Теплообмен в поверхностях нагрева атомных парогенераторов
Парогенератор атомной станции (АЭС или АТЭЦ) — рекуперативный теплообменный аппарат, служащий для производства рабочего пара за счет теплоты, вносимой в него теплоносителем. В двухконтурных атомных станциях теплоноситель парогенератора получает теплоту в ядерном реакторе, а в трехконтурных — от теплоносителя первого контура в промежуточном теплообменнике. Парогенератор в общем случае состоит из водяного экономайзера, испарителя, пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя, выполненных в одном блоке. Как правило, в атомных парогенераторах, особенно в его испарительной зоне, организуется естественная циркуляция рабочего тела; трубчатый теплообменник пароперегревателя погружен в объем нагреваемой среды так, что по трубам движется теплоноситель, а нагрев питательной воды и ее испарение происходят в межтрубном пространстве. Теплопередающая поверхность парогенераторов может быть составлена либо из прямых труб, либо из змеевиков различного вида, которые обеспечивают самокомпенсацию при разности температурных удлинений корпуса и труб.
Различают парогенераторы с горизонтально расположенными теплообменными аппаратами корпусного типа (в энергоблоках с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000) и парогенераторы вертикального типа (прямоточные и с естественной циркуляцией). Для увеличения температурного напора парогенераторная установка может иметь выделенный отдельно водяной экономайзер, однако в нем всегда коэффициент теплоотдачи ниже, чем у испарительных поверхностей нагрева, и поэтому выигрыш в суммарной поверхности нагрева парогенераторов в целом будет только в случае, если А/В.зв.э>А/игп&псв, г. е. если рост температурного напора будет больше уменьшения коэффициента теплопередачи: А/в.з/А/исггТиспи.з (где А/в.э и А исп — твмпбрйтурныб нзпоры в водяном экономайзере и испарителе; kilcn и в.э— коэффициенты теплопередачи в испарителе и водяном экономайзере). Минимальный температурный напор А/МИн имеет большое значение при выборе давления насыщенного пара: чем больше А/Кин, тем меньше поверхность нагрева парогенератора и его стоимость. Обычно величина А/Мш = = 10—15°С и отсчитывается от конечной температуры охлаждения теплоносителя в парогенераторе.
Различают два вида теплового расчета парогенератора (ПГ): конструкторский (при проектировании новой конструкции ПГ) и поверочный (для определения тепловых и гидравлических режимов работы заданной конструкции).
В основе теплового расчета лежат:
уравнения материального баланса:
Чем больше разность энтальпий теплоносителя, тем меньше может быть его расход и, следовательно, меньше затраты электроэнергии на собственные нужды. Для водяного теплоносителя в современных конструкциях ПГ перепад температур теплоносителя составляет около 30 °С, что приводит на мощных станциях к очень большим поверхностям нагрева. При тепловом расчете парогенератора учитывают тепловые потери с продувкой парогенератора. Расход воды на продувку ПГ Dр= = 0,005 Da.
Поскольку абсолютные значения температуры теплоносителя в ПГ невелики, при расчете теплообмена учитывают только его конвективную составляющую. В этом случае уравнение теплоотдачи записывается так:
Коэффициент теплопередачи k, отнесенный к наружной поверхности труб парогенератора, рассчитывают так же, как для конвективных поверхностей нагрева теплогенераторов на органическом топливе. Однако в рассматриваемом случае высокая чистота теплоносителя практически исключает образование отложений на поверхностях нагрева, влияющих на теплообмен. Конструктивными и эксплуатационными мероприятиями можно не допустить образования отложений и со стороны рабочего тела. Если возможность образования отложений не исключена, то необходимо учитывать их влияние при расчете коэффициента теплопередачи k, поскольку значения л солей жесткости (соли кальция и магния) составляет 0,5—1,2 Вт/(м-К); допустимая толщина отложений — не более 0,2 мм.
При расчете теплообмена в испарительных поверхностях нагрева парогенератора коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочему телу при кипении его на погруженной поверхности рассчитывают по формулам:
Расчет величины а.2 проводят методом последовательных приближений, принимая в качестве первого значения q
Площадь теплопередающей поверхности парогенератора в расчетах выбирают с некоторым запасом; коэффициент запаса Кз = 1,15-1,2 учитывает возможные образования отложений. При расчете теплообмена в вертикальном парогенераторе с естественной циркуляцией уравнения теплового и материального балансов составляют с учетом процессов смешения воды в опускном участке пароводяного контура парогенератора. В таком парогенераторе питательная вода поступает в опускной участок контура циркуляции, где нагревается при смешении с отсепарированной водой из циклонов, а также за счет теплоты конденсации пара, небольшое количество которого может содержаться в отсепарированном виде из-за неполного разделения пароводяной смеси в циклонах.
При расчете теплообмена в пароперегревателе с естественной циркуляцией при параллельном соединении пароперегревателя с испарителем температуру теплоносителя на выходе из испарителя и температуру пароперегревателя принимают равной t. Уравнение теплового баланса для парогенератора в целом остается аналогичным вышеприведенному, а уравнение материального баланса по теплоносителю имеет вид:
Из этих уравнений находят расходы теплоносителя через испаритель. В целом тепловой расчет пароперегревателя атомных станций целиком основан на применении стандартных методов расчета конвективных теплообменников с учетом технологических и конструктивных особенностей этих агрегатов.
