коефіцієнт теплопередачі k:

2. Визначаємо різницю температур між теплоносіям



3. Визначаємо витрату теплоносія у контурах

4. Визначаємо параметр теплопередачи :

Визначаємо відношення водяних коефіцієнтів m:

5. Розраховуємо коефіцієнт ефективності теплообмінну для противотоку та прямо току

6. Виконуємо, ще 9 разів з кроком по температурі +5

7. Отримуємо набір даних з температурним діапазоном та

8. Будуємо графік



Висновок

У даній роботі був обраний метод для досягнення максимально точних результатів пошуку екстремуму ефективності теплообміну в парогенераторі на АЕС.

У результаті розрахунків було з'ясовано, що режим руху теплоносія та його об'ємні, масові швидкості мають вплив на ефективність теплообміну між нагрівальною та гріючою середою.

За результатами розрахунку, було побудовано графік функції , на перетині кривих та проводиться перпендикуляр на ось абсцис, на якій градуйовано значення - ета, коефіцієнт ефективності теплообміну між двома теплоносіями в теплообміннику, по графіку в Додатку 2, видно що оптимальною, на перетині двох кривих, точкою є значення між точками 4 та 5.



Список використаної літератури

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ «ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС», РД 24.035.05-89, МИНИСТЕРСТВО ТЯЖЕЛОГО, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ СССР. Л 1991 - 210 с.

2. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчета). М., Атомиздат, 1975. (авт.: Субботин В.И., Ибрагимов М.Х., Ушаков П.А., Бобков В.П., Жуков А.В., Юрьев Ю.С.) 408 с.

3. Романов В.І, Коломєєв В.М., Ксендзюк М.В., Дикий М.О., Кривуца В.А., Шевцов А.П., Кучеренко О.С. Підвищення ефективності функціонування утилізаційного контуру КГПТУ «Водолій» // Нафтова і газова промисловість, Науково-виробничий журнал. ? Київ. ? 2000, ? №6, С. 270

4. Валерий Иванов «Эксплуатация АЭС. Учебник», Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1994. - С. 384

5. Митенков Ф.М., Головко В.Ф., Ушаков П.А., Юрьев Ю.С. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС М.: Энергоатомиздат, 1988. - 296 c.

6. Сайт https://openedu.urfu.ru/files/book/%D0% 93% D0% BB % D0% B0% D0% B2% D0% B0% 201.html



Додатки

Додаток 1

Type

TForm1 = class(TForm)

procedure Button1Click (Sender: TObject);

procedure FormCreate (Sender: TObject);

private

{Private declarations}

public

{Public declarations}

end;

var

Form1: TForm1;

implementation

{$R *.dfm}

procedure TForm1. Button1Click (Sender: TObject);

var Q, cp, k, ALFAmtr, ALFAtr, LMBDst, dn, delta, F:real;

i:integer;

Tvhgr, Tvihgr, Tvhng, Tvihng, dTp, dTgr, dTng, Ggr, Ggn, pt, m, eta:array [1..10] of real

begin

If (Form1. Edit1. Text='') or (Form1. Edit2. Text='') or (Form1. Edit3. Text='') or (Form1. Edit4. Text='')

Then

begin

Memo1. Clear;

Memo1. Lines. Add ('Не всі поля заповнені!');

End

Else

begin

Q:=StrToFloat (Edit1. Text);

Tvhgr:=StrToFloat (Edit2. Text);

Tvhng:=StrToFloat (Edit3. Text);

cp:=StrToFloat (Edit4. Text);

ALFAmtr:=38000;

ALFAtr:=48000;

dn:=25;

delta:=2;

F:=1600;

LMBDst:=20.6;

If (Q<=0) or (Tvhgr<=0) or (Tvhng<=0) or (cp<=0) then

begin

Memo1. Clear;

Memo1. Lines. Add ('Дані не можуть дорівнювати, або бути менше нуля!');

End

Else

begin

k:=1/((1/ALFAmtr)+(dn/2*LMBDst)*(ln (dn/(dn - (2*delta))))+((1/ALFAtr))*(dn/(dn - (2*delta)));

for i:=1 to 10 do

begin

Tvhgr[i]:=Tvhgr+5*(i-1);

Tvhng[i]:=Tvhng+5*(i-1);

Tvihgr[i]:=Tvhgr-40+2,5*(i-1);

Tvihng[i]:=Tvhng+40+2,5*(i-1);

dTp[i]:=Tvhgr[i] - Tvhng[i];

dTgr[i]:=Tvhgr[i] - Tvihgr[i];

dTng[i]:=Tvihng[i] - Tvhng[i];

Ggr[i]:=Q/(cp*dTgr);

Gng[i]:=Q/(cp*dTng);

m[i]:=Ggr[i]/Gng[i];

pt[i]:=k*F*(cp*Gng[i]);

etapro[i]:=(1-2.71828182846*(-pt*(1-m)))/(1-m*2.71828182846*(-pt*(1-m)));

etapria[i]:=(1-2.71828182846*(-pt*(1+m)))/(1+m);

Memo1. Clear;

Memo1. Lines. Add ('Температура вх гщ '+FloatToStr (Tvhgr[i]));

Memo1. Lines. Add ('Температура вих гщ '+FloatToStr (Tvihgr[i]));

Memo1. Lines. Add ('Температура вх нг '+FloatToStr (Tvhng[i]));

Memo1. Lines. Add ('Температура вих нг '+FloatToStr (Tvihng[i]));

Memo1. Lines. Add ('Пар-р теплопередачі '+FloatToStr (pt[i]));

Memo1. Lines. Add ('Співвідношення вод. коеф '+FloatToStr (m[i]));

Memo1. Lines. Add ('Коеф еф. то '+FloatToStr (etapro[i]));

Memo1. Lines. Add ('Коеф еф. то '+FloatToStr (etapria[i]));

End

series1. Addxy (pt[i], m[i]);

series2. Addxy (m[i], pt[i]);

end;

END.



Додаток 2

Размещено на Allbest.ru

...