Nghiên cứu tính toán và thiết kế phần sơ cấp hệ thống trao đổi nhiệt hai vòng tuần hoàn

[Do an] Nghien cuu tinh toan va thiet ke phan so cap he thong trao doi nhiet hai vong tuan hoan

1 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Trịnh Hữu Toản, thầy đã trực tiếp hướng dẫn em, chỉ bảo tận tình cho em để em có thể thực hiện tốt đồ án này. Qua thời gian được học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội em đã được các thầy các cô truyền đạt cho những kiến thức vô cùng quý báu cả về lý thuyết và thực nghiệm, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong viện Kỹ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trường, người luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian được học tập và rèn luyện tại trường. 2 MỤC LỤC Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ lò PWR hai vòng tuần hoàn [1] 8 Bảng 1.1. Thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng: 9 Hình 1.2 Bố trí hệ thống cho lò PWR. [3] 10 Hình 1.3 Tâm lò phản ứng PWR 11 Bảng 1.2. Thông số cụ thể của một lò PWR công suất 1160 MWe [1] 12 Hình 1.4. Đặc điểm của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nước nhẹ [3] 15 Hình 1.5 Bó nhiên liệu tiêu biểu cho lò phản ứng nước nhẹ.[3] 16 Hình 2.1 Áp suât cân bằng trong suốt quá trình [3] 19 Hình 2.2 Thể tích xác định và các dòng chảy [3] 21 Hình 2.3 Thí dụ về một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cacnô [3] 26 Hình 2.5 Hai chu trình thuận nghịch chứng minh một thực tế đó là entropy là trạng thái của một chất.[3] 30 Hình 2.6 Sơ đồ thể tích xác định được phân tích theo nguyên lý nhiệt động thứ 2. [3] 33 Hình 2.7 USUF [3] 36 Hình 2.8 Quá trình thuận nghịch thay đổi tương tự hình 2.7 [3] 36 Hình 3.1 Các thành phần của hệ thống PWR cho ví dụ áp dụng nguyên lý 1 [3] 42 Hình 3.2 Phân bố nhiệt độ vùng trao đổi nhiệt lò PWR [3] 43 Bảng 3.1 thông số của bài toán 45 Hình 3.3 Thí dụ thủy nhiệt trong một lò PWR đơn giản. [3] 45 Hình 3.4 Đồ thị T – S cho chu trình trong lò PWR [3 46 Hình 3.5 Từng thành phần trong nhà máy điện [3] 50 Hình 3.6 Hệ thống lò phản ứng PWR đơn giản. [3] 51 Hình 3.7 Bình điều áp 54 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 56 Hình 4.2a Thùng chịu áp lực theo phương bán kính 59 Hình 4.2b Thùng chịu áplực theo phương đứng 59 Hình 4.3 Thùng lò thiết bị thí nghiệm 61 Hình 4.4 .Mô tả đường ống 62 Hình 4.5 Đoạn ống cong 65 Hình 4.6 Đồ thị biểu thị sự thay đổi của k1 theo Ro/d và k2 theo góc 66 Hình 4.7 Ứng suất lớn nhất trong ống 66 KẾT LUẬN 68 Hình 4.8 Dòng chảy rẽ nhánh 70 Hình 4.9 Kf là hàm của r/d 70 Hình 4.10 Ống có đường kính tăng dần 71 Hình 4.11 Kf phụ thuộc vào beta 71 Hình 4.12 Ống đường kính thu hẹp dần 71 Hình 4.13 Kf phụ thuộc vào beta 72 Hình 4.14 Ứng lực lên ống thay đổi hình học 72 Hình 4.15 Dòng chảy va chạm trong ống 72 Hình 4.16 Ứng lực trong ống dòng chảy va chạm 73 Hình 4.17 Dòng chảy tách trong ống 73 3 Hình 4.18 Ứng lực trong ống dòng chảy tách 74 Hình 4.19 Ống có dòng chảy va chạm tạo với nhau góc bất kỳ 74 Hình 4.20 Ống có dòng chảy tách ra với góc bất kỳ 75 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng: Error: Reference source not found Bảng 1.2. Thông số cụ thể của một lò PWR công suất 1160 MWe [1] Error: Reference source not found Bảng 3.1. Thông số của bài toán Error: Reference source not found 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ lò PWR hai vòng tuần hoàn [1] Error: Reference source not found Hình 1.2 Bố trí hệ thống cho lò PWR. [3] Error: Reference source not found Hình 1.3 Tâm lò phản ứng PWR Error: Reference source not found Hình 1.4. Đặc điểm của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nước nhẹ [3]Error: Reference source not found Hình 1.5 Bó nhiên liệu tiêu biểu cho lò phản ứng nước nhẹ.[3] Error: Reference source not found Hình 2.1 Áp suât cân bằng trong suốt quá trình [3] Error: Reference source not found Hình 2.2 Thể tích xác định và các dòng chảy [3] Error: Reference source not found Hình 2.3 Thí dụ về một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cacnô [3] Error: Reference source not found Hình 2.4 Chu trình Cácnô……………………………………………………………………… 25 Hình 2.5 Hai chu trình thuận nghịch chứng minh một thực tế đó là entropy là trạng thái của một chất.[3] Error: Reference source not found Hình 2.6 Sơ đồ thể tích xác định được phân tích theo nguyên lý nhiệt động thứ 2. [3] Error: Reference source not found Hình 2.7 USUF [3] Error: Reference source not found Hình 2.8 Quá trình thuận nghịch thay đổi tương tự hình 2.7 [3] Error: Reference source not found Hình 3.1 Các thành phần của hệ thống PWR cho ví dụ áp dụng nguyên lý 1 [3] Error: Reference source not found Hình 3.2 Phân bố nhiệt độ vùng trao đổi nhiệt lò PWR [3] Error: Reference source not found Hình 3.3 Thí dụ thủy nhiệt trong một lò PWR đơn giản. [3] Error: Reference source not found Hình 3.4 Đồ thị T – S cho chu trình trong lò PWR [3 Error: Reference source not found Hình 3.5 Từng thành phần trong nhà máy điện [3] Error: Reference source not found Hình 3.6 Hệ thống lò phản ứng PWR đơn giản. [3] Error: Reference source not found Hình 3.7 Bình điều áp Error: Reference source not found Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm. Error: Reference source not found Hình 4.2a Thùng chịu áp lực theo phương bán kính Error: Reference source not found Hình 4.2b Thùng chịu áplực theo phương đứng Error: Reference source not found Hình 4.3 Thùng lò thiết bị thí nghiệm Error: Reference source not found Hình 4.4 .Mô tả đường ống Error: Reference source not found Hình 4.5 Đoạn ống cong Error: Reference source not found Hình 4.6 Đồ thị biểu thị sự thay đổi của k 1 theo R o /d và k 2 theo góc Error: Reference source not found Hình 4.7 Ứng suất lớn nhất trong ống Error: Reference source not found Hình 4.8 Dòng chảy rẽ nhánh Error: Reference source not found Hình 4.9 K f là hàm của r/d. Error: Reference source not found Hình 4.10 Ống có đường kính tăng dần Error: Reference source not found 5 Hình 4.11 K f phụ thuộc vào beta Error: Reference source not found Hình 4.12 Ống đường kính thu hẹp dần Error: Reference source not found Hình 4.13 K f phụ thuộc vào beta Error: Reference source not found Hình 4.14 Ứng lực lên ống thay đổi hình học Error: Reference source not found Hình 4.15 Dòng chảy va chạm trong ống Error: Reference source not found Hình 4.16 Ứng lực trong ống dòng chảy va chạm Error: Reference source not found Hình 4.17 Dòng chảy tách trong ống. Error: Reference source not found Hình 4.18 Ứng lực trong ống dòng chảy tách. Error: Reference source not found Hình 4.19 Ống có dòng chảy va chạm tạo với nhau góc bất kỳ. Error: Reference source not found Hình 4.20 Ống có dòng chảy tách ra với góc bất kỳ. Error: Reference source not found MỞ ĐẦU Đến năm 2014 Việt Nam sẽ xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên tại Ninh Thuận để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển nền kinh tế. Vì vậy việc đào tạo nguồn nhân lực để sẵn sàng nắm bắt chuyển giao công nghệ về nhiều khía cạnh liên quan đến nhà máy điện hạt nhân là rất quan trọng và cần thiết. Đặc biệt là đội ngũ kỹ sư hạt nhân am hiểu về thiết kế và tính toán vật lý lò, tính toán nhiên liệu, tính toán an toàn, thủy nhiệt và động học lò phản ứng… Một trong những yếu tố cốt lõi trong thiết kế và tính toán lò là vấn đề về thủy nhiệt động học lò phản ứng. Thực tế nước ta hầu như rất hạn chế về mặt thực nghiệm, thậm chí về mặt lý thuyết chúng ta cũng có rất ít tài liệu về thủy nhiệt động học lò phản ứng hạt nhân. Chính vì vậy việc xây dựng những mô hình mô phỏng các quá trình và tính toán thủy nhiệt diễn ra trong lò phản ứng là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay. Việc làm đó sẽ từ đó nâng cao khả năng nghiên cứu và đào tạo. Trên cơ sở đó em được nhận đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kế phần sơ cấp của hệ thống thí nghiệm trao đổi nhiệt hai vòng tuần hoàn” với mục tiêu là thiết kế được một số thành phần chủ chốt trong phần sơ cấp của hệ thí nghiệm trao đổi nhiệt hai vòng tuần hoàn. 6 Luận văn của em gồm những nội dung chính sau đây : CHƯƠNG I: Giới thiệu tổng quan về lò phản ứng PWR CHƯƠNG II: Các nguyên lý nhiệt động và ứng dụng CHƯƠNG III: Phân tích thủy nhiệt lò PWR đơn giản và lựa chọn các thiết bị phần sơ cấp của hệ thống thí nghiệm CHƯƠNG IV: Tính toán thiết kế hệ thống sơ cấp. 7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THỦY NHIỆT LÒ PWR. 1.1Giới thiệu tổng quát Năng lượng của một lò phản ứng năng lượng bắt nguồn từ quá trình phân hạch trong nhiên liệu. Năng lượng tạo ra từ nhiên liệu được truyền cho các chất làm mát dẫn nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Các đặc tính của thủy nhiệt động mô tả chu trình năng lượng trong lò phản ứng liên quan đến quá trình thiết kế tâm lò và thiết kế thanh nhiên liệu trong lò phản ứng. 1.2Chu trình năng lượng Trong lò phản ứng nhiệt độ được truyền từ thanh nhiên liệu ra chất làm mát vòng sơ cấp rồi trao đổi nhiệt cho vòng thứ cấp, cuối cùng là tạo ra điện nhờ tuabin hơi nước. Tùy thuộc vào sự thiết kế của lò phản ứng, tuabin có thể được điều khiển trực tiếp từ vòng sơ cấp hoặc vòng làm mát thứ cấp nhận năng lượng nhiệt từ vòng sơ cấp. Lò phản ứng nước áp lực (PWR) và lò nước nặng (PHWR) có hệ thống hai vòng tuần hoàn. Vòng sơ cấp phải đảm bảo nước luôn ở một trạng thái đó là lỏng để đảm bảo truyền nhiệt với vòng thứ cấp đạt hiệu suất cao nhất và không xảy ra sự cố. Vòng thứ cấp được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các bộ trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi. Hơi nước làm quay tuôc bin máy phát để sản xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp. 8 Lò phản ứng PWR hai vòng tuần hoàn (Xem hình 1.1). Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ lò PWR hai vòng tuần hoàn [1] 9 Dưới đây thể hiện chi tiết thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng:(xem bảng 1.1) Bảng 1.1. Thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng: 10 1.3. Vòng sơ cấp. Xung quanh thùng lò phản ứng PWR có nhiều vòng tuần hoàn được bố trí, mỗi vòng tuần hoàn bao gồm hệ trao đổi nhiệt theo chiều dọc, và bơm. Dòng nước làm mát chảy qua bộ trao đổi nhiệt qua những ống hình chữ U trong hệ trao đổi nhiệt. Hệ thống bình điều áp được lắp đặt trong vòng sơ cấp luôn duy trì áp suất của tâm lò cũng như trong ống không thay đổi, để đảm bảo được độ ổn định của nhiệt độ trong lò. Hình 1.2 Bố trí hệ thống cho lò PWR. [3] [...]... II : CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Nguyên lý nhiệt động thứ nhất Định nghĩa nhiệt động học đây là mối quan hệ giữa năng lượng và entropy Một định nghĩa khác về nhiệt động học mà chúng ta đã quen thuộc là: "nhiệt động lực học là khoa học của nhiệt và công và những đặc tính của chất mang một mối quan hệ với nhiệt và công Thuỷ nhiệt động là mối quan hệ giữa năng lượng, mômen và lưu lượng Phương... HTGR, đều thiết kế hệ thống nước làm mát chảy dọc theo thanh nhiên liệu Nước lạnh hơn từ ngoài chảy vào tâm lò được chảy xuống phía dưới vùng hoạt và chảy dọc lên trên tiếp xúc với thanh nhiên liệu có nhiệt độ cao, rồi nước được đưa lên phía trên và chảy ra trong trạng thái nóng hơn để trao đổi nhiệt với nước vòng thứ cấp Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào ra của chất tải nhiệt và đáy... trình giãn đoạn nhiệt 2à3 nhiệt độ giảm từ T1 à T2 • Quá trình nén đẳng nhiệt T2 = hằng số, 3à4 nhả Q2 • Quá trình nén đoạn nhiệt 4à1 nhiệt độ tăng T2àT1 Trong chu trình thuận 12341 hệ nhận nhiệt Q 1 từ nguồn nóng, sinh công A’ và nhả nhiệt Q2 vào nguồn lạnh à động cơ nhiệt Trong chu trình nghịch 14321 hệ nhận công lấy nhiệt (làm lạnh) từ nguồn lạnh và nhả nhiệt vào nguồn nóng à máy làm lạnh Hai mệnh đề... nhiệt động thứ nhất cho 1 hệ thống ổn định Coi như nguyên lý nhiệt động 1 cho hệ thống trải qua sự biến đổi trạng thái (Độ biến đổi năng lượng + Công sinh ra = Nhiệt nhận từ môi trường) (2.1) Khi công thức (1) được tính từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 ta có : Q2 là nhiệt truyền tới hệ thống trong suốt thời gian biến đổi từ trạng thái 1 đến 1 trạng thái 2, E1 và E2 là giá trị ban đầu trạng thái 1 và. .. kỳ thuận nghịch và bất phương trình cho các chu kỳ không thuận nghịch Bất đẳng thức của Clausius là một hệ quả hoặc kết quả của nguyên lý thứ hai của nhiệt động học, và có giá trị cho tất cả các chu trình có thể có Bao gồm cả động cơ nhiệt thuận nghịch và không thuận nghịch và máy lạnh Entropy thể hiện tính chất của một hệ: Bằng việc sử dụng bất đẳng thức Claussius và hai chu trình nhiệt thuận nghịch... trạng thái và dòng đồng nhất như sau : (2.32) 2.3 Nguyên lý nhiệt động thứ 2 2.3.1 Hai phát biểu trong nguyên lý nhiệt động 2 : 1 Phát biểu của Kelvin-Planck: Một động cơ không thể sinh công, nếu nó chỉ trao đổi với một nguồn nhiệt duy nhất Kelvin-Planck phát biểu “không có động cơ nhiệt nào mà chỉ nhận nhiệt rồi phát ra công bằng với nhiệt nhận vào” tức là không có động cơ nhiệt nào phát nhiệt với... Các công và nhiệt đi qua bề mặt xác định cho quá trình lý tưởng sẽ khác so với Hình.2-7 (có liên quan đến không thuận nghịch) và những đại lượng được ký hiệu : (WC.V)rev và (QC.V)rev Để xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa thể tích xác định và môi trường xung quanh là thuận nghịch thì cần có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa thể tích xác định với môi trường xung quanh, như vậy cần thiết phải có sự truyền nhiệt. .. Với nhiệt độ tuyệt đối, "hiệu suất nhiệt của chu trình Cácnô" có thể được thể hiện trong điều kiện của nhiệt độ tuyệt đối: (2.34) • Tăng TH và giữ nguyên TL thì hiệu suất tăng lên • Giảm TL và TH giữ nguyên thì hiệu suất cũng tăng lên • Hiệu suất là 100% khi TL = 0 • Nếu chu trình đảo ngược lại thì là máy lạnh và bơm nhiệt Chu trình Cácnô, quy trình thuận nghịch truyền nhiệt và thuận nghịch đoạn nhiệt. .. lò phản ứng nước nhẹ (BWR và PWR) PHWR, ARG và LMFBR đều sử dụng thanh nhiên liệu Lò phản ứng nước nhẹ (LWRs) nước làm mát cũng có chức năng làm chậm nơtron, và sử dụng một loạt các thanh nhiên liệu được bao quanh bởi hệ thống nước làm mát Lò phản ứng nước nặng và lò phản ứng khí tiên tiến được thiết kế để tiếp nhiên liệu tự động và do nhiên liệu được xếp chồng lên nhau trong vòng tròn ống áp lực không... thái 2 của năng lượng E của hệ, 1W2 là công sinh ra của hệ trong suốt quá trình Khi hệ không chuyển động, không đặt trong trường lực à năng lượng của hệ đúng bằng nội năng của hệ (U) : Năng lượng = nội năng + thế năng + động năng Năng lượng được đặc trưng bởi khối lượng vĩ mô,vận tốc và thế năng Nội năng U là một dạng khác của năng lượng của hệ và được tính : (2.2) Nguyên lý nhiệt động 1 có thể viết lại . nghiên cứu và đào tạo. Trên cơ sở đó em được nhận đề tài tốt nghiệp Nghiên cứu, tính toán và thiết kế phần sơ cấp của hệ thống thí nghiệm trao đổi nhiệt hai vòng tuần hoàn với mục tiêu là thiết. nguyên lý nhiệt động và ứng dụng CHƯƠNG III: Phân tích thủy nhiệt lò PWR đơn giản và lựa chọn các thiết bị phần sơ cấp của hệ thống thí nghiệm CHƯƠNG IV: Tính toán thiết kế hệ thống sơ cấp. . trực tiếp từ vòng sơ cấp hoặc vòng làm mát thứ cấp nhận năng lượng nhiệt từ vòng sơ cấp. Lò phản ứng nước áp lực (PWR) và lò nước nặng (PHWR) có hệ thống hai vòng tuần hoàn. Vòng sơ cấp phải đảm