МЕТОДИКА И ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

РТМ 24.031.05—72

Издание официальное

МИНИСТЕРСТВО ТЯЖЕЛОГО. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Москва

РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Центральным научно-исследовательским и проектно-конструкторским котлотурбинным институтом им. И. И. Ползунова

Директор

Заведующий базовым отраслевым отделом стандартизации

Заведующий отделом атомной энергетики

Руководители работы:

ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Главным управлением атомного машиностроения и котлостроения Министерства тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения

Заместитель начальника Главатомкотломаша    МАКАРОВ    Е.    В.

УТВЕРЖДЕН Министерством тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения

Заместитель министра    СИРЫЙ    П.    О.

УДК 66.045.1.001.24 (083.75)

руководящий технический материал

МЕТОДИКА И ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РТМ 24.031.05-72 СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

Указанием Министерства тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения от 30 ноября 1972 г. № ПС-002 21744 введен как рекомендуемый.

В настоящем руководящем техническом материале (РТМ) изложена расчетная методика и приведены теоретические зависимости, необходимые для выполнения конструктивного и поверочного расчетов парогенераторов, конденсаторов и теплообменников, работающих на жидких, газообразных и жидкометаллических теплоносителях.

Приведенные расчетные зависимости охватывают теплообмен .при течении жидких и газообразных теплоносителей без изменения агрегатного состояния, а также при кипении и конденсации. Даны расчетные зависимости для определения условий возникновения кризиса теплообмена I и II рода.

Рекомендации по расчету гидравлических сопротивлений теп-лообменных аппаратов даны для случаев течения однофазных потоков в трубах, каналах и пучках труб, а также при движении двухфазных потоков.

В РТМ приводятся методические указания по практическому выполнению расчетов теплообменных аппаратов.

При проведении расчетов теплообменного оборудования АЭС в качестве дополнительных материалов могут быть использованы нормы расчета котельных агрегатов [1, 2, 3]. а така е привлечены

Издание официальное 1*

Перепечатка воспрещена

---

другие источники, например, [4—7]. Теплофизические характеристики теплоносителей и термодинамические параметры воды следует 'принимать по справочной литературе {8—11].

В приложении к РТМ приводятся дополнительные справочные и вспомогательные материалы: принципиальные схемы атомных установок, перечень и характеристики рабочих тел и теплоносителей, краткое описание процессов теплообмена в аппаратах АЭС, терминология основных расчетных величин и вспомогательные формулы.

Настоящий РТМ предназначен для использования в отрасли атомного энергомашиностроения Минтяжмаша и в дальнейшем может послужить основой для создания межотраслевого нормативного метода расчета теплообменных аппаратов АЭС.

РТМ разрабатывал коллектив авторов: П. А. Андреев, Н. С. Алферов, А. А. Андреевский, В. М. Боришанский, Б. Ф. Валунов, Г. С. Быков, О. С. Виноградов, Д. И. Волков, Д. И. Гремилов, М. А. Готовский, В. Б. Жинкина, К. А. Жохов, Н. И. Иващенко, Я. А. Мишель, П. И. Пучков, Р. А. Рыбин, Т. Г. Филиппова, Э. В. Фирсова, В. Н. Фромзель, В. Ф. Юдин.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

d, d,— наружный и внутренний диаметры трубы, л;

d_э — эквивалентный диаметр канала, пучка труб, м;

D, D„ — наружный и внутренний диаметры корпуса, м;

Dj, — диаметр по вершинам ребер, м\

0    — толщина, м;

1    — длина труб, м;

S,, 5₂, S/— шаги труб (поперечный, продольный и диагональный), м;

S — шаг труб равносторонней решетки продольно обтекаемых пучков, м;

о, = -^-,    =    •&,    з,    =    ^    —относительные шаги труб (поперечный,

продольный, диагональный);

з =    — относительный шаг труб при продольном

обтекании пучков;

U—смоченный периметр, м\

Н — поверхность теплообмена, и²;

п — число труб;

z — число рядов труб вдоль пучка;

G —расход теплоносителя, кг/ч;

А,е, Аис, Дм, А.», Ао„д — расход пара (перегретого,насыщенного), пароводяной смеси, питательной воды и конденсата, кг/ч\

PTM 24.031.05—72 Стр. 3

N, — тепловая мощность, Мет;

Q — тепловая мощность (тепловой поток), ккал/ч;

</—тепловая нагрузка (плотность теплового потока), ккал/м² *ч; t — температура, °С;

Д£, Д7_р — локальный и расчетный температурный напор, град;

Т — абсолютная температура, °К;

? — плотность, кг/м^г;

/ — площадь живого сечения, м²;

>    ,    ,    к    кал

/. — коэффициент теплопроводности, _w. _ч~. ~_рад\

v — удельный объем, м^ъ/кг; р — коэффициент динамической вязкости, Ktc-сек м* *

а «г

v=——коэффициент кинематической вязкости, _> ^? м²/сек;

--коэффициент    температуропроводности,

^Jb00'^c'^,?    mV сек-,

с_р — теплоемкость при р =const, ккал/кг • град; i — энтальпия, ккал/кг; г — теплота парообразования, ккал/кг; з — коэффициент поверхностного натяжения, кгс/м;

— коэффициент объемного расширения, 1 /град;

g — ускорение силы тяжести, м/сек²; w — скорость теплоносителя, м/сек;

ккал

а — коэффициент теплоотдачи, ^т.~_н._гра^I

К, К_л — коэффициент теплопередачи гладкой трубы, отнесенный к наружному и внутреннему диаметру, ккал/м²- ч-град;

K°^v — коэффициент теплопередачи оребренной трубы, отнесенный к наружному диаметру несущей трубы, ккал/м² • ч* град;

Ki — линейный коэффициент теплопередачи, ккал/м • ч • град; р — абсолютное давление, кгс/см², кгс/м²;

Др — перепад давления, кгс/м², кгс/см²;

$ — коэффициент сопротивления трения;

С — коэффициент сопротивления;

3р — коэффициент массоотдачи, кг/м² • ч* атм.

БЕЗРАЗМЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Nu — число Нуссельта;

Стр. 4 РТМ 24.031.05-72

Re = -—■* — число Рейнольдса;

v ЗбООр^Тр

Рг =—=-)--число Прандтля;

Рг,= -т^--диффузионное число Прандтля;

^и\-2

wl

Ре =— = Re- Рг — число Пекле;

Gr = -j-f*A£ — число Грасгофа;

Ra = Gr-Pr — число Релея; _r dt

1

Ra_A=jg*-—--число    Релея для трубы (аксиальное);

VE-

Fr = —7— число Фруда;

gii> а[. 3

Ga = ^--число Галилея.

При определении безразмерных комплексов характерный размер /о может принимать следующие значения: l₀ = d_n — при течении в трубе; l₀z=zd₃ — при продольном обтекании гладких пучков и каналов;

/₀ = D_p £l Л (тт")² — l] — при продольном обтекании пучков труб

с однозаходным спиральным оребре-нием, расположенных по треугольной решетке;

ln = d—при поперечном обтекании пучков гладких труб;

лл р --    — -    —

+ -jj- V 0,785(D_P² — d²) — при поперечном обтекании пучков ореб-^п    ренных труб;

/₀ = d_n — при конденсации пара внутри труб;

, /

— при конденсации пара внутри вертикальных труб для определения числа Фруда.

ИНДЕКСЫ

г — греющий; н — нагреваемый; ст — стенка трубы; п. с — плоская стенка; пл —«пленка; тр — труба; ох — охлаждение; п. в — питательная вода;

PTM 24,031.05-72 Стр. 5

вх, вых — на входе, на выходе; нас — насыщение; пе— перегрев; кип — кипение; конд — конденсация; диф — диффузионный; см — смесь; —* пр — приведенный; гр — граничный; пот — поток; кр — критический;

'— жидкость на линии насыщения; " — пар на линии насыщения; ср — среднее значение.

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

1.1.    Общие положения

1.1.1.    При конструктивном тепловом расчете определяется величина поверхности теплообмена, необходимая для получения номинальной тепловой мощности аппарата при заданных параметрах и расходах греющего и нагреваемого теплоносителей.

1.1.2.    Номинальной тепловой мощностью называется наибольшая мощность, обеспечиваемая в условиях длительной эксплуатации при заданных параметрах теплоносителей.

1.1.3.    Заданными величинами являются тепловая мощность аппарата, параметры (температура и давление) и расходы обоих теплоносителей на входе и выходе, а в ряде случаев и гидравлические сопротивления трактов греющего и нагреваемого теплоносителей.

1.1.4.    Задание на проектирование теплообменного аппарата разрабатывается на основании данных тепловой схемы АЭС и, кроме упомянутых величин, должно содержать специфические данные по теплоносителям и требования, предъявляемые к конструкции* аппарата и режимам его эксплуатации.

1.1.5.    Поверочный тепловой расчет данного теплообменного аппарата выполняется для выявления характеристик рабочего процесса при режимах, отличных от номинального.

1.2. Тепловой баланс

1.2.1.    Тепловой баланс устанавливает равенство между тепловым потоком, подведенным к теплообменному аппарату, и потоком, отведенным от него с учетом потерь в окружающую среду.

1.2.2.    Полный тепловой баланс теплообменного аппарата может быть представлен в виде равенства

где Q_r — тепловой поток, подведенный к аппарату греющим теплоносителем, ккал/ч;

Стр. 6 РТМ 24.031.05-72

Qn^p _и Qn_P —тепловые потоки, возникающие в трактах теплообменного аппарата в результате преодоления гидравлического сопротивления этих трактов при движении в них теплоносителей, ккал/ч;

Q„— тепловой поток, отведенный из аппарата нагреваемым теплоносителем, ккал/ч;

Qoxa — тепловой поток, теряемый аппаратом в окружающую среду, ккал/ч.

1.2.3.    Тепловой поток, подведенный в аппарат греющим теплоносителем, равен

Qr = (/?^X - /?^ЫХ)0г.

где /J* и /®^ых — энтальпия греющего теплоносителя соответственно на входе в аппарат и выходе из него, ккал/кг;

G_r—расход греющего теплоносителя, кг/ч.

1.2.4.    Тепловой поток, отведенный из аппарата нагреваемым теплоносителем, равен

Qn = (i:^ux~i?)G_H,

где /®^ых и /Ц^х—энтальпия нагреваемого теплоносителя соответственно на выходе из аппарата и входе в «его, ккал/кг;

(/„—расход нагреваемого теплоносителя, кг/ч.

1.2.5.    Тепловые потоки, возникающие в результате преодоления гидравлических сопротивлений трактов теплообменного аппарата при движении в них греющего и нагреваемого теплоносителей, определяются путем пересчета мощности, затрачиваемой на про-камку:

Qnp = 86CWJJP и Q"^p = 86(Wjp,

где N||р и А/Ц^р— мощности, затрачиваемые на прокачку соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей, кет.

Величина суммарной мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей, составляет доли процента от тепловой мощности для аппаратов, работающих на жидких средах, и 1—2% —для «аппаратов, работающих на газообразных средах.

1.2.6.    Относительные тепловые потерн аппарата в окружающую среду оцениваются на основании эксплуатационных и расчетных данных по аналогичным аппаратам. Для современных крупных аппаратов они составляют доли процента, и поэтому коэффициент их полезного действия близок к единице.

1.2.7.    При выполнении особо точных расчетов теплообменных аппаратов следует учитывать в тепловом балансе потерн теплоты в окружающую среду, а также подвод тепловой энергии в аппарат в результате преодоления гидравлических сопротивлений при движении через него теплоносителей. Эти величины при номинальном режиме близки между собой и противоположны по знаку, следовательно, в значительной мере компенсируют друг друга.

PTM 24.031.05-72 Стр. 7

1.2.8.    В парогенераторах с многократной циркуляцией тепловой поток, отводимый нагреваемым теплоносителем, расходуется «а получение пара заданных параметров и на потери с продувкой.

В парогенераторе перегретого пара

Qh    ^пс (*пе *бс) ^нас Обе *п.в) “Ь ^пр Обе *_п._в)'

В парогенераторе насыщенного пара

Qn = ^вас (t„    +    Arp    (^гбс    ^п    ,)'

где D„_t — расход перегретого пара, кг/ч;

D_MC — расход насыщенного пара, кг/ч;

i_nt — энтальпия пара на выходе из пароперегревателя, ккал/кг;

‘бс ^и *"бс — энтальпия воды и пара в барабане-сепараторе, ккал/кг;

i_{n ш} — энтальпия питательной воды на входе в парогенератор, ккал/кг;

D„р — расход воды, идущей на продувку парогенератора, кг/ч:

(/примас

^U"t ~~    100    '

здесь dnp — продувка парогенератора, %.

Парапроизводительность прямоточного парогенератора принимается по расходу пара на турбину с учетом тепловых потерь паропровода. Если в схеме парогенератора имеется пароперегреватель, ТО Днас = D_ne-

1.2.9.    Для парогенераторов дополнительно составляется материальный баланс, устанавливающий равенство между расходом питательной воды, подаваемой в парогенератор, и суммой расходов отводимых от него пара и воды.

Для парогенераторов перегретого пара

А.а = Д,е + D„ р.

Для парогенераторов насыщенного пара

D_n.t = D„,_с 4- Д,_р.

1.2.10.    В прямоточном парогенераторе отводимый тепловой поток целиком расходуется на получение пара заданных параметров, так как продувка в нем отсутствует. Следовательно,

Qн ~ D„ (/не Dn.t Д_Пе-

1.2.11.    Тепловой поток, подведенный к конденсатору, без учета переохлаждения конденсата равен:

в конденсаторе перегретого водяного пара

Qn,= [Ai« + r(l -л:₂)]Д_е,

Стр. 8 РТМ 24.031.05—72

в конденсаторе сухого насыщенного или влажного водяного пара

ходе из него.

1.2.12. В конденсаторах перегретого, сухого насыщенного или влажного пара отвод тепла производится жидкой средой или паром в условиях кипения охлаждающей среды (конденсатор — испаритель) .

1.3. Расчет поверхности теплообмена

1.3.1. Поверхность теплообмена аппарата, отнесенная к наружному диаметру труб,

(1)

где q — тепловая нагрузка, отнесенная к наружному диаметру труб, ккал/м² • ч;

Q — тепловой поток, проходящий через поверхность теплообмена, ккал/ч;

/( — средний коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности труб, ккал/м² • ч-град\

Д/р —расчетный температурный напор, град.

1.3.2.    Тепловой поток, фактически проходящий через поверхность теплообмена, определяется из уравнения теплового баланса с учетом (при особо точном расчете) всех его членов.

Тепловой поток, фактически передаваемый через поверхность нагрева, при движении нагреваемого теплоносителя в корпусе аппарата больше теплового потока, отводимого им от аппарата, на величину теплового потока, теряемого аппаратом в окружающую среду. Учет этой разницы существенен для аппаратов малой мощности, где потери в окружающую среду относительно велики.

Для определения величины поверхности теплообмена используются только средние коэффициенты теплопередачи, рассчитанные по средним значениям коэффициентов теплоотдачи. Местные коэффициенты теплопередачи служат для определения местных тепловых нагрузок поверхностей теплообмена. Используя местные значения коэффициентов теплоотдачи и тепловой нагрузки, определяют максимальные температуры металла поверхности теплообмена.

1.3.3.    Коэффициент теплопередачи поверхностей нагрева из гладких труб, отнесенный к наружной поверхности трубы,

К ~    7i    | 2М    ~ i ’

--------

^ав^в    2а.    d_b а_н