VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER NATRIUM - NATRIUM BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR PETR KUPČÍK Ing. HUGO ŠEN BRNO 00
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Energetický ústav Akaemický rok: 009/00 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE stuent(ka): Petr Kupčík který/která stuuje v bakalářském stuijním programu obor: Energetika, procesy a ekologie (3904R030) Řeitel ústavu Vám v soulau se zákonem č./998 o vysokých školách a se Stuijním a zkušebním řáem VUT v Brně určuje násleující téma bakalářské práce: v anglickém jazyce: Mezivýměník tepla soík - soík Intermeiate heat exchanger natrium - natrium Stručná charakteristika problematiky úkolu: Vyřešit konstrukční návrh a výpočet mezivýměníku tepla soík - soík, který přenáší teplo z primárního okruhu rychlého jaerného reaktoru o okruhu sekunárního. Uspořáání primárního okruhu je smyčkové. Tepelný výkon reaktoru je 800 MW, teplota soíku na vstupu/výstupu o/z reaktoru je 375 C / 545 C. Výpočet zahrnuje určení velikosti teplosměnné plochy, hyraulických ztrát a kontrolu pevnosti vybraných komponent výměníku. Cíle bakalářské práce:. Souhrn a analýza ostupných informací o konstrukčních řešení mezivýměníků tepla na komerčních (přípaně experimentálních) jaerných elektrárnách.. Navrhnout koncepci mezivýměníku pro zaané pomínky. 3. Provést tepelný, hyraulický a pevnostní výpočet. 4. Vypracovat návrhovou výkresovou okumentaci mezivýměníku.
Seznam oborné literatury:. Bečvář, J. - Jaerné elektrárny, SNTL. Matal, O. - Konstrukční cvičení, skripta VUT v Brně 3. Sazima, Kmoníček - Teplo - technický průvoce, SNTL 4. Akaemie nauk SSSR - Projektirovanije těploobmennych apparatov AES, Moskva 988 Veoucí bakalářské práce: Ing. Hugo Šen Termín oevzání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akaemického roku 009/00. V Brně, ne 3..009 L.S. oc. Ing. Zeněk Skála, CSc. Řeitel ústavu prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK Abstrakt: Tato bakalářská práce se zabývá problematikou mezivýměníků tepla v jaerných elektrárnách. První část je věnována analýze a rozělení konstrukčních proveení mezivýměníků u komerčních a experimentálních elektráren. V alší části je popsán postup tepelného, hyraulického a pevnostního výpočtu při navrhování mezivýměníků. Na závěr byl proveen návrh smyčkového mezivýměníku pro zaané parametry. Klíčová slova: Mezivýměník tepla, rychlé reaktory chlazené tekutými kovy, soík, jaerné elektrárny, trubkový výměník, tlakové ztráty, tepelný výpočet, LMFBR, smyčkový mezivýměník, množivé reaktory. Abstract: This paper eals with intermeiate heat exchangers in nuclear power plants. First section of this paper is evote to analysis an ivie of construction esigns of intermeiate heat exchangers in commercial an experimental power plants. In the next section there is a escription of thermal, hyraulic an strength calculations uring projection of IHX. There has been mae a blueprint of loop type IHX in the last chapter of this paper. Key wors: Intermeiate heat exchanger, liqui metal fast breeer reactors, soium, nuclear power plants, shell an tube heat exchanger, pressure loss, thermal calculation, loop type heat exchanger. Bibliografická citace: KUPČÍK, P. Mezivýměník tepla soík - soík. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 00. 9 s. Veoucí bakalářské práce Ing. Hugo Šen.
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Prohlášení autora o půvonosti práce Já, Petr Kupčík, prohlašuji, že jsem bakalářskou prácí vypracoval samostatně na záklaě uveené literatury po veením veoucího bakalářské práce. V Brně ne 7.5.00...
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Poěkování Nejvíce bych chtěl poěkovat panu Ing. Hugovi Šenovi za výborné veení při vypracovávání práce, bez jehož ra a oporučení by tato práce nemohla ani vzniknout.
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK Obsah Úvo... 0. Stručný úvo o problematiky rychlých reaktorů..... Jaerné reaktory na rychlých neutronech (LMFBR)..... Pracovní méia rychlých reaktorů.... Typy konstrukce výměníků tepla u rychlých reaktorů... 3. Řešení mezivýměníků tepla na jaerných elektrárnách... 4 4. Teorie návrhu výměníků... 8 4.. Postup při tepelném výpočtu... 8 4... Záklaní rovnice výměny tepla... 8 4... Logaritmický teplotní rozíl... 9 4..3. Součinitel prostupu tepla a plocha výměny tepla... 9 4..4. Součinitele přestupu tepla v TP a MP... 9 4.. Hyraulický výpočet... 0 4.3. Pevnostní výpočet... 5. Návrh mezivýměníku tepla pole zaaných parametrů... 3 5.. Zaání... 3 5.. Tepelný výpočet... 3 5... Přeběžný výpočet součinitele prostupu tepla... 4 5... Návrh konstrukce... 5 5..3. Dopočítání součinitelů přestupu tepla pro zvolenou konstrukci... 5 5.3. Hyraulický výpočet... 7 5.3.. Výpočet tlakových ztrát třením... 7 5.3.. Výpočet místních tlakových ztrát... 8 5.4. Pevnostní výpočet... 9 6. Závěr... 30 7. Použité zroje... 3 8. Seznam použitých zkratek a symbolů... 33 9. Seznam příloh... 34 9
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Úvo Mezivýměník neboli primární výměník je neílnou součástí elektráren chlazených tekutými kovy. Jeho úlohou je přenášet teplo z primárního okruhu o sekunárního a zároveň vytvořit neprostupnou bariéru mezi primárním raioaktivním soíkem a sekunárním. Z tohoto ůvou musí být trakt výměníku na straně primárního chlaiva okonale těsný. Zároveň se o konstrukce mezivýměníku žáá osažení co největšího výkonu na jenotku prostoru a hmotnosti. Návrh a konstrukce mezivýměníku je velice náročný proces. Na jeho správné funkci závisí spolehlivý a ekonomický provoz celé elektrárny. Kažý mezivýměník je unikátní, protože je vžy navrhován pro konkrétní elektrárnu. Konstrukce mezivýměníků je u komerčních i experimentálních jaerných elektráren vžy tvořena svazkem trubek v plášti. Netěsnosti při zaplnění prostoru výměníku teplosměnnou látkou jsou za provozu prakticky neostranitelné, navíc poku se nezaří navrhnout vhoná konstrukce mezivýměníku, tak může ojít k velkým škoám. Nejvíce ško může způsobit samotný soík íky jeho chemickým vlastnostem. Proto jsou na konstrukci i materiál klaeny vysoké nároky. Teplosměnné trubky by měli být napříkla tvořeny poku možno jen z jenoho kusu a poku je nutné použit svarového spoje, tak by měl být na obře přístupném místě. Reaktory chlazené tekutými kovy jsou velice spolehlivé. Většina neho a havárií těchto reaktorů nebyla oprovázena únikem raioaktivity. V nešní obě už je většina rychlých reaktorů ostavena, pouze pár vybraných je v provozu o nes. Přehle funkčních a ostavených reaktorů je v tabulce. Země Reaktor Tepelný výkon Elektrický výkon Uveení o Ukončení [MWt] [MWe] provozu provozu Clementine 0,05-946 953 EBR,4 0, 95 963 USA EBR 6,5 0 96 994 Enrico Fermi 00 6 963 97 FFTF 400-980 99 BR 0, - 956 958 BR 5 5-958 97 Rusko BR 0 8-97 003 BOR 60 55 968 - BN 350 000 30 97 999 BN 600 470 600 980 - Velká DFR 60 5 959 977 Británie PFR 650 50 974 994 Rapsoie 40-967 983 Francie Phénix 563 50 973 009 Superphénix 3000 00 985 998 Německo KNK II 58 0 97 99 Japonsko Joyo 40-977 - Monju 74 80 995 - Inie FBTR 40 3 985 - Čína CEFR 65 3 005 - Tab.. Rychlé množivé reaktory ve světě 0
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK. Stručný úvo o problematiky rychlých reaktorů.. Jaerné reaktory na rychlých neutronech (LMFBR) Pracují s neutrony o vysokých energií. Většina osavaních rychlých reaktorů byla chlazená tekutými kovy, i kyž některé buoucí projekty uvažují i s jinými chlaivy (např. roztavené soli, helium, superkritická voa). Chlaící okruh elektráren s LMFBR je vžy tříokruhový. Primární okruh slouží k oebírání tepla z aktivní zóny, oku soík prouí o primárního mezivýměníku ke přeává teplo o sekunárního okruhu. Primární soík se stává silně raioaktivním. V sekunárním okruhu většinou prouí také soík a nebo jeho slitiny. Sekunární okruh je připojen na parogenerátor ke soík přeává teplo o terciárního okruhu, ke prouí voa, která se vypařuje a pohání turbínu. Teplota soíku na výstupu z reaktoru je kolem 550 C, proto může být pára přehřívána. Účinnost těchto elektráren je proto srovnatelná s klasickými tepelnými elektrárnami. U reaktorů typu LMFBR může být chlaící okruh koncipován věma způsoby (obr..): a) Smyčkový - Aktivní zóna reaktoru je naplněna chlaícím méiem, které cirkuluje primárním chlaícím okruhem s mezivýměníkem a oběhovými čerpaly umístěnými mimo reaktorovou náobu. Chlaící kapalina je z reaktoru ováěna v několika smyčkách. b) Integrální - Mezivýměník je spolu s čerpaly umístěn přímo v reaktorové náobě. Je nazýván také bazénový. Tato konstrukce je vnímána jako bezpečnější varianta, protože všechny raioaktivní části jsou umístěny v jené náobě. Ačkoliv nevýhoou jsou velké rozměry komponent a samotné reaktorové náoby. Obr.. Srovnání integrálního a smyčkového proveení LMFBR [9]
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK.. Pracovní méia rychlých reaktorů Jako chlaící méium je používán přeevším tekutý Soík, ale používají se i jiné kovy a slitiny jako napříkla Olovo, Rtuť, slitiny Soíku a Draslíku (Na-K) a nebo Olova a Bismutu. Soík, jako nejčastěji používaný prvek u větších rychlých reaktorů, má výhou v tom, že má nízkou teplotu tání (97 C) a poměrně vysokou teplotu varu (883 C), proto v chlaícím okruhu postačí tlak jen o málo vyšší než atmosférický, na rozíl o tlakovoních reaktorů. Další jeho výhoou je že nezpůsobuje příliš velkou korozi na komponentech chlaícího okruhu. Největší nevýhoou soíku je jeho silná reakce s kyslíkem, která způsobuje jeho vznícení. Při kontaktu s voou může být výbušný, ale to platí pouze ve větším množství. Slitina Na-K má poobné vlastnosti, ale navíc působí jako moerátor, což je u rychlých reaktorů nežáoucí. Používá se u menších experimentálních reaktorů, přeevším v sekunárním okruhu. Rtuť byla použita u prvního LMFBR vůbec, ale kvůli jejím nevýhoám jako je vysoká toxicita, vysoká tenze páry i při pokojové teplotě a nízký bo varu, už o ní není příliš uvažováno. Olovo má velice obré vlastnosti protože málo absorbuje neutrony a výborně pohlcuje gama záření. Z hleiska bezpečnosti je jeho největší výhoou velmi vysoký bo varu (749 C), ale jeho vysoký bo tání stěžuje oplňování chlaiva. Pro snížení bou tání olova se může použít slitina olova a bismutu, ale to přináší alší nevýhou a tou je vysoká korozivost některých kovů.. Typy konstrukce výměníků tepla u rychlých reaktorů Na výměníky můžeme narazit u rychlých reaktorů ve vou poobách: a) primární výměník v primárním i sekunárním okruhu prouí tekutý kov; b) sekunární výměník (parní generátor) v primárním okruhu opět prouí tekutý kov, který přes teplosměnnou plochu přeává teplo voě. Dochází v něm ke změně fáze. Návrh a konstrukce mezivýměníků tepla je velice náročná operace. Při návrhu je potřeba zaručit okonalou těsnost celého zařízení kvůli zamezení úniku soíku o vzuchu nebo voy. Dále musí být zaručena těsnost mezi primárním a sekunárním okruhem, aby neocházelo k pronikání raioaktivního soíku z primárního okruhu o sekunárního. V zásaě se používají va způsoby řešení mezivýměníků k zamezení výše uveených problémů: S vojitými trubkami S jenouchými trubkami
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK U systému s vojitými trubkami teplonosné látky, které při porušení těsnosti nesmí přijít o styku, prouí uvnitř vnitřní a vně vnější trubky. Mezikruhový prostor mezi trubkami je vyplněn třetí látkou, která nereaguje z žánou z teplonosných látek. Touto látkou může být u mezivýměníků soík, nebo u parogenerátorů hélium o nižším tlaku, než je v primárním okruhu. Kontrola těsnosti je proveena kontinuálním měřením tlaku a raioaktivity oělující látky. Tento způsob konstrukce je značně komplikovaný a pro komerční využití nevhoný vzhleem k velkému oporu proti prostupu tepla. Obr.. Primární výměník soík-slitina Na-K s vojitými trubkami vstup soíku; výstup soíku; 3 vstup Na-K; 4 výstup Na-K; 5 prostor se stojícím soíkem; 6 kompenzace vnitřních a vnějších trubek [] Obrázek. znázorňuje protiprouý mezivýměník s vojitými trubkami. Teplo je přenášeno tekutým soíkem, prouícím ve vnitřní trubce ø,5 mm a tloušťce stěny 0,85 mm, a přeáváno slitině Na-K, která omývá vnější trubky ø6 mm a tloušťce stěny mm v mezitrubkovém prostoru. Prostor mezi oběma trubkami je vyplněn stojícím soíkem. Trubky jsou přivařeny k příslušným trubkovnicím, které jsou na jené straně přivařeny k plášti a na ruhé straně ke kompenzacím. Celkem je ve výměníku 7 vojitých trubek, vyrobených z materiálu o složení 99,4% Ni, 0,% Cu, 0,5% Fe, 0,% Mn, 0,05% Si a max. 0,0% C, který má vysokou tepelnou voivost. Ostatní části jsou vyrobeny z austenitické nerezavějící oceli. Výhoou tohoto výměníku je malý hyraulický opor. Nevýhoou je velký opor proti prostupu tepla a omezená přístupnost trubkovnic. Obr. 3. 3
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Na obr. 3. je jiné proveení mezivýměníku s vojitými trubkami. V primárním okruhu prouí opět tekutý Na, v sekunárním slitina Na-K. Vstup obou tekutin je proveen v čelních stěnách výměníku a výstup na boku pláště. V mezitrubkovém prostoru je opět stojící Na. Zvláštností jsou trubky ohnuté o L, které jsou v místě ohybu zploštělé.z tohoto ůvou trubky nevyžaují použití zvláštní kompenzace ilatací. Výměník je celosvařovaný. Teplosměnné trubky jsou z Ni a mají tloušťku stěny 0,9 mm. U tohoto výměníku bylo osaženo součinitele přestupu tepla 30 W/m K. Jeho největší nevýhoou jsou velké rozměry a vysoké pořizovací náklay. Příkla mezivýměníku s jenouchými trubkami je znázorněn na obr. 4. V trubkovém prostoru, který tvoří trubky o průměru ø0,6 mm, prouí slitina Na-K. V mezitrubkovém prostoru prouí tekutý soík.trubky jsou o trubkovnice zaválcovány a zavařeny, na ruhém konci jsou připojeny ke kompenzaci. Pro zabránění úniku slitiny o vzuchu je konec s kompenzací vložen o zvláštní objímky. Při porušení oje pouze ke smíchání obou tekutých kovů. Výhoou je mnohem vyšší součinitel prostupu tepla než u výměníků s vojitými trubkami. Pořizovací náklay jsou zhruba o polovinu nižší než u přechozího typu. Obr. 4. Primární výměník s jenouchými trubkami vstup soíku; výstup soíku; 3 vstup slitiny Na-K; 4 výstup slitiny Na-K; 5 kompenzace [] 3. Řešení mezivýměníků tepla na jaerných elektrárnách V komerčních elektrárnách se nejčastěji používají mezivýměníky s jenouchými trubkami. Je to hlavně áno tím že mají jenoušší konstrukci a vysoký součinitel prostupu tepla. Až na výjimky je konstrukce těchto výměníků velice poobná. Konstrukce takového výměníku je patrná z obr. 5 na kterém je jeen ze tří mezivýměníků v jaerné elektrárně Enrico Fermi. V primárním i sekunárním okruhu prouí tekutý soík. Trubkový svazek je uzavřen o pláště, ve kterém jsou obelníko- Obr. 5. Mezivýměník Na-Na Enrico Fermi [] - vstup primárního soíku - výstup primárního soíku 3- vstup sekunárního soíku 4- výstup sekunárního soíku 5- otvory pro vstup soíku o MP 6- otvory pro výstup soíku z MP 7- teplosměnná trubka 8- centrální trubka 9- hlaina soíku za provozu 4
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK -vé otvory, kterými o mezitrubkového prostoru prouí primární soík a ve sponí části vytéká ven. Sekunární soík z parogenerátoru prouí centrální trubkou až o prostoru plovoucí trubkovnice, ke vtéká o teplosměnných trubek a poté ven z výměníku. Tento výměník je integrálního typu. Velmi poobné konstrukce je i mezivýměník ruského reaktoru BOR (obr. 6), u kterého je navíc použito biologické stínění. Primární soík opět prouí v mezitrubkovém prostoru o kterého vstupuje stejně jako v přechozím přípaě ze strany.výstup z MP je ovšem ve ně výměníku, což v přípaě potřeby umožňuje úplné vypuštění. Sekunární soík je přiváěn centrální trubkou o prostoru plovoucí hlavy, oku je rozváěn o teplosměnných trubek. V prostoru na horní trubkovnicí je umístěno biologické stínění. Obr. 6. Mezivýměník reaktoru BOR [4] biologické stínění trubkovnice 3 střeová trubka 4 vstupní komora 5 svazek trubek 6 výplňové trubky 5
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Malou výjimkou mezi primárními výměníky je mezivýměník z reaktoru BN-350 (obr.7). Ten je koncipovaný jako článkový s křížovým prouěním. Primární soík prouí horizontálně v mezitrubkovém prostoru. Ve sponí části je umístěna výpusť v přípaě nutnosti vypráznění MP. Trubkovým prostorem prouí sekunární soík. TP je rozělen na tři části, které jsou na sebe napojeny sériově, tzn. že výstup z prvního úseku je napojen na vstup o alšího. Mezivýměník je smyčkového typu. Obr. 7. Mezivýměník reaktoru BN-350 [4] biologické stínění trubkový svazek 3 plášť výměníku Na posleních třech fotkách jsou ukázky mezivýměníku tepla ze zatím neokončeného reaktoru BN-800 (obr.8) a již ostaveného reaktoru Phénix (obr.9, 0). Tyto mezivýměníky jsou opět ověřené konstrukce se střeovou trubkou. Mezivýměník reaktoru BN-800 i mezivýměník reaktoru Phénix jsou bazénového typu. V reaktoru Phénix bylo celkem 6 těchto mezivýměníků. Mezivýměníky Phénix byly často opravovány kvůli únikům soíku. Byla okonce proveena úprava návrhu a výměna některých součástí, protože půvoní měl velké neostatky, ky při ilatacích TP vznikaly netěsnosti. Po jenom větším úniku soíku byly va výměníky vyjmuty z reaktorové náoby vyprázněny a ekontaminovány, aby bylo možné zjistit ke vznikají netěsnosti. Bylo to poprvé ky byla proveena takováto operace s raioaktivním materiálem. O reaktoru BN-800 a jeho komponentách toho zatím není moc známo vzhleem k jeho probíhající výstavbě. 6
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK (Nahoře) Obr. 8. Montáž mezivýměníku reaktoru BN-800 [9] (Vlevo) Obr. 9. Oprava mezivýměníku Francouzského reaktoru Phénix. [] (Dole) Obr. 0. Inspekce trubek na vyměněném mezivýměníku stejného reaktoru. [] 7
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK 4. Teorie návrhu výměníků 4.. Postup při tepelném výpočtu Při zaaných teplotách na vstupu a výstupu výměníku a zaaných teplotách látky v sekunárním okruhu a požaovaném tepelném výkonu Q je postup tepelného výpočtu násleující: Výpočet hmotnostního průtoku pracovních látek v primárním a sekunárním okruhu Volba parametrů trubek trubkového svazku, volba uspořáání trubek, konstrukčního řešení teplosměnné plochy a přeběžný návrh rozměrů tlakové náoby Výpočet logaritmického teplotního rozílu Výpočet střeních rychlostí prouění a poobnostních kritérií Výpočet součinitelů prostupu tepla pro primární a sekunární stranu, porovnání s přeběžným návrhem a opakování výpočtu pro osažení shoy Výpočet výhřevné plochy Stanovení élky teplosměnných trubek 4... Záklaní rovnice výměny tepla Vzhleem ke splnění zákona zachování energie tepelný příkon přiváěný teplejší pracovní látkou o výměníku Q se musí rovnat tepelnému výkonu přeávanému chlanější látce Q a ztrátám o okolí Q z. Platí tey: Q & & + & Q Q z (.)[5] Ztráty Qz u běžných zaizolovaných výměníků nepřekročí 5%, proto je možné je zanebat: Q & Q& Q& (.)[5] Pro jenotlivé prouy v TP a MP proto platí: Q& m& c T T ) m& c ( T ) (.3)[5] p ( p T ke m, m - hmotnostní průtoky v MP a TP [kg/s] c p, c p - stření velikost měrné tepelné kapacity soíku v MP a TP [J/kg K] T, T - termoynamické teploty na vstupu a výstupu MP T, T - termoynamické teploty na vstupu a výstupu TP Pro celkový přenos tepelného výkonu platí rovnice výměny tepla, která nám po úpravě slouží k výpočtu teplosměnné plochy A: Q & A k ΔT (.4)[5] ke A - velikost teplosměnné plochy [m ] k - součinitel prostupu tepla [W/m K] Q - celkový přenesený tepelný výkon [W] Δ T - logaritmický teplotní rozíl [K] 8
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK 4... Logaritmický teplotní rozíl Při průtoku pracovní látky výměníkem ochází k plynulé změně teploty poél plochy výměny tepla. Křivka tohoto průběhu je logaritmickou křivkou. Rozíl mezi střeními honotami teplot obou látek je efinován jako stření logaritmický teplotní rozíl pracovních látek ve výměníku tepla. Pro souproué a protiproué uspořáání výměníku platí tvar: ΔT ΔT T ln Δ T max min Δ Tln (.5)[5] Δ max min 4..3. Součinitel prostupu tepla a plocha výměny tepla Součinitel prostupu tepla k charakterizuje přenos tepla z TP o MP nebo obráceně. Pro trubkové výměníky s hlakými válcovými trubkami se určí ze vztahu: k α + ln λ t + α (.6)[] ke k- součinitel prostupu tepla [W m - K - ] α - součinitel přestupu tepla na povrchu s průměrem [W m - K - ] α - součinitel přestupu tepla na povrchu s průměrem [W m - K - ] - vnitřní průměr trubky [m] - vnější průměr trubky [m] λ t - tepelná voivost stěny trubky [W/m K] - výpočtový průměr + [m] 4..4. Součinitele přestupu tepla v TP a MP Pro výpočet součinitelů přestupu tepla v trubkovém a mezitrubkovém prostoru existuje mnoho vztahů, které se v mnoha přípaech honě liší. U mnoha výměníků a parních generátorů jaerných zařízení se obvykle prováí vlastní výzkum a měření sílení tepla na moelech. Pro rozvinuté turbulentní prouění v kanálech se použije vzorec: α Nu λs (.7)[5] e ke α - součinitel přestupu tepla [W m - K - ] λ s - tepelná voivost soíku [W/m K] e- hyraulický průměr [m] Nu- Nusseltovo číslo 9
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Pro výpočet Nusseltova čísla pro nucené turbulentní prouění tekutých kovů v kanálech se pro TP použije vzorec: Nu 0,8 3 + 0, 04 Pe (.8)[6] Výpočet Nussletova čísla pro MP: ke: Nu 0,55 0,58 Pe r 0,45 (.9)[7] s r, (.0)[7] Výpočet poobnostních čísel: Pe Re Pr (.)[] u Re (.)[5] ν Pr c p η λs (.3)[5] Rychlost prouění: u m& ρ S (.4)[5] Průtočný průřez: S π (.5)[5] nt 4 nch ke n t - počet trubek ve výměníku u - rychlost prouění soíku kanálu [m s - ] - průměr kanálu [m] ν - kinematická viskozita soíku [m s - ] η - ynamická viskozita [Pa s] 4.. Hyraulický výpočet Hlavním úkolem hyraulického výpočtu je určit tlakovou ztrátu při prouění méia v mezivýměníku. Je potřeba znát etailní řešení mezivýměníku. Tlaková ztráta v mezivýměníku se skláá z tlakových ztrát způsobených třením a tlakových ztrát způsobených místními opory (změna směru prouění, rozšíření nebo zúžení průtočného průřezu, at.). Výpočty v této kapitole musí být brány s rezervou, protože není znám přesný moel prouění v mezivýměníku. 0
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK Tlaková ztráta způsobená třením se vypočítá pole vzorce l u ρ Δpt λ (.)[] e ke l - élka kanálu [m] e - hyraulický průměr [m] u - rychlost prouící kapaliny [m/s] ρ - hustota prouící kapaliny [kg/m 3 ] λ - je součinitel závislý na poměrné rsnosti povrchu trubek a vypočítá se pomocí vztahu: λ (.)[],74 + ln Δ ke Δ - (něky také ε) je absolutní rsnost [m], pro nerez. oceli je asi 0,05 mm - charakteristický rozměr potrubí [m] Tlakové ztráty způsobené místními opory se vypočítají pole vzorce u ρ Δpm Σξ m (.5)[] ke ξ m - součinitel místních oporů [-] u - rychlost prouění v příslušném průřezu [m/s] Ztrátový součinitel příčně obtékaného svazku trubek, který je potřeba pro výpočet místních oporů na vstupu o trubkového svazku, se vypočítá pomocí ( 6 + 9 z) ke s - rozteč trubek [m] - vnější průměr trubek [m] Výpočet celkové tlakové ztráty: s 0,3 0,6 ξ p Re (.6)[] Δ p Δp + Δp (.7)[] z t m
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK 4.3. Pevnostní výpočet Pevnostním výpočtem si pouze ověříme za tloušťka pláště a na výměníku vyhovuje tlakovému zatížení. Jako výpočtový tlak bue použita honota 0, MPa, což je honota která se běžně vyskytuje u LMFBR. Hlavní výpočty v této části jsou kontrola tloušťky stěny válcového pláště s p D p [ σ ] z p (3.)[3] a výpočet maximálního ovoleného tlaku p max [ σ ] D p s a (3.)[3] Pro torosférické no platí poobné vztahy: s p R σ [ ] z 0,5 p (3.3)[3] p max [ σ ] s a R + 0,5 s a (3.4)[3] Pro výpočet napětí ve stěně trubky platí: p σ st (3.5)[3] s Pro výpočet maximálního ovoleného napětí platí: R p0, R m [ σ ] min ; (3.6)[3] n0, nm ke n 0,,5 n m,6 p - výpočtový tlak [Pa] D p - vnitřní průměr pláště [m] D p - vnější průměr pláště [m] [σ] - maximální ovolené napětí [Pa] z - svarový součinitel [-], pro jaerná zařízení z e - minimální tloušťka stěny [m] e a - analyzovaná tloušťka stěny [m] p max - maximální ovolený tlak [Pa] R - vnitřní poloměr na [m]
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK 5. Návrh mezivýměníku tepla pole zaaných parametrů 5.. Zaání Vyřešit konstrukční návrh a výpočet mezivýměníku tepla soík - soík, který přenáší teplo z primárního okruhu rychlého jaerného reaktoru o okruhu sekunárního. Uspořáání primárního okruhu je smyčkové. Tepelný výkon reaktoru je 800 MW, teplota soíku na vstupu/výstupu o/z reaktoru je 375 C / 545 C. 5.. Tepelný výpočet Vzhleem k tomu že tepelný výkon reaktoru je poměrně velký, proto je chlaící okruh rozělen o 4 smyček, kažá s jením výměníkem. Primární soík bue prouit v mezitrubkovém prostoru. Teplosměnné trubky společně s ostatními částmi mezivýměníku buou vyrobeny z feritické oceli se složením 8.5% Cr, % Ni, % Mn, % Si, % Mo, 0.05% C. Ocel má označení UNS S44400 [6]. Její vlastnosti jsou v tabulce 3. Tab. Zaané honoty Q 800000000 W t 545 C 88,5 K t 375 C 648,5 K Volené honoty t 35 C 588,5 K t 55 C 788,5 K n s 4 počet smyček Tab. 4 Tab. 3 Vlastnosti konstrukční oceli Mez pevnosti R m 4 MPa Mez kluzu R p0, 75 MPa Tepelná voivost λ 6,8 W/m-K TP Vlastnosti soíku ρ 850,400 kg/m -3 ρ 839,400 kg/m -3 ν 3,34E-07 m/s v 3,039E-07 m/s c p 7,883 J/kg*K c p 7,809 J/kg*K λ 67,884 W/m*K λ 65,58 W/m*K Mezivýměník by měl být navrhován pro větší výkon než který bue přenášet, proto je k tepelnému toku připočítáno 0% navíc. MP 3
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK Výpočet tepelného toku pro jenu smyčku: Hmotnostní průtok MP: Q Q& 800000000 & s n 4 495000000 s ( + 0,), [ W ] efinována. m& Chyba! Záložka není Q& s 495000000 T 7,809 545 375 c p ( T ) ( ) 87,669 [ kg / s] Hmotnostní průtok TP: m& Q& 495000000 s c p ( T T ) 7,883 ( 55 35) 944,406 [ kg / s] Stření logaritmický rozíl teplot při protiprouém uspořáání mezivýměníku: ΔTmax ΔTmin 60 30 Δ Tln 43, 808 ΔTmax 60 ln ln ΔT 30 min [ K] 5... Přeběžný výpočet součinitele prostupu tepla Pro přeběžný výpočet součinitele prostupu tepla k a teplosměnné plochy A je potřeba zvolit materiál a průměr trubek, a také ohanout součinitele přestupu tepla α, α (tab.5): Tab. 5 Zvolené rozměry trubek a součinitelé přestupu tepla Tepelná voivost materiálu λ t 6,8 W/mK Vnitřní průměr trubek 0,0 m Vnější průměr trubek 0,0 m Součinitel přestupu tepla pro α 0000 W/m K Součinitel přestupu tepla pro α 000 W/m K 4
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK Součinitel prostupu tepla vypočteme z rovnice (.6) a teplosměnnou plochu po úpravě (.4): k α + ln λ + α 0000 0,0 0,0 + ln 0,0 6,8 0,0 0,0 + 000 0,0 0,0 7505,8 K [ W / m ] A Q& s k ΔT 495000000 53,7 7505,8 43,808 [ m ] 5... Návrh konstrukce Po přeběžném výpočtu součinitele prostupu tepla musí být navrženy záklaní rozměry mezivýměníku (tab.6), aby bylo možné pokračovat ve výpočtu. Materiál ze kterého bue mezivýměník vyroben bue stejný jako materiál teplosměnných trubek. Další výpočty je nejvhonější prováět pomocí různých výpočtových programů (např. Excel). Tab. 6 Zvolené rozměry výměníku Průměr trubkového svazku Ds,83 m Průměr pláště Dp,848 m Počet trubek n t 56 Vnitřní průměr střeové trubky s 0,5 m Vnější průměr střeové trubky s 0,55 m 5..3. Dopočítání součinitelů přestupu tepla pro zvolenou konstrukci Nejříve je potřeba vypočítat všechna poobnostní kritéria. Proto musí být zjištěny průtočné rychlosti a průřezy v TP i MP: MP: π D p π n t π s S,6809 0,857 0,374, 5863 4 4 4 [ m ] m& 87,669 u,78 / ρ S 839,4,6 [ m s] 5
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK TP: π nt π 0,0 56 S 0, 7084 4 n 4 CH [ m ] Dopočítaní Nusseltových čísel Pro MP potřebujeme ještě opočítat r : m& 944,406 u 3,78 / ρ S 850,406 0,7084 Tab. 7 Vypočítaná poobnostní kritéria TP () MP () Re u ν 99590,8544 4400 Pr c p η λ 0,005573 0,0049509 Pe Re Pr 09,36 606,44963 [ m s] s 0,09 r, 0,0, 0, 0005 0,0 Pak pro MP platí: Nu 0,55 0,55 0,45 0,45 606,44963 r 0,58 Pe 0,0005 0,58 0,0 [ m] 9,99 a pro TP: Nu 3 + 0, 04 Pe 3 + 0,04 09,36 0,8 0,8 6,599 Nyní již můžeme vypočítat součinitele přestupu a prostupu tepla, a poté i velikost teplosměnné plochy pro MP: / [ W m K ] Nu λ 9,8495 65,58 α 936 0,0 TP: / [ W m K ] Nu λ 6,599 67,884 α 398 0,0 6
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK Výpočet součinitele prostupu tepla a teplosměnné plochy: [ ] K m W k / 8583,667 0,0 0,0 936 0,0 0,0 ln 6,8 0,0 0,0 0,0 398 ln + + + + α λ α [ ] 33,05 43,808 8566,667 495000000 m T k Q A s Δ & 5.3. Hyraulický výpočet 5.3.. Výpočet tlakových ztrát třením MP [ ] + Δ + 06378 0, 0,00005 0,0 ln,74 ln,74 MP λ [ ] Pa u l p e mp t 34, 839,4,78 0,0 8,957 0,06378 Δ ρ λ TP [ ] + Δ + 0086 0, 0,00005 0,5 ln,74 ln,74 TP λ [ ] + Δ + 0657 0, 0,00005 0,0 ln,74 ln,74 TP λ [ ] Pa u l u l p e TP e TP t 353,76 850,4 3,77 0,0 9,57 0,657 850,4 0,77 0,5 3,05 0,0086 + + + Δ ρ λ ρ λ 7
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK 5.3.. Výpočet místních tlakových ztrát Při výpočtu místních tlakových ztrát musíme znát ztrátové součinitele (tab. 8) pro různé ruhy změn prouění. Ty se ají najít v oborné literatuře nebo učebních textech. Tab.8 [0] Tabulka ztrátových součinitelů místních oporů TP rychlost prouění [m/s] hustota [kg/m 3 ] ξ TP ztráta v obloukovém kolenu 0,4 0,77 850,4 ξ TP vstup a výstup z trubkového svazku x0,7 3,77 850,4 ξ TP3 ohyb prouu v komoře 0,4 0,77 850,4 ξ TP4 kónické zúžení 0,4 0,9357 850,4 ξ TP5 změna směru v kolenu,7 4,38 850,4 MP ξ MP ztráty ve vstupních hrlech 6,6733 839,4 ξ MP ztráty ve výstupním hrle 0,5 4,698 839,4 ξ P ztráty příčným obtékáním trubek 0,94,78 839,4 MP: Δp m Σξ MP 494,44 u ρ [ Pa] ( 6,6733 + 0,5 5,60 ) 839,4,78 839,4 + 0,94 TP: Δp m Σξ 53999,9 TP u [ Pa] ρ 0,4 0,77 + 0,7 3,77 + 0,4 0,77 + 0,4 0,9357 +,7 4,38 850,4 Celkové tlakové ztráty: MP: Δ pz Δpt + Δpm 34 + 494,44 548, 9 [ Pa] TP: Δ p z Δpt + Δpm + 53999,9 675, 9 [ Pa] Δp 353 zc Pro MP se musí započítat o tlakové ztráty rozíl výšek mezi vstupním a výstupním hrlem: ( p p ) 756 548,9 697, [ Pa] Δp zc h ρ g V MP ochází k nárůstu tlaku vlivem rozílu výšky. 8
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK 5.4. Pevnostní výpočet V prvé řaě musí být zjištěno maximální ovolené napětí (honoty meze kluzu a pevnosti jsou v tab.3). Výpočtový tlak pro TP je 0,5 [MPa] a pro MP 0, [MPa]: R R 75 45 n0, n m,5,6 MP Výpočet maximálního ovoleného tlaku pro válcový plášť: p0, m [ σ ] min ; min ; 59,6 [ MPa] p Kontrola tloušťky stěny: [ σ ] D s 5960000 0,0 a max p,888 3,38 [ MPa] s p D [ σ ] p z p 00000,848 0,0058 5960000 00000 [ m] s < s a Tloušťka pláště vyhovuje. Výpočet maximálního ovoleného tlaku pro torosférické no: [ σ ] sa 5960000 0,0 pmax 3,436 [ MPa] R + 0,5 sa,848 + 0,5 0,0 TP Pro kontrolu tloušťky stěny na je výpočtový tlak zvýšen o tlak vytvářený hmotností soíku v TP která je m s 0,885 [t]: F m g 08850 ps 905 s s 4,969 [ Pa] s ( p + ps ) R [ σ ] z 0,5 ( p + p ) s 7905,848 0,000995 5960000 0,5 7905 [ m] s < s a Tloušťka stěny na vyhovuje. Výpočet napětí ve stěně trubky: σ p s 50000 0,0 0,00 σ st < [ σ ] st, 5 [ MPa] 9
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK 6. Závěr V první části práce byla proveena analýza známých řešení mezivýměníků v jaerných elektrárnách. Z této analýzy vyplynulo že nejčastěji používané mezivýměníky jsou s jenouchými trubkami s protiprouým uspořááním. U nově navrhovaných reaktorů již převláá bazénový typ na smyčkovým, je to hlavně způsobeno tím že bazénový typ je mnohem bezpečnější. Jeinou jeho nevýhoou je sna jeině velikost jenotlivých komponent. Ve ruhé části bakalářské práce byl proveen návrh smyčkového mezivýměníku, při kterém bylo použito poznatků zjištěných při analýze. Parametry navrženého mezivýměníku jsou v tabulce 9. Tab. 9 Parametry navrženého výměníku Typ Jenochoý trubkový bez přepážek Tepelný výkon 495 MW Vstupní teplota 35 C Výstupní teplota 55 C TP MP Vstupní tlak 0,5 MPa Tlaková ztráta 0,054 MPa Hmotnostní průtok 944 kg/s Materiál TP UNS S44400 Vnitřní průměr trubek 0,0 m Tloušťka stěny trubek 0,00 m Délka trubek 9,6 m Teplosměnná élka trubek 8,96 m Počet trubek 56 Rozteč trubek 0,09 m Celková plocha přestupu tepla 33, m Teplonosná látka soík Vstupní teplota 545 C Výstupní teplota 375 C Vstupní tlak 0, MPa Tlaková ztráta* 0,054 MPa Výstupní tlak 0,8 MPa Hmotnostní průtok 87,9 kg/s Materiál pláště UNS S44400 Materiál trubkovnic UNS S44400 Vnitřní průměr pláště,848 m Tloušťka pláště 0,0 m Tloušťka trubkovnic 0,5 m Průměr střeové trubky 0,55 m Teplonosná látka raioaktivní soík *Pouze tlaková ztráta třením a místními opory. Ve skutečnosti je v MP tlakový spá 754 kpa. 30
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK Obr.. Moel navrženého mezivýměníku 3
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK 7. Použité zroje [] BEČVÁŘ, Josef. Jaerné elektrárny. Praha : SNTL/ALFA, 98. 636 s. [] MATAL, Olřich. Konstrukční cvičení : Vybrané komponenty jaerně energetických zařízení. Brno : VUT v Brně, 988. 36 s. [3] SAZIMA, Miroslav, et al. Teplo : Technický průvoce. Praha : SNTL, 989. 59 s. [4] DUBŠEK, František. Jaerná energetika. Brno : VUT v Brně, 994. 06 s. [5] STEHLÍK, Petr. Tepelné pochoy : Výpočet výměníku tepla. Brno : VUT v Brně, 99. 9 s. [6] BORIŠANSKIJ, V., M., KUTATELADZE, S., S.: Žikometaličeskije teplonositeli; Atomizat, Moskva, 967 [7] BAGDASAROV, Ju., E., PINCHASIK, M., C., KUZNĚCOV, I. A.: Těchničeskije problemy reaktorov na bystrych nějtronach. Atomizat, Moskva, 969 [8] Online Materials Information Resource - MatWeb [online]. c996-00 [cit. 00-05-3]. Dostupné z WWW: <http://www.matweb.com/>. [9] GROUP OF COMPANIES REMCO : Equipment for nuclear power engineering [online]. c008, 3.5.00 [cit. 00-05-3]. Dostupné z WWW: <http://www.rusenergomash.ru/eng/prouction/ob-atom/>. [0] Katera hyrauliky a hyrologie - K4 : HYV - přenášky [online]. 006, 3.5.00 [cit. 00-05-4]. Dostupné z WWW: <http://hyraulika.fsv.cvut.cz/hyraulika/premety/hyv/ke_stazeni/prenasky/hyv_ 04_Hyraulika_potrubi.pf>. [] LMFBR. In Wikipeia : the free encyclopeia [online]. St. Petersburg (Floria) : Wikipeia Founation, 3.5.004, last moifie on 4..006 [cit. 00-05-3]. Dostupné z WWW: <http://en.wikipeia.org/wiki/lmfbr>. [] SAUVAGE, Jean-François. International Atomic Energy Agency (IAEA) [online]. 004 [cit. 00-05-4]. Phènix - 30 years of history: the heart of a reactor (Jean-François Sauvage). Dostupné z WWW: <http://www.iaea.org/inisnkm/nkm/aws/fnss/phenix/book/inex.html>. [3] NEKVASIL, Richar. Přenášky FSC - Stavba a provoz chemických zařízení, VUT Brno, 00 3
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 009/00 PETR KUPČÍK 8. Seznam použitých zkratek a symbolů ZKRATKA POPIS JEDNOTKA m& - hmotnostní průtok [kg/s] Δ T - logaritmický teplotní rozíl [K] Q & - tepelný výkon [W] [σ] - maximální ovolené napětí [Pa] A - velikost teplosměnné plochy [m ] C - Carboneum (Uhlík) [-] c p - měrná tepelná kapacita [J/kg K] - průměr [m] e - hyraulický průměr [m] De - hyraulický průměr [m] D p - vnitřní průměr pláště [m] D p - vnější průměr pláště [m] k - součinitel prostupu tepla [W m - K - ] l - élka kanálu [m] LMFBR - Liqui Metal Fast Breeer Reactors (rychlé reaktory chlazené tekutými kovy) [-] MP - mezitrubkový prostor [-] Na - Natrium (Soík) [-] Na-K - slitina soík - raslík [-] Ni - Niccolum (Nikl) [-] n t - počet trubek [-] Nu - Nusseltovo číslo [-] p - výpočtový tlak [Pa] p max - maximální ovolený tlak [Pa] Pe - Peckletovo číslo [-] Pr - Prantlovo číslo R - vnitřní poloměr na [m] Re - Reynolsovo číslo [-] S - průtočný průřez [m ] s - rozteč trubek [m] s - tloušťka stěny [m] T - termoynamická teplota [K] TP - trubkový prostor [-] u - rychlost prouění soíku kanálu [m s - ] u - rychlost prouění v příslušném průřezu [m/s] u - rychlost prouící kapaliny [m/s] z - svarový součinitel [-] α - součinitel přestupu tepla [W m - K - ] Δ(ε) - absolutní rsnost potrubí [m] λ - je součinitel závislý na poměrné rsnosti trubky [-] λ s - tepelná voivost soíku [W/m K] λ t - tepelná voivost stěny trubky [W/m K] ν - kinematická viskozita [m s - ] ξ m - součinitel místních oporů [-] ρ - hustota prouící kapaliny [kg/m 3 ] 33
MEZIVÝMĚNÍK TEPLA SODÍK - SODÍK 009/00 PETR KUPČÍK 9. Seznam příloh Sestava - MEZIVÝMĚNÍK NA NA BP - IHX 34