4.5 Определение коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплоотвода от теплоотдающей поверхности к теплоносителю. Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене зависит от теплофизических свойств теплоносителя, режима течения теплоносителя, геометрии канала.

4.5.1 Коэффициент теплоотдачи для однофазных сред при конвективном теплообмене определяется:

, кВт/м² ּºС

где -эквивалентный диаметр, м;

- теплопроводность теплоносителя, кВт/м ּºС;

- критерий Нуссельта.

4.5.2 Определение эквивалентного диаметра

, м

где - площадь проходного сечения канала для прохода теплоносителя внутри ТВС, м².

- смоченный периметр,м.

4.5.3 Определение полного смоченного периметра ТВС

Смоченный периметр это сумма периметров всех конструкционных элементов, входящих в конструкцию ТВС и омываемых теплоносителем.

4.5.4 Для бесчехловой шестигранной ТВС (нужное выбрать)

, м

Для бесчехловой шестигранной ТВС с уголками (нужное выбрать)

, м

где b, м – номер стандартного уголка (ширина его стороны).

где -наружные диаметры твэл, стержней регулирования и центральной трубки, м;

- количество твэл, стержней регулирования и центральных трубок в одной ТВС;

4.5.5 Определение критерия Нуссельта

Определение критерия Нуссельта при средних значениях теплоносителя:

Определение критерия Нуссельта при максимальных значениях теплоносителя

4.5.6 Определение критерия Рейнольдса

Определение критерия Рейнольдса при средних значениях теплоносителя:

Определение критерия Рейнольдса при максимальных значениях теплоносителя

- коэффициент кинематической вязкости среды м²/с ,определяемый из таблиц по давлению и температуре теплоносителя;

- коэффициент динамической вязкости среды, Нּс/м² , Па ^. с, определяемый из таблиц по давлению и температуре теплоносителя.

4.5.7 Определение критерия Прандтля

Определение критерия Прандтля при средних значениях теплоносителя:

,

Определение критерия Прандтля при максимальных значениях теплоносителя: .

Все теплофизические характеристики теплоносителя удельная изобарная теплоемкость С_р, динамическая вязкость , теплопроводность , определяются давлению и температуре теплоносителя в рассматриваемом сечении z с помощью программы WaterSteamPro.

Численные значения теплофизических свойств теплоносителя, рассчитанные значения критериев подобия и коэффициента теплоотдачи сведены в таблицу 4.6. По результатам расчета построена зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры теплоносителя (рисунок 4.5)

Таблица 4.6 - Исходные данные для расчета коэффициента теплоотдачи: , ºС; ), кДж/кгּºС.; , мкПа·с; , кВт/(м·ºС), , кВт/(м²·ºС)

z, м
)
)

Рисунок 4.5 – Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры теплоносителя

4.6 РАСЧЕТ РАСПРЕДЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СТЕНКИ ТВЭЛ ПО ВЫСОТЕ АКТИВНОЙ ЗОНЫ В НАИБОЛЕЕ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОМ ТВЭЛЕ В ТВС

4.6.1 Определение наружной поверхности оболочки твэла по высоте активной зоны:

, ºС

где - термическое сопротивление теплоотдачи, м^. ∙ ºС/кВт.

- линейная тепловая нагрузка, кВт/м.

- температура теплоносителя, ºС.

4.6.2 Определение термического сопротивления теплоотдачи:

где - обогреваемый периметр одного твэла, м;

- наружный диаметр твэла, м;

- коэффициент теплоотдачи, кВт/м² ּ ºС.

4.6.3 Определение температуры внутренней поверхности оболочки твэла:

или ,

где - термическое сопротивление теплопроводности оболочек твэл, м^. ∙ ºС/кВт.

- термическое сопротивление теплоотдачи, м^. ∙ ºС/кВт.

4.6.4 Для определения температуры внутренней оболочки твэла необходимо знать величину ее термического сопротивления:

м^. ∙ ºС/кВт.,

где - наружный диаметр оболочки твэл, м;

- внутренний диаметр оболочки твэл, м.

- коэффициент теплопроводности материала твэл, определяемый по температуре наружной оболочки твэла;

4.6.5 Коэффициент теплопроводности для циркониевого сплава с 1% ниобия Н-1 (Э-110):

- при Т ≤ 1100К λ ∙ 23,5 – 0,0192 + 1,68∙10^{-5 2}, Вт/м∙К

- при 1100 ≤ Т ≤ 2000К λ ∙ 1,5 + 0,02Т, Вт/м∙ºС

В формулу расчета теплопроводности оболочки твэла, температура наружной оболочки твэла подставляется в Кельвинах.

Результаты расчета температуры наружной и внутренней поверхности оболочки твэла сведены в таблицу 4.7 и 4.8.

Таблица 4.7- Изменение температуры наружной и внутренней оболочки по высоте твэл при средних значениях линейной тепловой нагрузки , кВт/м

z, м

Таблица 4.8- Изменение температуры наружной и внутренней оболочки по высоте твэл при максимальных значениях линейной тепловой нагрузки , кВт/м.

z, м

По полученным значениям построены графики изменения температуры оболочки на наружной и внутренней поверхностях твэл при средних и максимальных значениях линейной тепловой нагрузки.

Рисунок 6 – Изменение температуры наружной и внутренней поверхности оболочки ТВЭЛ при средних и максимальных значениях линейной тепловой нагрузки

Полученная максимальная температура оболочки должна быть меньше, из условий теплотехнической надежности, предельно допустимой температуры для данного материала оболочки твэл.

Если температура наружной стенки оболочки твэл превышает температуру насыщения, где-то по высоте канала, то это свидетельствует о наличии поверхностного кипения в этой области, и при определении коэффициентов теплоотдачи это необходимо учитывать.