反應(yīng)堆熱工分析課程設(shè)計(jì).doc

核反應(yīng)堆熱工分析課程設(shè)計(jì)學(xué) 生：楊偉學(xué) 號(hào)：20094271指導(dǎo)教師：陳德奇專 業(yè)：核工程與核技術(shù)完成時(shí)間:2012年7月5日重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院二O一二年六月 1 設(shè)計(jì)目的 通過本課程設(shè)計(jì)，達(dá)到以下目的：(1) 深入理解壓水堆熱工設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；(2) 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(jì)中的應(yīng)用；(3) 掌握堆芯焓場(chǎng)的計(jì)算并求出體現(xiàn)反應(yīng)堆安全性的主要參數(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；(4) 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；(5) 通過本課程設(shè)計(jì)，掌握壓水堆熱工校核的具體工具；(6) 掌握壓降的計(jì)算；(7) 掌握單相及沸騰時(shí)的傳熱計(jì)算。 2 設(shè)計(jì)題目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)如表1所示：表1：序號(hào)反應(yīng)堆主要參數(shù)No.31系統(tǒng)壓力 P 15.5MPa2堆芯輸出熱功率 Nt 3016 MW3冷卻劑總流量 W 68500t/h4反應(yīng)堆進(jìn)口溫度 tfin 292.45堆芯高度 L 3.66m6燃料組件數(shù) m 1577燃料組件形式n0n017178每個(gè)組件燃料棒數(shù) n 2649燃料包殼外徑dcs9.5mm 10燃料包殼內(nèi)徑dci8.36mm 11燃料包殼厚度 c 0.57mm12燃料芯塊直徑 du8.19mm13燃料棒間距（柵距）s 12.6mm 14兩個(gè)組件間的水隙 0.8mm 152UO芯塊密度 UO2 95%理論密度16旁流系數(shù) 5%17燃料元件發(fā)熱占總發(fā)熱的份額 Fa 97.40%18徑向核熱管因子 FRN 1.3519軸向核熱管因子 FZN 1.520熱流量核熱點(diǎn)因子 FqN=FRN*FZN 2.02521熱流量工程熱點(diǎn)因子FqE1.0322焓升工程熱管因子 FHE（未計(jì)入交混因子）1.14223交混因子 FHmE0.9524焓升核熱管因子 FHN=FRN1.3525堆芯進(jìn)口局部阻力系數(shù) Kin 0.7526堆芯出口局部阻力系數(shù) Kout 127堆芯定位隔架局部阻力系數(shù) Kgr1.05將堆芯自下而上分為6個(gè)控制體，其軸向歸一化功率分布如表2所示：表2：堆芯歸一化功率分布自下而上控制休號(hào)123456Phi.10.480.981.611.541.010.383 計(jì)算過程及結(jié)果分析3.1流體堆芯出口溫度(平均管) Cp按15.5MPa下流體平均溫度tf =(tf,out + tf,in)/2查表得。假設(shè)出口溫度為320，則tf=（292.4+320）/2=306.2，差得Cp=5.836KJ/Kg。 由于 |320 -320.246|0.5 滿足條件3.2燃料棒表面平均熱流密度q q=FaNt/F總 W/m2式中F總為堆芯內(nèi)燃料棒的總傳熱面積 F總= mndcsL m2燃料棒表面最大熱流密度qmax qmax= qFqNFqE W/m2燃料棒平均線功率 ql ql=qdcsLL=qdcs W/m燃料棒最大線功率ql，max ql，max=qlFqNFqE W/m根據(jù)以上已知的公式查表可計(jì)算得：F總= mndcsL= 1572640.00953.66=4527.493 m2q=FaNt/F總= 0.9743016000000/4527.493=648832.385 W/m2qmax= qFqNFqE= 648832.3852.2051.03=1353302.15 W/m2ql=qdcsLL=qdcs= 648832.385 0.0095=19364.4706 W/m ql，max=qlFqNFqE=19364.47062.2051.03=40389.4446 W/m3.3平均管的情況 平均管的流速 V=WefAff=W（1- ）Aff式中，堆芯內(nèi)總流通面積Af= m(n0n0) S2-4dcs2+4(n0S)2n0為燃料組件內(nèi)正方形排列時(shí)的每一排（列）的燃料元件數(shù)。f由壓力以及流體的平均溫度tf查表得到：f=1v根據(jù)以上公式，查表有：Af= m(n0n0) S2-4dcs2+4(n0S)2= 15717*17*(0.0126*0.0126-3.14159*0.0095*0.0095/4)+(4*17*0.0126*0.00057/2) =4.0256 m2f=1v=713.0373895 Kg/m3V=WefAff=W（1- ）Aff=685000.954.0256713.0373.6=6.2975 m/s3.4為了簡化計(jì)算，假定熱管內(nèi)的流體流速Vh和平均管的V相同。（實(shí)際上，應(yīng)按照壓降相等來求。熱管內(nèi)流體流速要低一些）。則Vh=V同樣，熱管四根燃料元件間組成的單元通道內(nèi)的流量 Wh=W（1- ）AfAb Ab=S2-4dcs2所以，根據(jù)查表一及以上算出的數(shù)據(jù)可以得出： Ab=S2-4dcs2=0.01262-40.00952=8.787810-5 m2 Wh=W（1- ）AfAb=685000.954.02568.787810-5=1.42056 t/h3.5熱管中的計(jì)算（1） 熱管中的流體溫度：tf.hz=tf.in+qFRN（FHEF HmE)dcsWhCp0z（z）dz自下而上控制休號(hào)123456Phi.1(z)0.480.981.611.541.030.38上述公式中，對(duì)于每一控制體，只有兩個(gè)變量比熱容Cp和0z(z)dz，一般采用迭代法，可求的對(duì)于每一個(gè)控制體的出口為溫度 tf,h(z).而但對(duì)于每一個(gè)控制體的高度Z=i*L/6，通道長度為Li=L/6。第一控制體出口溫度tf，h（L/6）=310時(shí)，平均溫度tf=301.2, 在壓力P=15.5MPa下 ，查核反應(yīng)堆熱工分析附錄-5，用插值法可求的Cp值，按上述公式算出口溫度如下：tf.hz=tf.in+qFRN（FHEF HmE)dcsWhCp0z（z）dz=292.4+648832.385W/m21.351.030.00951.42056 m/s5.53143874KJ/Kg0.483.66m/6=296.204553216481再將得出的溫度值帶回公式計(jì)算，迭代幾次，滿足|tf，h* -tf，h|0.5為止?？傻胻f，out=296.5096583954，tf=294.4548291977，平均溫度下Cp=5.12077915900873 KJ/(Kg. )同理可求得：第二控制體，tf，out=304.342805319118，第三控制體：tf，out=315.958089043401第四控制體：tf，out=325.980709114068第五控制體: tf，out=332.107290336826第六控制體: tf，out=334.334002118654出口處包殼外壁溫度： tcs.hz=tf.hz+f.hz1 =tf.hz+qFqN FqEh(z) =tf.hz+qFRN (z)FqEh(z)式中：h(z)可以用Nu=h(z)Dek(z)= 0.023Re0.8Pr0.4來求。所以，h(z)= 0.023Re0.8Pr0.4k(z)De式中：Re=GDe=WhAbDe De=4AbU=4(S2-4dcs2)dcs流體的k(z)、（z）和Pr數(shù)根據(jù)流體的壓力和溫度由表查得。如果流體已經(jīng)達(dá)到過冷沸騰，用Jens-Lottes公式： tw-ts=25(qFRN(z)FqE106)e-(p6.2)作為判別式。 f,h(z)2=twz-tf.hz=(twz-ts)+(ts-tf.hz) =25qFRNzFqE106e-p6.2+(ts-tf.hz)當(dāng) f,h(z)1 f,h(z)2時(shí)，用 f,h(z)2代替 f,h(z)1 根據(jù)以上公式，由壓力15.5MPa和第一控制體流體出口溫度tf，out= 296.5096583954下，查核反應(yīng)堆熱工分析附錄-4，用插值法可求= 82.7781110-6Pa.s,查附錄-6用插值法可求K(L/6)= 0.5333784 W/(m),查附錄-1，用插值法可求Pr=0.916390731539由上述公式可求得 Ab=87.877875625 mm2 De=0.0117778611433935 m 所以 Re=GDe=WhAbDe = 1.42056 t/h0.0117778611433935 m/（87.877875625 mm2 0.0117778611433935 m =638895.431832063由Nu=h(z)Dek(z)= 0.023Re0.8Pr0.4來求得：h(z)= 0.023Re0.8Pr0.4k(z)De= 0.023638895.4318320630.8（0.916390731539）0.40.5333784 W/(m)0.0117778611433935 m=44347.8869710167 W/m2第一控制體出口處包殼外壁溫度：tcs.hz=tf.inz+f.hz1=292.4+648832.385W/m21.351.030.483.66m/（644347.8869710167 W/m2）=306.274648709703同理可求得：第二控制體，tcs.h(z)= 324.798495876569，第三控制體：tcs.h(z)= 347.044421870365第四控制體：tcs.h(z)= 347.019524456658第五控制體: tcs.h(z)= 346.796531681631第六控制體: tcs.h(z)= 341.567022638538出口處包殼內(nèi)壁溫度:tci.hz=tcs.hz+c.h(z) =tcs.hz+ql*FRN*FqE*(z)2kc(z)*ln(dcsdci)式中：Zr-4的 kz=0.005471.8tcz+32+13.8 W/m2 tcz=12(tcs(z)+tci(z)先假設(shè)出口處包殼內(nèi)壁溫度為400，求出平均溫度值tcz=12(tcs(z)+tci(z)=353.137324354851，依據(jù)公式；kz=0.00547*1.8*tcz+32+13.8，求出包殼導(dǎo)熱系數(shù)kz=17.4520300955979 W/m2。代入公式tci.hz=tcs.hz+c.h(z) =tcs.hz+ql*FRN*FqE*(z)2kc(z)*ln(dcsdci) =306.274648709703+19364.4706 Wm1.351.030.48217.4520300955979 W/m2 =318.298245150761將得出的內(nèi)壁溫度再次代入公式，如此迭代幾次，一直到滿足|tci，h* -tci，h|0.5算出出口處包殼內(nèi)壁溫度得出第一控制體 tci.hz =318.298245150761，包殼導(dǎo)熱系數(shù)kc(z)=17.06436 w/(m. )。同理可求得：第二控制體，tci.hz = 355.78551929507第三控制體：tci.hz= 397.04932317554第四控制體：tci.hz= 394.879379355877第五控制體: tci.hz= 378.332915275762第六控制體: tci.hz= 353.533052753641 出口處UO2的外表面溫度tu.hz： 采用接觸導(dǎo)熱型傳熱模型，取等效傳熱系數(shù)hg=5768W/m2.采用公式： tu,hz=tci,hz+qlFRNFqEzdci+du2hg將已知數(shù)據(jù)代入上式可以求的第一控制體出口處UO2的外表面溫度：tu,hz=tci,hz+qlFRNFqEzdci+du2hg =318.298245150761+ 19364.4706 W/m 1.351.030.480.00819m+0.00836m25768W/m2. =404.465729188671同理可求得：第二控制體，tu,hz = 531.764006043318第三控制體：tu,hz= 686.156837119092第四控制體：tu,hz= 671.417001388839第五控制體: tu,hz= 559.69849855712第六控制體:tu,hz= 421.769608839697出口處UO2的中心溫度t0.hz：用積分熱導(dǎo)率求解的公式：0t0.hzku(t)dt=0tu.hzku(t)dt+ql*FRN*FqE*(z)4*10-2根據(jù)第一控制體出口處UO2燃料芯塊表面的溫度tu,hz= 404.465729188671，在核反應(yīng)堆熱工分析表3-7中，用插值法查取0tu.hzku(t)dt =26.62140439 W/cm，根據(jù)ql*FRN*FqE*(z)410-2=10.2850876W/cm求出0t0.hzku(t)dt=36.90649199W/cm ，再反過來查取t0.hz=652.6220489。所以求的第一控制體出口處UO2的中心溫度：t0.hz=652.6220489。同理可求得：第二控制體，t0.hz = 1192.928084第三控制體：t0.hz= 2051.399855第四控制體：t0.hz= 1956.783425第五控制體: t0.hz= 1263.452292第六控制體: t0.hz= 615.60245613.6熱管中的qDNB,H(z);采用w-3公式計(jì)算，為了簡化計(jì)算,不考慮熱流密度非均勻分布影響。已知W-3公式如下：qDNB,Hz=3154000*2.022-0.00000006238*p+0.1722-0.0000000143*pEXP18.177- 0.0000005987*pXe(0.1484-1.596Xe-0.1729Xe|Xe|)0.2049G/1000000+1.037)(1.157-0.869Xe)0.2664+0.8357*EXP(-124*De)0.8258+0.000000341(hfs-hf,in) 根據(jù)壓力P=15.5MPa, De=0.0117778611433935 m, 查核反應(yīng)堆熱工分析附錄-2，用插值法可求當(dāng)z=L/6=0.61m時(shí)，tf.h(0.61)= 296.509658395485，hf(z)= 1318.71945982975J/Kg,進(jìn)口比焓值hf.in=1296.80496050637J/Kg. 查附錄-1,飽和水比焓值hfs=1629.85030094042J/Kg, 汽化潛熱 hfg=966.36642285691J/Kg.質(zhì)量流量G=WhAb =0.389974488*3600/87.87781575e-6=15975683.34(Kg/m2.h)平衡態(tài)含汽量Xe=(hf(z)-hfs)/hfg=(1296.80496050637J/Kg -1629.85030094042J/Kg)/ 966.36642285691J/Kg =-0.321959490470355將上述數(shù)據(jù)代入W-3公式可得: qDNB,Hz=31540002.022-0.00000006238*15.5106+0.1722-0.0000000143*15.5106EXP18.177- 0.0000005987*15.5106-0.321959490470355(0.1484-1.596（-0.321959490470355）-0.1729（-0.321959490470355）|-0.321959490470355|)0.204916165210.3456565/1000000+1.037)(1.157-0.869（-0.321959490470355）)0.2664+0.8357EXP(-1240.0117778611433935 )0.8258 +0.000000341(1629.85030094042-1296.80496050637)=6494814.28501949 W/m2同理可求得：第二控制體: qDNB,H(z) = 5826367.86074238 W/m2第三控制體：qDNB,H(z)= 4823186.70632454W/m2第四控制體：qDNB,H(z)= 3913996.35684406W/m2第五控制體: qDNB,H(z)= 3332080.43822718W/m2第六控制體: qDNB,H(z)= 3098682.28547186W/m23.7DNBR的計(jì)算 DNBR=qDNB,h(z)q(z)=qDNB,h(z)qFRNFqEz根據(jù)已經(jīng)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，第一控制體有：q= 648832.385 W/m2， qDNB,H(z) = 6494814.28501949 W/m2， z=0.48, FRN=1.35， FqE=1.03。所以又第一控制體的臨界熱流密度比：DNBR=qDNB,h(z)qFRNFqEz= 6494814.28501949 W/m2648832.385 W/m21.351.030.48= 14.9976076667741同理可求得：第二控制體，DNBR = 6.58974052256303第三控制體：DNBR = 3.32050918862467第四控制體：DNBR = 2.81706056922105第五控制體: DNBR = 3.65671060873903第六控制體: DNBR = 9.038366366649653.8計(jì)算熱管中的壓降單向流體的摩擦壓降 Pf=fLDeV22=fLDeG2v2式中 f=fisowfn=(0.3164Re0.25)wf0.6單項(xiàng)流體加速壓降 Pa=GVOUT-VIN=G2(vout-vin)0單項(xiàng)流體提升壓降 Pel=gL=in+out2gL 局部壓降： 出口 Pout=KoutoutVout22=KoutG2vout2 進(jìn)口 Pin=KininVin22=KinG2vin2 定位格架出口 Pgr=KgrgrV22=KgrG212(vout+vin)2其中，比容v按相應(yīng)的流體壓力和溫度，由表插得。對(duì)于第一控制體，壓力P=15.5MPa, 查核反應(yīng)堆熱工分析附錄-4，用插值法可求w= 86.0500910-6pas, f= 89.8749510-6pas, 查附錄-3,v=0.001363155882m3/Kg, 質(zhì)量流量G= 16165210.3456565 (Kg/m2h)所以f=0.0109030154969852。得出： Pf1=f*LDe*V22=f*LDe*G22 =0.01090301549698523.6660.011777861143393516165210.34565652 0.0013631558822 =7760.38521317303 Pa同理可求得：第二控制體，Pf2= 7792a第三控制體：Pf3 = 7699.25194407658Pa第四控制體：Pf4 = 8014.08723182286Pa第五控制體: Pf5= 8354.82019321861Pa第六控制體: Pf6 = 8641.49615763273Pa所以，總的摩擦壓降為：Pf=Pf1+Pf2+Pf3+Pf4+Pf5+Pf6=7760.38521317303Pa+7792a+7699.25194407658Pa+7699.25194407658Pa+8354.82019321861Pa+8641.49615763273Pa=48262.1848188906 Pa對(duì)于第一控制體，根據(jù)已經(jīng)計(jì)算出的溫度和已知的壓力得出的數(shù)據(jù)in=741.636451890832 Kg/m3, out=741.636451890832 Kg/m3，得出第一控制體提升壓降為： Pel1=gL=in+o