VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------- ******* -------

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAMVIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM------- ******* -------------- ******* -------

TÌM HIỂU ĐỘ SỤT ÁP TRONG MÔ HÌNH KÊNH TÌM HIỂU ĐỘ SỤT ÁP TRONG MÔ HÌNH KÊNH TẢI NHIỆT CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNTẢI NHIỆT CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Học viên: Lê Thị Thư

Cán bộ hướng dẫn: CN. Lê Đại Diễn

NỘI DUNG CHÍNHNỘI DUNG CHÍNH

Chương1: Tổng quan vấn đề tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân.Chương1: Tổng quan vấn đề tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân.

Chương 2: Các phương trình trong cơ học chất lỏng. Hệ thức sụt Chương 2: Các phương trình trong cơ học chất lỏng. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy của kênh tải nhiệt.áp trong dòng chảy của kênh tải nhiệt.

Chương 3: Tính toán minh họa độ sụt áp cho một số mô hình kênh Chương 3: Tính toán minh họa độ sụt áp cho một số mô hình kênh tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân.tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân.

Chương1: Tổng quan vấn đề tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân.Chương1: Tổng quan vấn đề tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân.

1.1. Nguồn nhiệt trong lò phản ứng hạt nhânNguồn nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân- Quá trình phân hạch là nguồn gốc của sự phát sinh nhiệt- Quá trình phân hạch là nguồn gốc của sự phát sinh nhiệt- Đại lượng đặc trưng cho phân bố nhiệt lượng:- Đại lượng đặc trưng cho phân bố nhiệt lượng: Nguồn nhiệt thể tích: q’’’ (w/m3)Nguồn nhiệt thể tích: q’’’ (w/m3) Thông lượng nhiệt: q’’ (w/m2)Thông lượng nhiệt: q’’ (w/m2) Mật độ tuyến tính: q’ (w/m)Mật độ tuyến tính: q’ (w/m)- Ảnh hưởng tới phân bố nhiệt (phân bố theo chiều cao, bán kính)- Ảnh hưởng tới phân bố nhiệt (phân bố theo chiều cao, bán kính) Hình dạng vùng hoạt (dạng hình trụ).Hình dạng vùng hoạt (dạng hình trụ). Cấu trúc bó nhiên liệu, khe chứa chất tải nhiệtCấu trúc bó nhiên liệu, khe chứa chất tải nhiệt Thanh điều khiển.Thanh điều khiển.=> Bản chất: Sự không đồng nhất trong vùng hoạt, sự không đồng => Bản chất: Sự không đồng nhất trong vùng hoạt, sự không đồng

đều trong quá trình cháy và nạp nhiên liệu.đều trong quá trình cháy và nạp nhiên liệu.

2. Hiện tượng sụt áp trong dòng chảy2. Hiện tượng sụt áp trong dòng chảy

Chất tải nhiệt một phaChất tải nhiệt một pha

Do ma sát (với thành ống)Do ma sát (với thành ống) Do các lưới giữ (grid spacer)Do các lưới giữ (grid spacer) Lối vào và lối ra vùng hoạtLối vào và lối ra vùng hoạt Độ cao của kênh tải nhiệtĐộ cao của kênh tải nhiệt Biến đổi kích thước ốngBiến đổi kích thước ống

Chất tải nhiệt hai pha (kênh sôi)Chất tải nhiệt hai pha (kênh sôi)

Các nguyên nhân giống chất tải Các nguyên nhân giống chất tải nhiệt một pha.nhiệt một pha.

Sự biến đổi pha hơi: Thành phần Sự biến đổi pha hơi: Thành phần sụt áp do gia tốc là đáng kể.sụt áp do gia tốc là đáng kể.

Chương 2: Các phương trình trong cơ học chất lỏngChương 2: Các phương trình trong cơ học chất lỏng Hệ thức sụt áp trong dòng chảy của kênh tải nhiệt Hệ thức sụt áp trong dòng chảy của kênh tải nhiệt

A.A. CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRONG CƠ HỌC CHẤT LỎNGCÁC PHƯƠNG TRÌNH TRONG CƠ HỌC CHẤT LỎNG

Dòng chất làm nguội lưu thông trong lò phản ứng hạt nhân có thể là Dòng chất làm nguội lưu thông trong lò phản ứng hạt nhân có thể là dòng một pha hoặc hai pha (tùy thuộc vào công nghệ lò).dòng một pha hoặc hai pha (tùy thuộc vào công nghệ lò).

Dòng hai pha tồn tại trong vùng hoạt lò BWR, vòng tải nhiệt thứ Dòng hai pha tồn tại trong vùng hoạt lò BWR, vòng tải nhiệt thứ cấp trong bình sinh hơi lò PWR…cấp trong bình sinh hơi lò PWR…

Đại lượng mô tả trạng thái dòng hai pha:Đại lượng mô tả trạng thái dòng hai pha: Hệ số rỗng (void fraction): tỷ lệ thể tích pha hơi và thể tích tổngHệ số rỗng (void fraction): tỷ lệ thể tích pha hơi và thể tích tổng Lượng (flow quality): tỷ lệ giữa tốc độ khối của hơi và tốc độ khối Lượng (flow quality): tỷ lệ giữa tốc độ khối của hơi và tốc độ khối

tổngtổng

Một pha lỏng

Dòng chảy bọt

Dòng chảy túi

Dòng chảy vành xuyến

Dòng sương mù

Dòng một pha hơi

Mối liên hệ toán học:Mối liên hệ toán học:

Toán tử trung bình thể tích:Toán tử trung bình thể tích:

Toán tử trung bình diện tích:Toán tử trung bình diện tích:

Toán tử gradient của đại lượng vô hướng:Toán tử gradient của đại lượng vô hướng:

Toán tử divergence của đại lượng có hướng:Toán tử divergence của đại lượng có hướng:

1

V

c cdVV

1

A

c cdAA

; ;u u u

gradu ux y z

w

z

u vdivV

x y

1. Các phương trình bảo toàn tổng quát1. Các phương trình bảo toàn tổng quát

1.1. Phương trình bảo toàn khối lượng1.1. Phương trình bảo toàn khối lượng Định luật bảo toàn khối lượng:Định luật bảo toàn khối lượng: Trong môi trường liên tục, khối Trong môi trường liên tục, khối

lượng của phần môi trường chiếm thể tích không gian V nào đó lượng của phần môi trường chiếm thể tích không gian V nào đó sẽ không đổi trong quá trình chuyển động.sẽ không đổi trong quá trình chuyển động.

1 2 3, , , 0V

dm dx x x t dV

dt dt

0div vt

(1)

(2)

Phương trình (2) gọi là PT bảo toàn khối lượng ( phương trình liên tục)

1. 2. Phương trình bảo toàn động lượng (1)1. 2. Phương trình bảo toàn động lượng (1)

Tenso ứng suất:Tenso ứng suất:

ĐL Hooke cho môi trường đẳng hướng:ĐL Hooke cho môi trường đẳng hướng:

Nếu chất lỏng lý tưởng: Nếu chất lỏng lý tưởng:

Nếu chất lỏng thực:Nếu chất lỏng thực:

1

2

3

12

23

13

2

2

2

2

2

2

xx

yy

zz

xy

yz

xz

p divv

p divv

p divv

ij, 0,ii p i j

p

1.2. Phương trình bảo toàn động lượng(2)1.2. Phương trình bảo toàn động lượng(2)

Nguyên lý D’alembertNguyên lý D’alembert: Tại mỗi thời điểm các lực hoạt động, : Tại mỗi thời điểm các lực hoạt động, phản lực liên kết tác dụng lên cơ hệ và các lực quán tính của các phản lực liên kết tác dụng lên cơ hệ và các lực quán tính của các chất điểm thuộc cơ hệ tạo thành hệ lực cân bằng.chất điểm thuộc cơ hệ tạo thành hệ lực cân bằng.

w 0n

V S

f dV p dS ��

. .v vv p ft

��

(3)

(4)

Phương trình (4) gọi là PT bảo toàn động lượng

1.3. Phương trình bảo toàn năng lượng1.3. Phương trình bảo toàn năng lượng

Định luật thứ I của nhiệt động lực họcĐịnh luật thứ I của nhiệt động lực học: Tốc độ biến thiên theo : Tốc độ biến thiên theo thời gian của động năng và năng lượng bên trong (nội năng) bằng thời gian của động năng và năng lượng bên trong (nội năng) bằng tổng công cơ học của lực ngoài trên một đơn vị thời gian và năng tổng công cơ học của lực ngoài trên một đơn vị thời gian và năng lượng nhiệt thêm vào hệ trên một đơn vị thời gian.lượng nhiệt thêm vào hệ trên một đơn vị thời gian.

dE

dt dt dt dt

dU dA dQ

V

dU dudV

dt dt

'' '''.S V

dQq ndS q dV

dt

2

2V

dE d vdV

dt dt . . .

S V

dApI v ndS f vdV

dt

�� , , ,

(5)

''0 '''. . .d

u pI v f v q qdt

��

(6)

20

2

vu u Nội năng tích lũy (stagnation internal energy)

Phương trình (6) gọi là PT bảo toàn năng lượng.

2. Phương trình vận chuyển(1)2. Phương trình vận chuyển(1)

Quy tắc Leibnitz: Quy tắc Leibnitz: vi phân của tích phân hàm f được cho bởi công thứcvi phân của tích phân hàm f được cho bởi công thức

,, , ,

b b

a a

f xd db daf x dx dx f b f a

d d d

(7)

Phát triển quy tắc trong tích phân 3 chiều của hàm f trên thể tích V được bao quanh bởi biên S:

,

, , . .sV V S

f r tdf r t dt f r t v ndS

dt t

�� (8)

Vs là vận tốc tức thời của mặt S.

Với C là một thuộc tính nào đó, tốc độ thay đổi C theo tốc độ thay đổi thuộc tính cục bộ và sự thoát ra từ bề mặt:

.mmS

DCc dV c v ndS

Dt tV

(9)

Mở rộng cho tốc độ thay đổi lượng C gây bởi ảnh hưởng bên ngoài, bề mặt:

.m mV S

DCdV J ndS

Dt

�� (10)

(Φ là tốc độ thêm vào của c /đơn vị khối lượng; J.n là tốc độ mất của C trên Sn)

2. Phương trình vận chuyển(2)2. Phương trình vận chuyển(2)

Từ (8), (9) và (10) trong thể tích V bất kỳ:Từ (8), (9) và (10) trong thể tích V bất kỳ:

PT khối lượng: c = 1, J = 0, PT khối lượng: c = 1, J = 0, ΦΦ = 0 = 0

PT mômen: PT mômen:

PT năng lượng: PT năng lượng:

. .S

V S V S

dc dV c v v ndS dV J ndS

dt

�� (11)

. 0s

V S

ddV v v ndS

dt

, ,c v J pI g ��

2

"

'''

2

.

.

vc u

J q pI v

qg v

��

��,

. .S

V S V S

dv dV v v v ndS gdV pI ndS

dt

��

2 2

'' '''

.2 2

. . .

s

V S

S V

d v vu dV u v v ndS

dt

q pI v ndS q g v dV

��

(12)

(13)

(14)

3. Phương trình bảo toàn trong dòng chảy hai pha một chiều3. Phương trình bảo toàn trong dòng chảy hai pha một chiều

Từ các PT (2), (4) và (6) xây dựng tương ứng Từ các PT (2), (4) và (6) xây dựng tương ứng được các PT bảo toàn trong dòng hai pha một được các PT bảo toàn trong dòng hai pha một chiều:chiều:

PT bảo toàn khối lượng:PT bảo toàn khối lượng:

PT bảo toàn động lượng:PT bảo toàn động lượng:

PT bảo toàn năng lượng:PT bảo toàn năng lượng:

0m z m zA G At z

2

w zos .Az

zmm z z z m

m P

pAGG A A dP gc

t z z

' '''

z

m m z m m z z z

A

ph A G h A A q q dA

t z t

(15)

(16)

(17)

4. PT vận chuyển dòng hai pha một chiều4. PT vận chuyển dòng hai pha một chiều

ứng dụng PT (12), (13) và (14) cho dòng hai pha một chiều, biên cố định:ứng dụng PT (12), (13) và (14) cho dòng hai pha một chiều, biên cố định: PT khối lượng:PT khối lượng:

PT động lượng:PT động lượng:

PT năng lượng:PT năng lượng:

k k z k kz k z k zkA v A A

t z

.

ks

k

m

V

. . 0k kj ks

k s k sk k k

V A A

ddV v v ndS v v ndS

dt

,

(18)

(19)

. .

.

kj ksk k k k k sk k k kk kj ksj

kj kj ksk k kkj kj j

dv V v v A v v v A

dt

F p A F gV

��

��

'''2wk

'''sk

. .

.

ks z zk kz k z k kz k z k z z

zk k z z k k zz

v A v A v n A F n At z

p A F n A gAz

��

��

(20)

(21)

0 0

'' '''

.

. . .

k k

k k k

k sk k k k

V S

k kk k k k

S V V

du dV u v v ndS

dt

q p I v ndS g v dV q dV

��

''' '' '''w w wz

mm m z m m z m z z

m

G ph p A G h A q A q P F A

t z z

(22)

(23)

B. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy của kênh tải nhiệt (1)B. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy của kênh tải nhiệt (1)

Từ PT bảo toàn động lượng (16), biến đổi với điều kiện dòng chảy ổn định và Từ PT bảo toàn động lượng (16), biến đổi với điều kiện dòng chảy ổn định và diện tích kênh không đổi:diện tích kênh không đổi:

2

w

1os

z

mz m

m z P

Gdp ddP gc

dz dz A

(24)

Hay, acc fric gravity

dp dp dp dp

dz dz dz dz

(25)

Thành phần sụt áp: oracc fric gravity f mp p p p p (26)

out

in

z

in out z

dpp p p dz

dz

2 2m m

accm mout in

G Gp

wout

in

z

zfric

zz

Pp dz

A

osout

in

z

gravity m

z

p gc dz (27)

(28)

(29)

(30)

B. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy kênh tải nhiệt (2)B. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy kênh tải nhiệt (2)

1.1. Dòng chảy một phaDòng chảy một phaGiả thiết độ sụt áp do ma sát có dạng:Giả thiết độ sụt áp do ma sát có dạng:

Bỏ qua thành phần sụt áp do hình dạng, ta được:Bỏ qua thành phần sụt áp do hình dạng, ta được:

2

2m

fric e m

Gdpf

dz D

2

2m

fric out ine l

fGp z z

D

gravity l out inp g z z

(31)

(32)

(33)

2. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy hỗn hợp hai pha (1)2. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy hỗn hợp hai pha (1)

Giả thiết mật độ nhiệt tuyến tính phân bố trong kênh có dạng hàm điều hòa:Giả thiết mật độ nhiệt tuyến tính phân bố trong kênh có dạng hàm điều hòa:

Dọc trục kênh, ta xác định tọa độ điểm sôi:Dọc trục kênh, ta xác định tọa độ điểm sôi:

' '0

e

zos

Lq z q c

1sin 1 2 f inB

out in

h hLZ

h h

Độ dài từ đầu vào tới vị trí ZB gọi là độ cao không sôi (non-boiling height)

Độ dài từ ZB tới đầu ra của kênh gọi là độ cao sôi (boiling height)

(34)

(35)

2. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy hỗn hợp hai pha (2)2. Hệ thức sụt áp trong dòng chảy hỗn hợp hai pha (2)

Thành phần sụt ápThành phần sụt áp Hệ thức tính toánHệ thức tính toán

2

ise

12

os os

lo m lfric ave out B

e l g

outBr

f Gp L x Z Z

D

ZZLx c c

L L

ise''

1/ 2' '' ''2 '2'

ise1/ 2'' ''2 '2 1/ 2' '' ''2 '2

x

tan1 2

lntan

2

out

B

rgravity l l g out B

Z

rave

Z

xp gL g Z Z

zx x x x

x x L Lx

zx x x x x x xL

ise''

' '''

1ise1/ 2 1/ 2'' '2 ''2 '2 ''2

x

tan1 2

tan

out

B

rgravity l l g out B

Z

rave

Z

xp gL g Z Z

zx x

x x L Lx

x x x x x

Nếu |x’’|>|x’|

Nếu |x’’|<|x’|

2 221 1

1acc mf g l

out

x xp G

Trọng lực

Gia tốc

Ma sát

Chương 3Chương 3

Tính toán minh họa độ sụt áp cho một số mô Tính toán minh họa độ sụt áp cho một số mô hình kênh tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhânhình kênh tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân

1. Kênh tải nhiệt của lò phản ứng kiểu nước áp lực (PWR) (1)1. Kênh tải nhiệt của lò phản ứng kiểu nước áp lực (PWR) (1)

Kết quả độ sụt áp khi tốc độ khối đầu vào biến đổi:Kết quả độ sụt áp khi tốc độ khối đầu vào biến đổi: Thành phần sụt áp do gia tốc không đổi: Thành phần sụt áp do gia tốc không đổi: ΔΔp(gravity) = 27,605 kPap(gravity) = 27,605 kPa Thành phần sụt áp do ma sát biến đổi:Thành phần sụt áp do ma sát biến đổi:

Tốc độ khối(kg/s)

0,34/40,34/4 0,34/20,34/2 0,340,34 0,340,34×3/2×3/2 22×0,34×0,34 33×0,34×0,34 44×0,34×0,34

ΔΔp(fric)p(fric)(kPa)

4,0 13,95 48,58 100,79 169,17 350,98 589,07

1. Kênh tải nhiệt của lò phản ứng kiểu nước áp lực (PWR) (2) 1. Kênh tải nhiệt của lò phản ứng kiểu nước áp lực (PWR) (2)

2. Kênh tải nhiệt của lò phản ứng kiểu nước sôi (BWR) (1)2. Kênh tải nhiệt của lò phản ứng kiểu nước sôi (BWR) (1)

Khi tốc độ khối thay đổi, kết quả tính toán thu được như sau:Khi tốc độ khối thay đổi, kết quả tính toán thu được như sau:

Tốc độ khối (kg/s)

0,29/40,29/4 0,29/20,29/2 0,290,29 0,290,29×3/2×3/2 0,290,29×2×2 0,290,29×3×3 0,290,29×4×4

Δp-acc(kPa)

4,40 8,36 14,98 19,84 22,95 23,93 17,89

Δp-fric(kPa)

6,03 11,18 22,05 34,45 48,76 83,89 128,94

Δp-gravity(kPa)

8,80 12,21 16,62 19,61 21,83 24,84 26,64

Δp(kPa) 19,23 31,75 53,65 73,90 93,54 132,66 173,47


0

40

80

120

160

200

0.25 1.01 2.01 4.02

G/Gnom

độ

sụ

t áp

(K

Pa)

acc

fric

gravity

total

Sự ảnh hưởng của thông lượng khối tới các thành phần sụt áp trong kênh nhiệt lò BWR.


Ảnh hưởng của thông lượng khối lên chất lượng dòng chảy với điều kiện enthalpy đầu vào và thông lượng nhiệt cố định.


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

100000 300000 600000 1000000

hang so Re

do

su

t ap

acc

fric

total

Mối liên hệ giữa các thành phần sụt áp và số Renol

KẾT LUẬNKẾT LUẬN Giới thiệu tổng quan về vấn đề tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân. việc Giới thiệu tổng quan về vấn đề tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân. việc

nghiên cứu và phân tích các hiện tượng thủy nhiệt là vô cùng quan trọng.nghiên cứu và phân tích các hiện tượng thủy nhiệt là vô cùng quan trọng.

Thấy được tầm quan trọng về vấn đề sụt áp trong quá trình tải nhiệt. Đảm Thấy được tầm quan trọng về vấn đề sụt áp trong quá trình tải nhiệt. Đảm bảo hiệu suất tải nhiệt là cao nhất bảo hiệu suất tải nhiệt là cao nhất

Xây dựng các phương trình bảo toàn, vận chuyển khối lượng, động lượng, Xây dựng các phương trình bảo toàn, vận chuyển khối lượng, động lượng, năng lượng, làm cơ sở cho việc tính toán các hiện tượng thủy nhiệt. Xây năng lượng, làm cơ sở cho việc tính toán các hiện tượng thủy nhiệt. Xây dựng biểu thức tính toán độ sụt áp áp dụng trong kênh tải nhiệt.dựng biểu thức tính toán độ sụt áp áp dụng trong kênh tải nhiệt.

Tính toán minh họa độ sụt áp trong kênh nhiệt của hai kiểu lò phản ứng PWR Tính toán minh họa độ sụt áp trong kênh nhiệt của hai kiểu lò phản ứng PWR và BWR. Đồ thị minh họa.và BWR. Đồ thị minh họa.

Nhận xét kết quả tính toán thu được thông qua số liệu thu được. Sự đóng góp Nhận xét kết quả tính toán thu được thông qua số liệu thu được. Sự đóng góp độ sụt áp do ma sát là lớn nhất. So sánh sự khác nhau về độ sụt áp trong hai độ sụt áp do ma sát là lớn nhất. So sánh sự khác nhau về độ sụt áp trong hai kiểu lò khi dòng chất lưu cùng tốc độ khối đầu vào để thấy được sự ảnh kiểu lò khi dòng chất lưu cùng tốc độ khối đầu vào để thấy được sự ảnh hưởng của dòng hai pha tới độ sụt áp trong kênh tải nhiệt. hưởng của dòng hai pha tới độ sụt áp trong kênh tải nhiệt.

Documents

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------- ******* -------