Расчет парогенератора, обогреваемого водой под давлением

Расчет парогенератора, обогреваемого водой под давлением

Исходные данные

1. Тепловая мощность N_тепл=500 [МВт]

2. P_I=14 [МПа]

3. t_вх= 330 ⁰C

4. t_вых= 290 ⁰C

5. P_II=3,5 [МПа]

6. t_{перегрева}=300 ⁰C

7. t_пит.в.=160 ⁰C

Парогенератор вырабатывает перегретый пар, схема генерации пара - прямоток.

Схема движения теплоносителей - противоток

Специальные требования - по рабочему телу ρw>=3000 кг/(м²*с)

Уравнения теплового баланса

Так как прямоточная схема генерации пара, следовательно D_{прдувки}=0

Запишем уравнения теплового баланса для ПГ:

, где

_ПГ - тепловая мощность ПГ_Т.Н. - расход теплоносителя [кг/сек]_эк, D_исп, D_пп - расход через экономайзерный, испарительный и перегревательный участок соответственно [кг/сек]._п.в., h^', h^'', h_пп - энтальпии, взятые по P_II и по Т_п.в., по P_II на линии насыщения и по P_II и Т_пп соответственно.,h1 - энтальпии, взятые по P_I и по Т_вх и Твых соответственно.

т.к. мы имеем прямоточный ПГ, то расходы через экономайзерный, испарительный и перегревательный участки будут равны: D_эк,= D_исп,= D_пп =Dрт

Выбор скоростей и расчет трубного пучка

Выберем в качестве материала трубок нержавеющую сталь 12Х18Н10Т - при не высоких температурах она обладает достаточными теплофизическими свойствами и коррозионной устойчивостью.

Если направить рабочее тело в межтрубное пространство, то при ограничениях на весовую скорость получается очень маленькое сечение межтрубного пространства, что приведет к малому сечению трубного пучка и большой скорости теплоносителя, который будет проходить в трубном пучке, порядка 30-50 м/с в зависимости от шага, что приведет к большим гидравлическим потерям, которые не целесообразны, по этому мы попробуем другой подход, направим рабочее тело в трубное пространство, что конечно не целесообразно с точки зрения технико-экономических характеристик, т.к. рекомендовано то, что теплоноситель с более высоким давлением нужно направлять в трубное пространство, для уменьшения затрат металла, т.к. это на прямую влияет на толщину стенки изделия, но зато мы сможем теперь задавать любое проходное сечение межтрубного пространства, регулируя всего лишь шаг трубного пучка. Посмотрим, что теперь получится со стороны рабочего тела, ведь на вскидку трудно сделать какие-либо оценки, т.к. в нем имеет место изменение агрегатного состояния.

Расчет толщины трубки

Определим проходное сечение:

Примем для рабочего тела ρw=3000 кг/(м²*с)

Тогда суммарная площадь проходного сечения трубок будет равна:

 [м²]

Выберем трубку 16*1.5 мм, по таблице определим по максимальной температуре, равной =330 ⁰C, [s_н]=18,8 кгс/мм²

где d_Р - толщина стенки [мм];

φ=1- для укрепленных отверстий

 кгс/мм² - расчетное давление [кгс/мм²]

- внутренний диаметр трубки

+ необходимость утолщения стенки для сохранения прочности в местах гиба, т.к. мы уже предполагаем конструкцию «змеевика», тогда оставим:

- эта толщина заранее удовлетворяет всем нашим требованиям по прочности и является стандартной.

Расчет числа трубок в ПГ:

 тогда

- суммарное (общее) проходное сечение трубок.

Расчет геометрии межтрубного пространства

Выберем поперечное обтекание трубок для того, чтобы уместить большую длину трубок в компактный корпус при конструкции «змеевика».

Примем скорость среднюю теплоносителя равной W1=5 м/с, тогда по средней температуре, равной tср=(290+330)/2=310⁰C, и давлению, равному P1=14МПа, найдем параметры теплоносителя:

ρ1= 701.71кг/м³

Тогда [м²] - площадь межтрубного пространства

Выбираем коридорное расположение трубок. Нам нужно сконструировать трубный пучок так, чтобы он вписывался, приблизительно, в квадрат, для того, чтобы его можно было вписать в окружность, т.е. корпус минимального диаметра, по этому сделаем следующее:

Площадь проходного сечения состоит из просветов между трубками, тогда пусть длина трубки, т.е. стороны квадрата, равна L, число просветов nпросв, число трубок поперек потока nтр, nпросв= nтр, ширина просвета Lпросв=t-dн, где t-шаг решетки, тогда площадь проходного сечения равна:

, тогда , в то же время:

, тогда имеем:

, отсюда:

У нас 546 трубок, их количество мы не можем увеличивать по условию, без изменения их диаметра, но мы можем их уменьшить, т.к. важно, чтобы вдоль потока их было как можно меньше и шаг между ними был оптимальным, тогда пусть число трубок равно 544, тогда можно разделить их на z1=8 рядов в направлении вдоль потока и z2=68 рядов поперек потока, тогда nтр=z2=68, тогда если решить квадратное уравнение, указанное выше, относительно шага решетки, то мы получим:=0.02194м, Lпросв=0.00594м, L=1.4931м

При количестве трубок равному 544 ρw=3011.23≈3000 кг/(м²*с)

Тепловой расчет парогенератора

Тепловой расчет по теплоносителю.

Экономайзер.

Коэффициент теплопередачи от теплоносителя к стенке при поперечном обтекании трубок с коридорным расположением, определяющим размером служит внешний диаметр трубки:

ξi - можно принять единице

- учитывает влияние на теплообмен шага трубного пучка

Испаритель.

Пароперегреватель.

Тепловой расчет по рабочему телу.

Экономайзер.

Коэффициент теплопередачи от рабочего тела к стенке:

 и - можно принять единице

Испаритель.

На испарительном участке происходит испарение рабочего тела с вынужденным течением. Разбиваем участок на два: с развитым пузырьковым кипением и ухудшенным теплообменом при кризисе.

Для первого участка используем критериальную зависимость:

 - соотношение чисел Нуссельта, определенных для кипящих и не кипящих потоков соответственно.

Комплекс N определяется как

,где

- скорость циркуляции_s - температура кипения, К

Все остальные параметры взяты при температуре T_s.

Определим Nu_кон:

Определим xгр

, тогда

, тогда

Т.к. , где k является функцией , то это уравнение решаем методом последовательных приближений.

В первом приближении принимаем

, где

Dtл - логарифмический перепад температур_ок - термическое сопротивление оксидной пленки_ст - термическое сопротивление стенки трубки

Dtл=59.95⁰С

По  находим q^'' по формуле

Для второго участка используем номограмму для ухудшенного теплообмена:

В первом приближении принимаем

Dtл=75.12⁰С

По номограмме получаем:

Пароперегреватель

Расчет коэффициентов теплопередачи по участкам.

Экономайзер.

Испаритель.

Пароперегреватель.

1.       Расчет площади теплопередающей поверхности и длин участков.

 - тепловая мощность участка

 - площадь теплопередающей поверхности [м²]

Экономайзер

Dtл=85.97⁰С

Испаритель

Dtл=59.95⁰С

Dtл=75.12⁰С

Пароперегреватель.

Dtл=52.42⁰С

Расчет на прочность элементов парогенератора

Расчет толщины стенки корпуса парогенератора:

Нам необходимо узнать объемную геометрию трубного пучка:

Радиус гиба трубного пучка:

генератор пар тепловой

- радиус гиба внутренней трубки

- радиус гиба внешней трубки

- половина длины трубки без изгиба

- половина длины трубки с изгибом

- оптимально, т.к. N должно быть: N>=3÷5, тогда

Трубный пучок окружен кожухом, который помещается в цилиндрический корпус с небольшим запасом по диаметру:

- внутренний диаметр корпуса

, пусть , тогда

Корпус:

-толщина стенки корпуса

 - рабочее давление,

Для корпуса применяем сталь 22К, плакированную сталью 12Х18Н10Т

                         j=1

Днище корпуса и крышка:

, тогда

Приемный и раздаточный коллектор по рабочему телу

Примем , тогда

Входной патрубок

Примем скорость во входном патрубке, равной 10м/с, тогда:

, тогда

Выходной патрубок:

Примем скорость в выходном патрубке, равной 10м/с, тогда:

, тогда

Расчет гидравлических сопротивлений

1.       По теплоносителю.

Экономайзер, испаритель, пароперегреватель:

 - гидравлические потери на трение

 - гидравлические потери на местные сопротивления

При поперечном обтекании находятся суммарные гидравлические потери в пучке:

,

где - коэффициент суммарных потерь

- коэффициент местных потерь на входе и выходе в межтрубное пространство через патрубки.

 - вход в патрубок из межтрубного пространства

 - выход в межтрубное пространство из патрубка

По рабочему телу.

Экономайзер.

Рабочее тело течет в трубном пространстве, т.е. потер на вход в пучок из раздаточного коллектора, местные, трение и выход в сборочный коллектор.

Местные потери: 6 поворотов на 90º, вход из коллектора

По шероховатости найдем , для нержавеющей стали

Испаритель.

Местные потери: 44 поворота на 90º

Местные потери: 6 поворотов на 90º, вход в коллектор

Вывод

Данный тип парогенератора, а именно вода-вода с прямоточной схемой генерации пара, обладает некоторыми преимуществами, по сравнению с парогенераторами на основе многократной циркуляции, а именно: он обладает меньшей материалоемкостью, для данного типа парогенератора не требуются специальные устройства, дополнения в конструкции, которые обеспечивали бы необходимый перегрев пара, что увеличивает КПД следующей за ним турбины. Получение пара высоких параметров, это основная проблема для парогенераторов на основе многократной циркуляции, что не является проблемой для данного типа парогенераторов. Но такие парогенераторы не обладают высокой надежностью и работоспособностью, т.к. при реализации кризиса теплообмена и больших температурных нагрузках на материалы парогенератора, они быстро изнашиваются и возникает большая вероятность поломки, что не целесообразно с точки зрения экономики.

Мой парогенератор обладает преимуществами и недостатками, указанными выше. Так же из-за технических ограничений по массовой скорости рабочего тела, указанных в проекте, мы вынуждены были направить теплоноситель с большим давлением в межтрубное пространство, что привело к увеличению толщины стенки корпуса. Данный подход мы пытались осуществить, чтобы избежать больших гидравлических потерь со стороны теплоносителя, но, увы, наткнулись на большие потери со стороны рабочего тела, т.е. целесообразно сказать, что такие технические ограничения не подлежат реализации при данных параметрах и данной схеме. Из-за большой длины трубок мы вынуждены были перейти к поперечному обтеканию трубного пучка, чтобы поместить их большую длину в компактный корпус, что обычно не применяется в парогенераторах данного типа и в данном случае может привести к большой вибрации трубного пучка. Этот парогенератор не может быть реализован и применяться на практике, т.к. большие гидравлические потери не позволят его эксплуатировать при заданных параметрах рабочего тела, теплоносителя и требуемого пара.

Список литературы

1.       Идельчик - ‘Справочник по гидравлическим сопротивлениям.’

2.       Рассохин Н.Г. Парогенераторные Установки АЭС, - Москва «Энергоатомиздат» 1987.

.         Ривкин С.П., Александров А.А. - ‘Теплогидравлические свойства воды и водяного пара’