自然循环流量.docx

1、自然循环流量一、题目：计算下面回路的自然循环流量。已知：闭合回路，水平边长2m, 竖直边长6m, 回路管道为不锈钢管，钢管202。回路中充满单相水，系统压力为常压（绝对压强：1atm）。 加热段为101的不锈钢管，2m长，均匀加热。 冷却器总损失系数假设为3（水头损失中速度按回路管内流速计算）。冷却器总长2m。 设冷却器冷却功率恰好等于加热段加热功率，忽略回路对外界的散热损失。求：该回路自然循环时的流量。说明： 可以使用换热中心假设。 编程计算，程序语言不定，可以使用excel。 加热段入口温度由同学自己设定，可以从20-50中任意选一个。 加热功率 2kW, 5kW, 8kW, 10kW,

2、任意选择两个。 使用强制循环时相应公式，需要的公式和系数从有关书里查。解：1、基本说明1.符号：入口焓值：，入口密度：，出口焓值：，出口密度：，流量：，输入功率：，驱动压头：，阻力压降：，雷诺数：，动压头：，平均密度：管径：面积： 2.基本参数误差 密度值：参考分析化学用水密度表，标准值。 比焓值：参考水和水蒸气热力性质图表，插值数据最大误差0.2%。粘性系数：参考工程用推荐公式，其中；：热力学温度，K；为对应密度值，/m3。插值最大误差1.5%。2、阻力确定1.局部阻力确定弯头4个：冷段3个，热段1个，取=0.8突扩：，参考速度为上游流速 突缩：，参考速度为下游流速冷凝器：=3.02.沿程阻

3、力确定冷管段：管长8m，取入口密度，截面积，特征长度热管段：管长4m，取出口密度，截面积加热段：管长2m，取平均密度，截面积，特征长度3.沿程阻力系数计算： Re2320： 2320 Re 4000： 4000 Re 1105： 4.阻力压降3、驱动压头4、迭代方式 5、程序代码Public m(0 To 50), e(0 To 50), n(0 To 50) As Single 子块公用变量定义Private Sub Command2_Click()Text1.Text = Text2.Text = Picture1.ClsEnd SubPrivate Sub Command3_Click(

4、)EndEnd SubPrivate Sub Command1_Click()Picture1.Clsa1 = 2.01061929829747E-04 大管截面积 m2a2 = 5.02654824574367E-05 小管截面积 m2q = Val(Text1)tin = Val(Text2)hi = ttoh(tin)pi = ttom(tin)qm = q / (ttoh(100) - hi)l = qm / 10000pd = 2pz = 1i = 1re: If (pd pz) Then qm = qm + l ho = hi + q / qm tout = htot(ho) po

5、 = ttom(tout) p1 = 0.5 * qm 2 / a1 2 * (2.4 / pi + 0.8 / po) p2 = 0.5 * qm 2 / a2 2 * (9 / (16 * pi) + 1 / (2 * po) p3 = 0.5 * qm 2 / a1 2 * (1.5 / (pi + po) re = qm * 0.016 / (pi * a1 * ttou(tin) p4 = 0.5 * qm 2 * 500 * f(re) / (pi * a1 2) re = qm * 0.016 / (po * a1 * ttou(tout) p5 = 0.5 * qm 2 * 2

6、50 * f(re) / (po * a1 2) re = qm * 0.008 / (pi + po) * a2 * ttou(tin + tout) / 2) / 2) p6 = 0.5 * qm 2 * 250 * f(re) / (pi + po) * a2 2 / 2) pz = p1 + p2 + p3 + p4 + p5 + p6 pd = (pi - po) * 49.05 / 2 i = i + 1 GoTo re ElseIf (i = 2) Then Picture1.Print vbCrLf Picture1.Print 不能建立单相自然循环 End If If (Ab

7、s(pd - pz) * 100 / pd = 5 And i 2) Then Picture1.Print vbCrLf Picture1.Print 压力误差:; Spc(1); Format(pd - pz) * 100 / pd, 0.000); % Picture1.Print 循环次数:; Spc(1); Format(i, 0); 次 Picture1.Print 出口温度:; Spc(1); Format(tout, 0.00); Picture1.Print 出口焓值:; Spc(1); Format(ho, 0.00); kJ/kg Picture1.Print 出口密度:

8、; Spc(1); Format(po, 0.000); kg/m3 Picture1.Print 循环流量:; Spc(1); Format(qm * 1000, 0.00); g/s Picture1.Print 入口焓值:; Spc(1); Format(hi, 0.00); kJ/kg Picture1.Print 阻力压降:; Spc(1); Format(pz, 0.00); Pa Picture1.Print 驱动压力:; Spc(1); Format(pd, 0.00); Pa Picture1.Print 误差过大，请修正参数 Else Picture1.Print vbCr

9、Lf Picture1.Print 出口温度:; Spc(1); Format(tout, 0.00); Picture1.Print 出口焓值:; Spc(1); Format(ho, 0.00); kJ/kg Picture1.Print 出口密度:; Spc(1); Format(po, 0.000); kg/m3 Picture1.Print 循环流量:; Spc(1); Format(qm * 1000, 0.00); g/s Picture1.Print 入口焓值:; Spc(1); Format(hi, 0.00); kJ/kg Picture1.Print 阻力压降:; Spc

10、(1); Format(pz, 0.00); Pa Picture1.Print 驱动压力:; Spc(1); Format(pd, 0.00); Pa Picture1.Print 压力误差:; Spc(1); Format(pd - pz) * 1000 / pd, 0.00); Picture1.Print 循环次数:; Spc(1); Format(i, 0); 次 End If End SubPrivate Sub Form_Load()Dim tin, tout, pi, po, hi, ho, re, q, qm As Single 入口温度，出口温度，入口密度，出口密度，入口焓

11、值，出口焓值，雷诺数，功率，流量Dim p1, p2, p3, p4, p5, p6, pz, pd As Single 各项阻力Dim i, j, k, l, te As SingleDim a1, a2 As SingleOpen f:密度值.txt For Input As #1 密度数值表输入，2度一值，共51For j = 0 To 50Line Input #1, inputdatam(j) = Val(inputdata)Next jClose #1Open f:比焓值.txt For Input As #2 比焓值值表输入，2度一值，共51For j = 0 To 50Line

12、 Input #2, inputdatae(j) = Val(inputdata)Next jClose #2Open f:粘性系数.txt For Input As #3 粘性系数表输入，2度一值，共51For j = 0 To 50Line Input #3, inputdatan(j) = Val(inputdata)Next jClose #3End SubFunction htot(h)j = 0 由焓值求温度re: If (h = e(j) And h = e(j + 1) Then htot = 2 * j + 2 * (h - e(j) / (e(j + 1) - e(j) E

13、lse: j = j + 1 GoTo re End IfEnd FunctionFunction ttoh(t)k = Int(t / 2)If (t = 2 * k) Thenttoh = e(k)Elsettoh = e(k) + (t / 2 - k) * (e(k + 1) - e(k) / 2 由温度求焓值End IfEnd FunctionFunction mtot(p)j = 0re: If (p = m(j + 1) Then mtot = 2 * j + 2 * (p - m(j) / (m(j + 1) - m(j) Else: j = j + 1GoTo re End

14、IfEnd FunctionFunction ttom(t)k = Int(t / 2)If (t = 2 * k) Thenttom = m(k)Elsettom = m(k) + (t / 2 - k) * (m(k + 1) - m(k) / 2 由温度求密度End IfEnd FunctionFunction ttou(t)k = Int(t / 2)If (t = 2 * k) Thenttou = n(k)Elsettou = n(k) + (t / 2 - k) * (n(k + 1) - n(k) / 2 由温度求粘性系数End IfEnd FunctionFunction f

15、(re) 沿程阻力系数计算If (re 2320 And re 0.000001) Then te = te - (te - 2 * Log(re * te) / Log(10) + 0.8) / (1 + 1 / (te * 2.30258509299405) k = te - 2 * Log(re * te) / Log(10) + 0.8 GoTo re End If f = te (-2)ElseIf (re 5000 And re 100000#) Then f = 0.0032 + 0.221 / (re 0.237)End If End Function6、计算结果2025303

16、5404550217.9018.7519.6516.0616.7817.2217.85521.9922.7823.4523.9324.5625.0325.57827.1328.0728.79-1030.41-注：功率：kW；温度：入口温度，；流量：g/s；“-” ：单相循环不能建立；压力误差控制：5%。 二、题目：自然循环实验报告根据2012年9月12日参加的自然循环实验，撰写实验报告。实验报告内容和格式的设计自定。提示：实验原理、实验回路介绍、实验步骤、实验现象、结果分析字数：2000-3000字。通过做实验和撰写实验报告，认识自然循环概念、特点、建立过程、特殊现象和问题等，学习实验观察技术

17、，提出个人见解和想法。（一）实验原理：自然循环，是指在闭合回路内仅仅依靠冷热流体间的密度差形成的浮升力驱动流体循环流动的一种传输方式。自然循环由上升段、下降段、加热器和冷却器组成。上升段中为温度较高的流体，下降段为温度较低的流体，冷热流体之间由于密度差有所不同，上升段和下降段中的流体会在此密度差所形成的循环压头的驱动下流动。上升段的热流体进入到位于回路上部的冷却器中温度降低，随后流出进入到下降段中，下降段中冷流体进入到实验回路下部的加热器中温度再次升高，此处的流体密度较小，最后从加热器中流出的热流体进入到上升段中完成自然循环。自然循环的流动是由于重力作用下的热驱动力引起的，循环流量由加热器和冷

18、却器维持。自然循环的流量主要由回路中冷热端得温差、自然循环有效高度差以及回路中的阻力所决定，用公式可表示如下其中为重力加速度，为水力学阻力系数，为质量流量,为自然循环高度，为冷流体的密度，为热流体的密度，为冷热流体的平均密度。质量流量可以表示为。（二）实验回路介绍本实验中所用到的回路如错误！未找到引用源。1所示。回路主要要由预热器、实验段、管壳式冷凝器、循环泵、稳压器、以及测量仪表组成。其中预热器和实验段充当自然循环系统中的加热器，冷凝器为自然循环系统中的冷却器。预热器采用变频器调节加热功率，将实验段入口的水温调节到预定水平。实验段为直流电加热，电源采用低电压大电流的整流电源，实验段加热功率通

19、过测量实验段加热电极两端的电压以及通过实验段加热板的电流来确定。冷凝器为管壳式冷凝器，负责将实验段产生的汽水混合物冷凝为单向液体，并将水温降低到一定水平，由此维持自然循环的进行。图1 自然循环实验回路（三）实验步骤开始进行实验之前需要对实验台进行安全检查，查看是否有明显不利于实验安全进行的因素存在，如果存在类似的问题，应逐一排查并解决之后方可进行实验。实验准备阶段包括实验回路的初次冲水，实验回路的升压等。实验回路内水的注入通过回路下方的工质注入阀进行，打开回路上方的排气阀，待排气阀上方有水流出后则实验回路充满水，与此同时，需要注意稳压器的水位，使其保持在一个较为合适的水位。实验回路的升压通过向

20、稳压器内冲入压缩氮气实现，加压时应密切注意压力表的示值，保持压力低于实验回路所能承受的压力之下。实验准备完成之后，打开主循环泵，逐渐增加预热器功率，同时开启冷却回路。运行一段时间之后，待回路中各个工况参数都保持不变一段时间。打开实验段加热电源，使其保持在一个较低的功率水平，保持一段时间等待运行稳定。逐步通过变频器调节主循环泵的转速，转速降低到一定程度之后，回路中流体将会在自然循环压头的驱动下流动。逐步增加实验段的加热功率可以增加自然循环流量的大小，在整个调节的过程中应当密切关注热电偶的示值以及回路的压力，保持各个工况参数处于安全余量之内。（四）实验现象与结果分析图 2中为关闭实验段加热电源之后

21、回路流量随着时间降低的数据。从图中可以看出，开始时回路流量下降较快，一段时间之后流量降低较慢，最后趋于零。图中的突降是由于流量降低到一定程度之后测量系统不能识别的缘故。图 2 加热功率降低后流量随时间变化曲线图 3 加热功率降低后壁面温度随时间变化曲线图 4 加热功率降低后壁面温度随时间变化曲线 图 3中给出了壁面温度随着时间的变化曲线，开始一段时间内壁温下降较快，这是由于回路中的流量还比较大造成的，随着流量的进一步降低，回路的冷却能力将会减小，因此壁温到后期基本保持不变。回路入口压力随时间的变化如图 所示，入口压力的大小在一定程度上反映了回路自然循环压头的变化，从图中可以看出入口压力在一直降

22、低，也就是说回路的自然循环压头也在一直降低，降低到一定程度之后驱动压头将不能克服回路的阻力，从而自然循环会停止。三、结合所学的自然循环有关知识和应用，自拟一道有价值的题目，并作答。所拟题目的答案应该不少于500字。建立自然循环必须具备的条件是什么？影响一回路自然循环的因素有哪些？维持一回路的自然循环对压水堆的安全运行有什么作用？ 答：在一个闭合回路中，自然循环的建立离不开两个因素：一个是冷、热源的密度差；另一个是热源中心和冷源中心之间的高度差。缺少了其中任意一个因素自然循环流动就无法建立，同时这两个因素的大小也决定了自然循环驱动压头的大小。因此，自然循环流动建立需要的条件如下：（1）冷源与热源

23、之间存在较大的温度差；（2）热源的位置低于冷源；（3）冷热流体流动必须是连续的。在水冷反应堆一回路系统，在事故发生时往往依靠堆心与蒸汽发生器或者与余热排出换热器之间的高位差产生的自然循环流动。自然循环能力除了与高位差、密度密切相关外，还与冷、热源的密度差，以及回路系统的阻力大小等有关。在失流事故之后，反应堆会紧急停堆，以防止冷却剂温度上升，造成堆芯损坏。停堆后，堆芯的发热只是停堆后的衰变热，此时的中心问题就是平衡态的自然循环是否能有足够的流量带走衰变热而避免堆芯过热。显然，失流事故后建立稳定的自然循环的前提就是热交换器中心标高高于堆芯中心标高，位差越大自然循环流速越大。因此，为了保证失流事故后

24、期堆芯不过热，主回路系统中必须有足够大的热交换器和堆芯的位差，以及足够小的阻力系数。四、回答以下问题（任选5道）1、建立自然循环必须具备的条件是什么？影响一回路自然循环的因素有哪些？维持一回路的自然循环对压水堆的安全运行有什么作用？ 答：在一个闭合回路中，自然循环的建立离不开两个因素：一个是冷、热源的密度差；另一个是热源中心和冷源中心之间的高度差。缺少了其中任意一个因素自然循环流动就无法建立，同时这两个因素的大小也决定了自然循环驱动压头的大小。因此，自然循环流动建立需要的条件如下：（4）冷源与热源之间存在较大的温度差；（5）热源的位置低于冷源；（6）冷热流体流动必须是连续的。在水冷反应堆一回路

25、系统，在事故发生时往往依靠堆心与蒸汽发生器或者与余热排出换热器之间的高位差产生的自然循环流动。自然循环能力除了与高位差、密度密切相关外，还与冷、热源的密度差，以及回路系统的阻力大小等有关。当核电站发生厂用电丧失事故后，PCR主泵全停，失去强迫循环，这时维持自然循环对堆芯的衰变热导出具有重要意义，它可以堆芯为热源，以蒸汽发生器为冷源，进行余热导出，防止堆芯过热烧毁。2、自然循环在核动力装置上应用的优、缺点及提高自然循环能力的措施有哪些？答：优点：当自然循环建立时，它不需要任何机械设备区维持流动，因此自然循环原理的引入对于核动力装置的设计和安全运行是非常有利的。在主冷却剂系统内，反应堆压力容器相对

26、于蒸汽发生器处于较低的位置。当主冷却泵出现故障不可用时，在蒸汽发生器与堆芯之间会由于温度差及高度差形成自然循环流动，从而带出堆芯余热；而且自然循环流动方式简单，可以在保障反应堆安全的基础上，将繁杂的能动设备系统简化，降低建设和运行成本。缺点：循环压头较低、循环流动相对较小等。提高自然循环能力的措施有：增加冷热源之间的温度差；增加冷热源之间的高度差；3、什么原因会使反应堆一回路的自然循环中断？答：自然循环的建立是依靠驱动压头克服了回路内上升段和下降段的压降而产生的，如果驱动压头不足以克服上述压降，自然循环就要停止。可能原因：上升段和下降段的摩擦压降和局部压降太大。上升段和下降段之间流体的密度差不

27、够大。可能由于蒸汽发生器二次侧冷却能力过强。如果二次侧冷却能力过强（流量很大、温度低），很快地把一次侧的水温在在倒U形管上升段内降下来，与下降段的水温相差甚少时，驱动压头就降低很多，使自然循环能力减小，甚至中断。自然循环必须是在一个流体连续流动的回路（或容器）中进行，如果中间隔断了，就不能形成自然循环。例如堆芯中产生了汽体，并积存在压力壳的上腔室，使热段出水管口裸露出水面，形不成一个流通回路，自然循环就中断。还有如果在蒸汽发生器的倒U管顶部积存了较多的汽体，驱动压头又不能使倒U形管上升段中的水（或水汽混合物）冲过去赶走积存的汽体，自然循环也要停止下来。4、In the governing eq

28、uations in two-phase fluid natural circulation flows, what is the 6-equation model?答：没有限制条件；需要六个守恒方程：2个质量项平衡、2个动量项平衡、2个能量项平衡；需要七个本构方程：2个项壁面摩擦、2个项热流、1个界面质量方程、1个界面动量方程、1个界面能量方程需要的计算参数有： Vl Vv Tl TV5、For the design of a single-phase or two-phase Natural Circulation Integral System Test Facility, a Gene

29、ral Scaling Methodology could be used. Please describe the structure of a Phenomena Identification Ranking Table (PIRT). 答：Phenomena Identification Ranking Table (PIRT)是指现象认定等级表，评估标准：在某个方案的每一项中，特殊原件里的特殊现象如何影响燃料包壳温度的峰值峰。等级范围：分为High（H）、Medium (M)、Low (L)、Plausible (P)、Inactive or Not Applicable (I)，即重大影响、中等影响、小影响、似是而非的和不积极或不可适用的影响。