Расчет горизонтального парогенератора, обогреваемого водой под давлением

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Одесский национальный политехнический университет Кафедра АЭС Курсовой проект По дисциплине: «Парогенераторы и теплообменное оборудование АЭС»

Расчет горизонтального парогенератора, обогреваемого водой под давлением Выполнил: ст. гр. ТЯ-0904

Тацюк О.М.

Одесса 2012

Исходные данные: Вариант 42.

Паропроизводительность ПГ: D=401 кг/с Параметры пара: P₂=6,9 МПа, t₂=t_S=284,5 ?С Температура питательной воды: t₂' =220 ?C

Параметры теплоносителя: P₁=16 МПа, t₁'=331 ?C, t₁«=296 ?C.

Кратность циркуляции: К_ц=5.

Тепловая мощность ПГ, расход теплоносителя, t-Q диаграмма ПГ.

Для рассчитываемого ПГ уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

Продувка ПГ принимается равной D_ПР= 0,5%*D=0,005*401=2,01 кг/с.

Значения h', h_ПВ, r, h₁', h₁" определяются по таблице «Термодинамические и теплофизические свойства воды и водяного пара»

Энтальпия пара на линии насыщения: h'=1261,2 кДж/кг (Р₂ и t₂).

Энтальпия питательной воды на линии насыщения: h_ПВ=943,7 кДж/кг (t₂').

Удельная теплота парообразования: r=1510,7 кДж/кг (Р₂).

Энтальпия т.н. на входе в ПГ: h₁'=1518,34 кДж/кг (Р₁ и t₁').

Энтальпия т.н. на выходе из ПГ: h₁«=1316,37 кДж/кг (Р₁ и t₁»).

КПД парогенератора: ?=0,97.

Тепловая мощность ПГ:

Тепловая мощность экономайзерной части ПГ:

Тепловая мощность испарительной части ПГ:

Расход теплоносителя:

Определяем энтальпию теплоносителя на выходе из испарительной части парогенератора .

которой соответствует температура 302,9 ?С (и Р₁).

Определяем энтальпию рабочего тела при смещении с котловой водой.

которой соответствует температура 272,5 ?С (и Р₂).

t-Q диаграмма ПГ представлена на рис. 1

Рис. 1 t-Q диаграмма ПГ.

Выбор материала и диаметра труб теплопередающей поверхности и коллектора теплоносителя, материала корпуса Выбираем следующие марки стали:

— для труб теплопередающей поверхности 12Х18Н10Т;

— для коллектора теплоносителя 10ГН2МФА, плакированная со стороны, омываемой теплоносителем, сталью 12Х18Н10Т;

— для элементов корпуса — 10ГН2МФА;

Расчет толщины стенок труб теплопередающей поверхности, входной и выходной камер коллектора теплоносителя.

Толщина стенки труб теплопередающей поверхности рассчитывается по формуле:

С=С₁+ С₂+ С₃+ С₄

d_Н=16 мм (принимается).

P_1Р=0,9*1,25*P₁=0,9*1,25*16=18 МПа.

Температура стенки трубы во входном сечении:

t_СТ.Р=0,5*(t₁'+t_S)=0.5*(331+284.5)=308 ?C.

Допустимое напряжение [у_Н]=11,9 кгс/мм²=117 МПа.

ц=1-минимальный коэффициент прочности труб.

Прибавка к толщине на минусовой допуск:

С₁=0,11*(д_р-С)=0,11*(1,14+С-С)=0,125 мм

С₂=0, С₃=0.

Прибавка на утонение изогнутой части трубы:

Принимаем д_р=1,5 мм (с последующим уточнением).

Овальность труб, а=12%

Прибавка к расчетной толщине:

С=0,125+0+0+0,473=0,598 мм Уточняем толщину стенки трубки:

д_Р=1,14+0,598=1,738=1,8 мм Внутренний диаметр трубки:

d_В=d_Н -2 д_Р=16−2*1,8=12,4 мм Площадь живого сечения трубки:

f_ТР=(р/4)*d²=(3.14/4)*(12,4*10^-3)²=1,21*10^-4 м²

Площадь сечения трубки:

f==(р/4)*d²=(3.14/4)*(16*10^-3)²=2,01*10^-4 м²

Толщина стенки входной и выходной камеры коллектора рассчитывается по формуле:

d_В.К=0,834 мм (принимается) цкоэффициент прочности камер.

С=1.

Расчетная температура стенки камер t_СТ.Р t₁'=331?C

Допустимое напряжение [у_Н]=23 кгс/мм²=225 МПа.

Для расчета толщины стенки перфорированной части коллектора рассчитываем коэффициенты прочности перфорированной части коллектора:

Для продольного ряда:

S_1c2d_Н=32 мм — продольный шаг расположения отверстий.

d₀=0,2+d_Н=0,2+16=16,2 мм.

Для поперечного ряда:

S_2C=26 мм — поперечный шаг расположения отверстий.

Для диагонального ряда:

m=S_2C /S_1C=26/32=0,813

Для расчета толщины стенки коллектора принимаем меньшее значение

коэффициента прочности ц=0,264

Толщина стенки коллектора будет равна:

Наружный диаметр коллектора равен:

Толщина стенки конусной части коллектора:

Расчет площади теплопередающей поверхности испарительного участка ПГ.

Исходные данные:

Р₁=16 МПа,

Q_И=605 791 Дж/с,

t_1И'= t₁'=331 ?C,

t_1И«=302,9 ?C,

t_S=284,5 ?C,

Таблица № 1.Число труб теплопередающей поверхности.

Расчет б_1вх

Таблица № 2. Физические параметры теплоносителя во входном сечении .

Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Температура стенки принимается ориентировочно равной:

где t₁=t₁'-для входного сечения и t₁=t₁«-для выходного участка.

л_СТ=18,8 Вт/(м*К)

2R_ок=1,5*10^-5

Термическое сопротивление стенки трубы и оксидных пленок:

Для первой итерации q' принимаем равной.

Рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Удельный тепловой поток рассчитывается по формуле:

Проверка отношения :

Так как условие не выполняется, повторяем расчет.

Принимая q'_ВХ=q"_ВХ=2,71*10⁵ Вт/м².

Рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Удельный тепловой поток рассчитывается по формуле:

Проверка отношения :

Так как условие выполняется полученные значения б'_ВХ, q'_ВХ и б"_ВХ, q"_ВХ считаем окончательным.

Результаты расчета для трех вариантов скоростей сведены в таблицу № 3.

Таблица № 3. Расчет коэффициента теплоотдачи.

Так как условие выполняется полученные значения б'_ВХ, q'_ВХ и б"_ВХ, q"_ВХ считаем окончательным.

Расчет б'_вых

Таблица № 2а. Физические параметры теплоносителя в выходном сечении.

Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Температура стенки принимается ориентировочно равной:

л_СТ=18,7 Вт/(м*К)

2R_ок=1,5*10^-5

Термическое сопротивление стенки трубы и оксидных пленок:

Для первой итерации q'_вых принимаем равной.

Рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Удельный тепловой поток рассчитывается по формуле:

Проверка отношения :

Так как условие выполняется полученные значения б'_ВЫХ, q'_ВЫХ и б"_ВЫХ, q'_ВЫХ считаем окончательным.

Результаты расчета для трех вариантов скоростей сведены в таблицу № 3а.

Таблица № 3а. Расчет коэффициента теплоотдачи.

Так как условие выполняется полученные значения б'_ВЫХ, q'_ВЫХ и б"_ВЫХ, q'_ВЫХ считаем окончательным.

Коэффициент теплопередачи, площадь теплопередающей поверхности, длина труб испарительного участка ПГ.

Средний коэффициент теплопередачи испарительного участка ПГ:

Больший температурный напор:

Меньший температурный напор:

Среднелогарифмический температурный напор:

Расчетная площадь теплопередающей поверхности испарительного участка:

В таблице № 4 представлен расчет коэффициента теплопередачи испарительного участка и площади теплопередающей поверхности для трех вариантов скоростей.

Таблица № 4. Расчет площади теплопередающей поверхности испарительного участка ПГ.

Расчет площади теплопередающей поверхности экономайзерного участка ПГ.

Исходные данные:

Q_Э=127 956 Дж/с

t'_1Э=t"_1И=302,9 ?С

t"_1Э=t"₁=296 ?С

t'_2Э=t'_2Ц=272,5 ?С

t_S=284,5 ?С

t_1СР=0,5*(302,9+296)=299,5 ?С

t_2СР=0,5*(272,5+284,5)=278,5 ?С Таблица № 5. Физические параметры теплоносителя в выходном сечении.

Число Рейнольдса:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Теплоотдача от стенки трубы к рабочему телу происходит в условиях поперечного обтекания шахматного расположения трубок ПГВ с углом атаки ш<90?. Тогда поправка на угол атаки е=1?.

Таблица № 5. Физические параметры рабочего тела.

Скорость воды в межтрубном пространстве:

Число Рейнольдса:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

x-поправка Михеева:

Температура стенки принимается ориентировочно равной:

л_СТ=18,5 Вт/(м*К)

2R_ок=1,5*10^-5

Термическое сопротивление стенки трубы и оксидных пленок:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Больший температурный напор:

Меньший температурный напор:

Среднеарифметический температурный напор:

Площадь теплопередающей поверхности экономайзерного участка:

Основные результаты теплового расчета экономайзерного участка представлены в таблице № 6.

Таблица № 6. Результаты расчета площади теплопередающей поверхности экономайзерного участка ПГ.

Площадь теплопередающей поверхности, длина и масса труб ПГ Расчетная площадь теплопередающей поверхности ПГ .

Так как в процессе эксплуатации ПГ возможно образование течей в отдельных трубках и их заглушка, то фактическая площадь теплопередающей поверхности рассчитывается с некоторым запасом, .

Значение коэффициента k_З выбирается из интервала от 1,1 до 1,25.

Принимаем k_З=1,15.

Расчетная площадь теплопередающей поверхности:

Площадь теплопередающей поверхности:

Длина труб теплопередающей поверхности:

Длина одной трубки:

Масса 1 м трубы

m_l=0,51кг/м Масса труб:

Результаты расчета представлены в таблице № 7.

Таблица № 7. Площадь теплопередающей поверхности, длина и масса труб.

Размеры и масса основных узлов корпуса, коллектора и ВКУ.

P_1Р=1,5*0,9*P₁=1,5*0,9*16=21,6 МПа.

P_2Р=1,5*0,9*P₂=1,5*0,9*6,9=9,3 МПа.

t_расч=350 ?С с_ст=7500 кг/м³

[у_Н]=185 МПа Для расчета центральной обечайки:

С=8; ц=0,636.

Для расчета боковой обечайки:

С=0,62; ц=0,84.

Для расчета элептического днища:

С=20,62; ц=0,85.

Внутренний диаметр корпуса ПГ:

d_ВН=4,3 м Толщина стенки центральной обечайки:

Расчетная толщина стенки центральной обечайки:

Длина центральной обечайки:

Наружный диаметр центральной обечайки:

Толщина стенки боковой обечайки:

Расчетная толщина стенки боковой обечайки:

Длина боковой обечайки:

Наружный диаметр боковой обечайки:

Объем центральной обечайки:

Объем боковой обечайки:

Масса центральной обечайки:

Масса боковой обечайки:

Высота эллиптического днища:

Толщина стенки эллиптического днища:

Наружный диаметр эллиптического днища:

Объем эллиптического днища:

Масса эллиптического днища:

Длина корпуса ПГ:

Основные результаты конструкционного расчета ПГ сведены в таблицу № 8.

Таблица № 8. Масса деталей частей парогенератора.

Достаточность парового пространства для сепарации пара.

Высота уровня воды в ПГ на ПДЛ: h=0,1 м Расстояние от ПДЛ до нижней кромки ЖС: H_ЖС=0,75 м Плотность среды которая проходит через ПДЛ:

с_s=с"=36,02 кг/м³

с'=741,56 кг/м³

Влажность на выходе из ПГ: у=0,02%

Коэффициент: а=0,65−0,039*Р₂=0,65−0,039*6,9=0,381

Площадь поверхности зеркала испарения Скорость пара при прохождении ЖС:

Запас:

Поправочный коэффициент:

Запас увеличения уровня:

Вспомогательная функция плотности среды:

Граничная высота ЖС:

Высота парового пространства:

Критический запас скорости:

Площадь ЖС:

Результаты расчета парового пространства представлены в таблице № 9.

Таблица № 9. Паровое пространство.

Масса коллектора Паспортные характеристики коллектора:

Высота коллектора: 4,97 м Высота перфорированной и цилиндрической части: 3,42 м Высота перфорированной части: 2,2 м Высота цилиндрической части: 1,22 м Высота конической части: 1,55 м Наружный диаметр коллектора: d_Н=1,134 м Внутренний диаметр коллектора: d_В=0,834 м Диаметр отверстия в стенки коллектора, под трубки: d₀= 0,0162 м Толщина стенки коллектора: д_ст^к=0,15 м Число трубок теплопередающей поверхности:

n_1ТР=13 034; n_2ТР=10 192; n_3ТР=8330.

Объем перфорированной части коллектора:

Объем цилиндрической части коллектора:

Наружный диаметр: d_Н=0,95 м Внутренний диаметр: d_ВН=0,834 м Объем конической части коллектора.

R=0,453-больший радиус конической части.

r=0,236-меньший радиус конической части.

R_ВН=0,417-больший внутренний радиус конической части.

r_ВН=0,2-меньший внутренний радиус конической части.

Масса коллектора рассчитывается по формуле:

Толщина крышки люка коллектора 1-го контура (Ду800).

Масса крышки:

Расчет эллиптического днища крышки люка 2-го контура.

Объемы днища:

Объем эллиптического днища равен:

Масса днища:.

Масса ПДЛ: M_1ПДЛ=2093 кг; M_2ПДЛ=2261 кг; M_3ПДЛ=2420 кг.

Результаты конструкционного расчета парогенератора и его основных элементов сведены в таблицу № 10

Таблица № 10. Масса ПГ, и его элементов.

Гидравлическое сопротивление 1-го контура ПГ Исходные данные:

Плотность и вязкость теплоносителя на входе при t'₁=331?C

с'=625 кг/м³

м'=7,97*10^-5 Па*с

Плотность и вязкость теплоносителя на выходе при t'₁=296?C

с" =714,3 кг/м³

м"=9,32*10^-5 Па*с

Плотность и вязкость теплоносителя при средней температуре t'_СР=313,5?C

с_CР=694,4 кг/м³

м_СР=8,7*10^-5 Па*с

k=0,01 мм Р₁=16 МПа Скорость теплоносителя на входе в коллектор:

Сопротивление на входе в коллектор:

о_ВХ=0,14-коэф. сопротивления входа коллектора.

Изменение напора вдоль перфорированной части коллектора:

А=0,04-коэф. сопротивление перфорированной части.

Изменение напора вдоль коллектора на уровне средней части:

Скорость входа теплоносителя в средние ряды трубок:

Падение напора на входе в средние ряды трубок:

Средняя скорость в трубках:

Коэффициент трения труб:

Потери напора на трение в трубах:

Потери напора на преодоление поворота трубчатки:

Скорость выхода тока из среднего участка:

Потери напора на выходе из средней части труб:

Скорость теплоносителя в выходном коллекторе:

Потери напора вдоль перфорированной части коллектора:

Потеря напора на выходе из коллектора в ГЦН.

Суммарная потеря напора по тракту теплоносителя:

Результаты расчета сопротивления первого контура для трех вариантов представлены в таблице № 11.

Таблица № 11. Гидравлические сопротивление первого контура ПГ.

Гидравлическое сопротивление 2-го контура ПГ Это сопротивление, преодолеваемое питательным насосом, складывается из сопротивлений подачи питательной воды в ПГ, жалюзийных сепараторов и выхода пара из ПГ.

Гидравлическое сопротивление при движении пароводяной смеси в межтрубном пространстве и сопротивление погружного дырчатого листа преодолевается напором контура естественной циркуляции ПГ.

dy₁=400 — диаметр трубопровода подачи питательной воды.

dy₂=250 — диаметр ответвляющих труб.

dy₃=80 — диаметр раздающих труб.

dy₄=25 — диаметр трубок на dy₃.

l₁=2,2 м — длина трубок dy₄.

l₂=3,7 м — длина короткого ответвления.

l₃=6 м — длина длинного ответвления.

n'=6 — количество раздающих труб dy₃ на коротком ответвлении.

n" =10 — количество раздающих труб dy₃ на длинном ответвлении.

n'"=38 — количество трубок dy₄ на каждый отвод dy₃.

Плотность питательной воды при t_ПВ=840,3 кг/м³

Скорость воды в питательном патрубке:

Сопротивление питательной воды с выходного патрубка питательной воды:

Коэффициент сопротивления при повороте трубопровода dy₁ на 35?:

Коэффициент сопротивления при распределении потока в короткий и длинный отводы:

Сечение трубы dy25:

Сечение одного отвода dy80 с учетом n'''.

Сечение короткого отвода с учетом 6^ТИ dy80, и длинного при 10 dy80.

Расход воды в коротком и длинном ответвлении:

Скорость потока в коротком и длинном ответвлениях:

Потери напора по длине труб, короткого и длинного отвода:

Определяем скорость в коротком и длинном отводе:

Определяем скорость в трубах dy80:

Потери напора в трубах dy250:

Потери напора в выходных трубках dy25:

Суммарные потери напора по тракту питательной воды:

Гидравлический расчет парового тракта.

Площадь прохода ПДЛ:

Коэффициент сопротивления ПДЛ, о=2,74.

Скорость пара при прохождении ПДЛ:

Потери напора при прохождении пара через ПДЛ:

Результаты расчета гидравлического сопротивления парового тракта сведены в таблицу № 12.

Продолжение таблицы № 12. Гидравлические сопротивления парового тракта

Жалюзийный сепаратор.

Коэффициенты сопротивления ЖС.

о_С=0,05

о_С^ВХ120=1,67

о_С^ВХ60=0,65

d_ПП=345 мм

d_ВН=290 мм

d_ПК=600 мм

n=10

l_ПК=11 600 мм Скорость пара при прохождении ЖС:

Потери напора при прохождении пара через ЖС:

Скорость пара на входе в пароотводящий патрубок:

Потери напора в пароотводящем патрубке:

Скорость пара в пароотводящих патрубках:

Потери напора при повороте потока на 80?:

Потери напора в пароотводящем коллекторе:

Скорость пара в пароотводящем коллекторе:

Потери напора на преодоление сопротивления ПК в области обвязки ПГ:

Изменение напора вдоль парового коллектора:

Полные потери на прохождение парового тракта ПГ:

В таблице № 13 представлены расчеты жалюзийного сепаратора и его гидравлические сопротивления.

Таблица № 13. Жалюзийный сепаратор.

Мощность ГЦН и ПН, необходимая для преодоления гидравлического сопротивления первого и второго контура ПГ Мощность ГЦН:

?=0,76 — КПД ГЦН.

N₁₂=131 209 Вт

N₁₃=169 787Вт Мощность питательного насоса:

?=0,82 — КПД ПН.

Стоимость парогенератора.

Стоимость центральной обечайки:

Стоимость боковой обечайки:

Стоимость эллиптического днища:

Стоимость корпуса ПГ:

Стоимость коллектора питательной воды:

Стоимость ПДЛ:

Стоимость ЖС:

Трубы теплопередающей поверхности:

Стоимость парового коллектора:

Стоимость ВКУ:

Стоимость парогенератора:

Расчет стоимости ПГ, для трех вариантов скоростей представлены в таблице № 14.

Таблица № 14. Стоимость парогенератора.

Расчетные затраты и выбор оптимальной скорости теплоносителя.

Оптимальная скорость т/н определяется по наименьшим затратам:

З=E_нK+S>min,

Где Е_н=0,4 — нормативный коэффициент капитальных вложений, год^-1.

К=Ц_ПГ — стоимость изготовления ПГ, тыс. грн.

S — эксплутационные затраты тыс. грн/год.

Для ПГ эксплутационные затраты состоят из амортизационные отчисления S_АМ, затраты на поточный ремонт S_П.Р, общестанционные затраты S_О и электроэнергия для прокачки ТН и РТ ПГ — S_Э.

S=S_АМ+S_ПР+S_О+S_Э .

S_АМ=0,07*К=0,07*5 518 411,16=386 288,78грн

S_ПР=0,15*S_АМ=0,15*386 288,78=57 943,32грн

S_О=0,016*К=0,016*5 518 411,16=88 294,58грн

T_ЭКСП=7000 часов В_Э=2,5 коп/(кВт*час)

N₁₁=101 238 Вт

N₂=32 628 Вт

S_Э=Т_ЭКСП*Ве*(N₁+N₂)*10^-5=7000*2,5*(101 238+32628)*10^-5=23 426,55грн

S=386 288,78+57 943,32+88 294,58+23 426,55=555 953,23грн З=0,4*К+S=0,4*5 518 411,16+555 953,23=2 763 317,69 грн

Расчет приведенных затрат сведен в таблицу № 15.

Таблица № 15. Приведенные затраты .

Зависимость приведенных затрат от скорости теплоносителя.

Средняя скорость теплоносителя в трубках теплопередающей поверхности:

Капитальная составляющая приведенных затрат:

S_K=0,217*Ц_ПГ=0,217*5 518 411,16=1 197 495,22 грн Составляющая приведенных затрат на электроэнергию:

S_Э=Т_ЭКСП*Ве*(N₁+N₂)*10^-5=7000*2,5*(101 238+32628)*10^-5=27 476,55 грн Приведенные затраты:

З=0,4*S_К+S_е=0,4*1 197 495,22+27 476,55=502 424,64грн В таблице № 16 показана зависимость приведенных затрат от скорости теплоносителя.

Таблица № 16.

Зависимость расчетных затрат от скорости теплоносителя показана на рис. № 2

Рис. 2

Вывод В результате выполнения курсового проекта был произведен конструкционный и гидравлический расчет горизонтального парогенератора обогреваемого водой под давлением. В итоге экономического расчета ПГ мне удалось определить оптимальную скорость теплоносителя w=4,37 м/с, которой соответствуют оптимальные затраты З=422 122,4 тис. грн/год. Стоимость парогенератора равна 5 661 872,22 грн.

По оптимальным параметрам габариты ПГ будут равны: d_вн=3,8 м, L_ПГ=13,3 м М_ПГ=215,98 т.

горизонтальный парогенератор расчет

Список используемой литературы Вукалович М. П., Ривкин С. Л., Александров А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. — М: Изд-во стандартов, 1964. — 408 с.

Рассохин Н. Г. Парогенераторные установки атомных электростанций. — М: Энергоатомиздат, 1987. — 384 с.

Справочник по теплогидравлическим расчётам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / П. Л. Кириллов, Ю. С. Юрьев, В. П. Бобков. Под общ. ред. П. Л. Кириллова. — М: Энергоатомиздат, 1990.

Исаченко В.П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М: Энергия, 1965.

Рассохин Н.Г., Мельников В. Н. Парогенераторы, сепараторы и пароприёмные устройства АЭС. — М: Энергоатомиздат, 1985. — 74 с.

Чулкин О. А. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Парогенераторы и теплообменное оборудование АЭС «