HS – Пароводяной компенсатор давления

Порты, Свойства, Параметры, Математическая модель, Сопутствующие материалы
палитра схема

Описание

Блок теплогидравлики описывает нестационарные теплогидравлические процессы в замкнутом сосуде с наличием парового объёма над уровнем жидкости и предназначен для моделирования различных теплообменных устройств в атомных и тепловых энергетических установках, например, парогенераторов, конденсаторов, смешивающих и поверхностных подогревателей, и т.д.

В расчётной модели предусмотрено:
  • местоположение подводящих и отводящих патрубков произвольно по высоте сосуда;
  • площадь поперечного сечения сосуда может быть переменной по высоте;
  • в объёме сосуда могут находиться нагреватели и другие теплопроводящие конструкции, например, трубные пучки;
  • в паровом объёме сосуда может находиться спринклерное устройство или другое устройство впрыска жидкости.
При описании нестационарного теплопереноса в паро-водяном сосуде используются следующие допущения:
  • давление во всех точках сосуда считается постоянным, но при расчёте давления в точках подключения патрубков учитывается вес столба жидкости;
  • расчёт парового и водяного объёмов осуществляется в сосредоточенных параметрах;
  • пар в паровом объёме может быть перегретым и насыщенным, охлаждение насыщенного пара приводит к практически мгновенной его конденсации в паровом объёме; в водяном объёме пар может быть только насыщенным;
  • вода в водяном объёме может быть недогретой и на линии насыщения, перегрев воды на линии насыщения приводит к практически мгновенной генерации пара в водяном объёме; учитывается конденсация пара, поступающего в объём недогретой жидкости;
  • отсутствует захват пара жидкостью, поступающей в выходящие патрубки, рас-положенные под уровнем жидкости; в выходные патрубки, расположенные над уровнем жидкости, поступает чистый пар;
  • впрыскиваемая из спринклерного устройства вода практически мгновенно нагревается до температуры насыщения;
  • учитывается конденсация пара на зеркале воды, на стенке корпуса сосуда и на теплообменных устройствах в паровом объёме.
Расчётная схема паро-водяного сосуда показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Расчётная схема паро-водяного сосуда под давлением

где: Gfi, GVi - расход жидкости (fluid) и пара (vapour) в i-ом подключенном патрубке; Gspr - расход жидкости через сприклерное устройство; G12 - выход пара из объёма жидкости в паровой объём; Ggen, Gcon - скорость образования и конденсации пара в водяном объёме; Гmir, Гw, Гvol, Гd - интенсивность конденсации пара на зеркале жидкости, на стенке, в объёме пара и на струях впрыска соответственно; QHf, QHv - тепловой поток от нагревателей, передаваемый к объёму жидкости и пара соответственно; Qwf, Qwv - тепловые потоки в стенку сосуда со стороны водяного и парового объёмов соответственно; h - физический уровень теплоносителя в сосуде; hpi - расстояние от дна сосуда до оси i-го подключенного патрубка.

Порты наверх ↑

  1. Для корректной работы блока к нему необходимо подключить хотя бы один блок «HS – Узел компенсатора». В этом узле в качестве теплоносителя должна быть выбрана вода.
  2. К блоку возможно подключение наружной и внутренней тепловой структуры. Для этого необходимо задать свойства isHeatIn и/или isHeatOut как «Да». После этого у блока появятся необходимые тепловые порты.
  3. В случае задания ненулевого свойства Nheatport_tube_bundle у блока появляются дополнительные тепловые порты, служащие для подключения трубных пучков. В настоящее время ограничений на типа подключаемых блоков не установлено. К этим портам могут быть подключены любые блоки, моделирующие тепловые структуры.
  4. К блоку возможно подключение блоков HS – ТЭН. Они просто устанавливаются на пароводяной компенсатор давления, и он становится для них блоком-владельцем.

Свойства наверх ↑

  • isHeatIn - тепловая связь со стенкой изнутри (Да/Нет. По умолчанию - «Нет»). Индикатор наличия тепловой связи объёма бака с тепловой структурой, расположенной внутри бака.
  • isHeatOut - тепловая связь со стенкой снаружи (Да/Нет. По умолчанию - «Нет»). Индикатор наличия тепловой связи объёма бака с тепловой структурой, расположенной снаружи бака, которая позволяет моделировать теплообмен воды и пара в баке со стенкой бака.
  • Nheatport_tube_bundle - количество тепловых портов (для связи с трубными пучками) (целое число ≥0 По умолчанию - 0). Индикатор наличия тепловых связей объёма бака с трубными пучками, расположенными в баке. При помощи трубных пучков можно моделировать нагрев и охлаждение жидкости и пара в баке, конденсацию в паровом объёме и т.д.
  • V - объем бака, м3 (действительное число > 0 По умолчанию - 3.927 м3 (цилиндрический бак внут-ренним диаметром 1 м вы-сотой 5 м)). Общий объём внутреннего пространства бака, содержащий воду и пар.
  • Z - высотная отметка днища, м (произвольное действительное число, по умолчанию - 0 м). Высотная отметка днища бака, определяющая его высотное расположение в рамках моделируемой теплогидравлической схемы.
  • Geom - тип геометрии (Вертикальный цилиндр/Горизонтальный цилиндр/Произвольный, по умолчанию – вертикальный цилиндр). Вид геометрии моделируемого бака. Позволяет моделировать баки в виде вертикального цилиндра, горизонтального цилиндра, а также с изменяющимся по высоте диаметром, который задаётся в виде кусочно-постоянной функции.
  • L_V - зависимость уровня от объёма жидкости L=L(V) (Матрица действительных чисел По умолчанию – [[0,10];[0,10]]). Для прозвольного типа геометрии в виде матрицы задаётся зависимость высотной отметки уровня жидкости в баке (относительно днища бака), м от объёма жидкости, м3. Матрица имеет вид [[V0,V1,V2,…];[L0,L1,L2,…]], то есть в первой строке задаются объёмы жидкости, а во второй – соответствующие значения высотной отметки уровня. При расчёте положение уровня в промежуточных точках определяется при помощи линейной интерполяции по заданной матрице.
  • Din - внутренний диаметр, м (действительное число > 0. По умолчанию - 1 м). Для цилиндрической геометрии бака задаётся внутренний диаметр бака.
  • P0 - начальное давление, Па (действительное число > 0 По умолчанию – 105 Па). Давление среды в баке в начальный момент времени.
  • Tf_0 - начальный недогрев жидкости до Ts, °С (действительное число. По умолчанию – 0 °С ). Недогрев жидкости до линии насыщения в начальный момент времени.
  • Tv_0 - начальный перегрев пара относительно Ts, °С (действительное число. По умолчанию – 0 °С). Перегрев пара выше линии насыщения в начальный момент времени.
  • V1_0 - начальная объемная доля 1-й области (действительное число > 0 и < 1. По умолчанию – 0,5 ). Свойство определяет, какая доля общего объёма бака заполнена жидкостью в начальный момент времени.
  • Fi_0 - начальное объемное паросодержание в 1-й области (действительное число ≥0 и ≤1 По умолчанию – 0 (то есть в первом объёме находится вода на линии насыщения, не содержащая пара)). Свойство определяет, какая доля объёма первой области заполнена паром в начальный момент времени (в модели в первом объёме предполагается возможность существование смеси жидкости и пара).
  • Nh - кол-во элементов разбиения по высоте (Целое число ≥1 По умолчанию - 1). Количество элементов разбиения бака по высоте. Используется при моделировании связи бака с внутренней или наружной стенками (свойства isHeatIn, isHeatOut).
  • deltaH - длины элементов разбиения, м (массив действительных числе, каждое из которых > 0. Размерность массива должна быть равна значе-нию свойства Nh. По умолчанию – [5.0]). Длины элементов разбиения бака по высоте. Используются при моделировании связи бака с внутренней или наружной стенками. При расчёте отслеживается положение уровня жидкости в баке относительно этих элементов разбиения, и соотвественно определяется, какая часть стенки омывается жидкостью, а какая – паром.
  • Z_bot_tube_bundle - нижняя отметка трубного пучка (относительно днища бака), м (массив действительных чисел, каждое из которых ≥0. Размерность массива должна быть равно значению свойства Nheatport_tube_bundle. По умолчанию – [] (пустой массив)). Массив нижних высотных отметок связанных с баком трубных пучков относительно днища бака. При моделировании считается, что с баком могут быть связаны цилиндрические горизонтальные трубные пучка, для которых требуется задание высотных отметок их расположения в баке. При расчёте отслеживание положение уровня жидкости в баке относительно трубных пучков и определяется, в жидкости, в паре, или частично в жидкости, а частично в паре находится каждый трубный пучок.
  • Z_top_tube_bundle - верхняя отметка трубного пучка (относительно днища бака), м (Массив действительных чисел, каждое из которых ≥0, и, кроме того, ≥ соответствующей нижней высотной отметки трубного пучка. Размерность массива должна быть равно значению свойства Nheatport_tube_bundle. По умолчанию – [] (пустой массив)). Массив верхних высотных отметок связанных с баком трубных пучков относительно днища бака.
  • de_tube_bundle - определяющий размер трубного пучка (для теплообмена), м (массив действительных чисел, каждое из которых > 0. Размерность массива должна быть равно значению свойства Nheatport_tube_bundle. По умолчанию – [] (пустой массив)). Массив определяющих размеров для расчёта теплообмена с трубными пучками (смотри описание замыкающих соотношений).
  • alfa_mir - коэф. теплоотдачи на зеркале, Вт/(м2∙К) (Действительное число ≥0. По умолчанию – 70000 Вт/(м2∙К)). Коэффициент теплоотдачи, определяющий тепловой поток при конденсации пара из парового объёма на границе раздела жидкости и пара в баке.
  • k_alfa_tube_bundle - попр. множители для коэф. теплоотдачи от трубных пучков (массив действительных чисел, каждое из которых ≥0. Размерность массива должна быть равно значению свойства Nheatport_tube_bundle. По умолчанию – [] (пустой массив)). Массив поправочных множителей, на которые умножаются вычисленные по соответствующим замыкающим соотношениям (смотри описание замыкающих соотношений) коэффициенты теплоотдачи для каждого трубного пучка. При помощи подбора этих коэффициентов можно попробовать добиться соответствия расчётных значений коэффициентов теплоотдачи требуемым значениям, которые известны, например, из эксперимента, или из других источников.

Параметры наверх ↑

  • _p - Давление, Па. Действительное число. Текущее расчётное значение давления в баке.
  • _l - Весовой уровень, м. Действительное число. Текущее расчётное значение весового уровня в баке. Весовой уровень определяется в модели по следующему уравнению:
    где: L – физический уровень первого объёма; ρf1 – плотность жидкости в первом объёме; ρv1 – плотность пара в первом объёме; φ – объёмное паросодержание в первом объёме. Этот уровень соответствует уровню жидкости, имеющей ту же массу, что и пароводяная смесь в первом объёме.
  • _level - Физический уровень, м. Действительное число. Физический уровень границы раздела первого и второго объёмов бака, определяемый по объёму пароводяной смеси в первом объёме.
  • _fi - Объемное паросодержание. Действительное число. Текущее расчётное значение объёмного паросодержания в первом объёме. Определяется по уравнению:
    где: Mv1 – масса пара в первом объёме (в объёме пароводяной смеси). Показывает, какую долю от первого объёма занимает пар.
  • _vol1 - Объем 1-й области, м3. Действительное число. Текущее расчётное значения объёма пароводяной смеси в баке.
  • _vol2 - Объем 2-й области, м3. Действительное число. Текущее расчётное значение объёма пара в баке.
  • _h_f1 - Энтальпия жидкости в 1-й области, Дж/кг. Действительное число. Текущее расчётное значение удельной энтальпии воды в первом объёме.
  • _t_f1 - Температура жидкости в 1-й области, °С. Действительное число. Текущее расчётное значение температуры воды в первом объёме.
  • _r_f1 - Плотность жидкости в 1-й области, кг/м3. Действительное число. Текущее расчётное значение плотности воды в первом объёме.
  • _m_f1 - Масса жидкости в 1-й области, кг. Действительное число. Текущее расчётное значение массы воды в первом объёме.
  • _Xf - Массовое паросодержание в водяном объёме. Действительное число. Относительная энтальпия, определённая по давлению в баке и удельной энтальпии воды в водяном объёме.
  • _h_v1 - Энтальпия пара в 1-й области, Дж/кг. Действительное число. Текущее расчётное значение удельной энтальпии пара в первом объёме.
  • _t_v1 - Температура пара в 1-й области, °С. Действительное число. Текущее расчётное значение температуры пара в первом объёме.
  • _r_v1 - Плотность пара в 1-й области, кг/м3. Действительное число. Текущее расчётное значение плотности пара в первом объёме.
  • _m_v1 - Масса пара в 1-й области, кг. Действительное число. Текущее расчётное значение массы пара в первом объёме.
  • _h_v2 - Энтальпия пара во 2-й области, Дж/кг. Действительное число. Текущее расчётное значение удельной энтальпии пара во втором объёме.
  • _t_v2 - Температура пара во 2-й области, °С. Действительное число. Текущее расчётное значение температуры пара во втором объёме.
  • _r_v2 - Плотность пара во 2-й области, кг/м3. Действительное число. Текущее расчётное значение плотности пара во втором объёме.
  • _m_v2 - Масса пара во 2-й области, кг. Действительное число. Текущее расчётное значение массы пара во втором объёме.
  • _Xv - Массовое паросодержание в паровом объёме. Действительное число. Относительная энтальпия, определённая по давлению в баке и удельной энтальпии пара в паровом объёме.
  • _sGf1 - Сумма расходов жидкости через патрубки в/из 1-й области, кг/с. Действительное число. Сумма входящих и выходящих расходов жидкости в первый объём бака. Суммирование выполняется по всем подлкюченным к баку узлам, для которых выбран тип узла – «Обычный» (см. описание блока HS – Узел компенсатора). По параметрам в узле определяется, какую долю от поступающего расхода составляет вода, а какую - пар. Расход воды из всех узлов (назависимо от их высотного расположения) направляется в первый объём бака. В случае, если расход отрицательный, то есть уходит из бака, то учитывается высотное расположение узла относительно уровня пароводяной смеси в баке. Если узел оказывается под уровнем, то расход из первого объёма отводится в этот узел.
  • _sGv1 - Сумма расходов пара через патрубки в/из 1-й области, кг/с. Действительное число. Сумма входящих расходов пара в первый объём бака. Суммирование выполняется по всем подлкюченным к баку узлам, которые расположены под уровнем жидкости. По параметрам в узле определяется, какую долю от поступающего расхода составляет вода, а какую - пар. В случае положительного направления расхода расход пара направляется в первый объём.
  • _sGv2 - Сумма расходов пара через патрубки в/из 2-й области, кг/с. Действительное число. Сумма входящих и выходящих расходов пара во второй объём бака. Суммирование выполняется по всем подлкюченным к баку узлам, которые расположены над уровнем жидкости. По параметрам в узле определяется, какую долю от поступающего расхода составляет вода, а какую - пар. Расход пара направляется во второй объём бака. В случае, если расход отрицательный, то есть уходит из бака, то расход из второго объёма отводится в этот узел.
  • _Gf1 - Расход жидкости, поступающей через патрубки в 1-ю область, кг/с. Действительное число. Сумма входящих и выходящих расходов воды в первый объём бака. Суммирование выполняется по всем подлкюченным к баку узлам независимо от их высотного расположения.
  • _Gv1 - Расход пара, поступающего через патрубки в 1-ю область, кг/с. Действительное число. Сумма входящих и выходящих расходов пара в первый объём бака. Суммирование выполняется по всем подлкюченным к баку узлам, которые расположение под уровнем жидкости.
  • _Gv2 - Расход пара, поступающего через патрубки во 2-ю область, кг/с. Действительное число. Сумма входящих и выходящих расходов пара во второй объём бака. Суммирование выполняется по всем подлкюченным к баку узлам, которые расположение над уровнем жидкости.
  • _Gspr - Расход жидкости, поступающей через спринклеры, кг/c. Действительное число. Расход воды, поступающей через спринклеры. Суммирование выполняется по узлам, расположенным выше уровня жидкости, для которых выбран тип узла – «Спринклер». При этом если впрыски-ваемая воды недогрета до линии насыщения, то прибавляется по-ступающий расход, а если впрыскиваемая вода перегрета выше линии насыщения, то часть расхода, равная G∙X (где X – массовое паросодержание подводимой пароводяной смеси), переходит в па-ровой объём, и, соответственно, поступающий в водяной объём расход уменьшается на эту величину.
  • _G12 - Расход пара из 1-й области во 2-ю, кг/с. Действительное число. Выход пара из первого объёма во второй через границу раздела.
  • _Gmir - Расход при конденсации на зеркале, кг/с. Действительное число. Расход конденсации пара на границе раздела водяного и парового объёмов бака.
  • _Gd - Расход конденсации пара на струях впрыска, кг/с. Действительное число. Расход конденсации пара в паровом объёме, идущий на подогрев впрыскиваемой воды до линии насыщения, или, напротив, поступающий в паровой объём расход пара в случае впрыска перегретой выше линии насыщения жидкости.
  • _Gw - Расход конденсации пара на стенках компенсатора, кг/с. Действительное число. Расход конденсации пара в паровом объёме бака, которая возника-ет при отвода тепла от парового объёма к наружной стенке бака.
  • _g_cond_tube_bundle - Расход конденсации пара на трубных пучках, кг/с. Действительное число. Расход конденсации пара в паровом объёме бака, которая возникает при отвода тепла от парового объёма к трубным пучкам.
  • _g_cond_ten - Расход конденсации пара на ТЭНах, кг/с. Действительное число. Расход конденсации пара в паровом объёме бака, которая возникает при отвода тепла от парового объёма к ТЭНам.
  • _Gcon - Расход конденсации пара в объёме жидкости, кг/с. Действительное число. Количество сконденсировавшегося в объёме жидкости (в первом объёме бака) пара в единицу времени.
  • _Ggen - Расход генерации пара в объёме жидкости, кг/с. Действительное число. Расход объёмной генерации пара в объёме жидкости, возникающей при перегреве жидкости выше линии насыщения.
  • _Gvol - Расход конденсации пара в объёме пара, кг/с. Действительное число. Расход объёмной конденсации пара в паровом объёме, возникающей при охлаждении пара ниже линии насыщения.
  • _Qwf1 - Тепловой поток в стенку компенсатора в 1-й области, Вт. Действительное число. Тепловая мощность, отводимая от водяного объёма бака к наружной стенке.
  • _Qwv2 - Тепловой поток в стенку компенсатора во 2-й области, Вт. Действительное число. Тепловая мощность, отводимая от парового объёма бака к наружной стенке.
  • _Qnf1 - Тепловой поток от нагревателей в 1-ю область, Вт. Действительное число. Тепловая мощность, подводимая от ТЭНов и трубных пучков к во-дяному объёму бака.
  • _Qnv2 - Тепловой поток от нагревателей во 2-ю область, Вт. Действительное число. Тепловая мощность, подводимая от ТЭНов и трубных пучков к па-ровому объёму бака.
  • _Qmir - Тепловой поток при конденсации на зеркале, Вт. Действительное число. Тепловая мощность, передаваемая от парового объёма к водяному через границу раздела.
  • _GHf1 - Расходная мощность жидкости, поступающей через патрубки в 1-ю область, Вт. Действительное число. Сумма произведений входящих в бак расходов воды на соответ-ствующие энтальпии. Учитываются только входящие расходы. Суммирование производится по всем узлам, для которых выбран тип узла – «Обычный», независимо от их высотного расположения.
  • _GHv1 - Расходная мощность пара, поступающего через патрубки в 1-ю область, Вт. Действительное число. Сумма произведений входящих в водяной объём бака расходов пара на соответствующие энтальпии. Учитываются только входящие расходы. Суммирование производится по всем узлам, расположенным под уровнем.
  • _GHv2 - Расходная мощность пара, поступающего через патрубки во 2-ю область, Вт. Действительное число. Сумма произведений входящих в паровой объём бака расходов пара на соответствующие энтальпии. Учитываются только входя-щие расходы. Суммирование производится по всем узлам, для которых выбран тип узла – «Обычный», расположенным над уровнем.
  • _dPdt - Производная dP/dt, Па/с. Действительное число. Текущее расчётное значение производной давления в баке по времени.
  • _dV1dt - Производная dV1/dt, м^3/c. Действительное число. Текущее расчётное значение производной первого объёма бака по времени.
  • _dHf1dt - Производная dH_f1/dt, Вт/кг. Действительное число. Текущее расчётное значение производной удельной энтальпии во-ды в первом объёме бака по времени.
  • _dHv2dt - Производная dH_v2/dt, Вт/кг. Действительное число. Текущее расчётное значение производной удельной энтальпии пара во втором объёме бака по времени.
  • _dFidt - Производная dFi/dt, 1/c. Действительное число. Текущее расчётное значение производной объёмного паросодержания в первом объёме бака по времени.
  • _Hfs - Энтальпия воды на линии насыщения, Дж/кг. Действительное число. Удельная энтальпия воды на линии насыщения при давлении в баке.
  • _Hvs - Энтальпия пара на линии насыщения, Дж/кг. Действительное число. Удельная энтальпия пара на линии насыщения при давлении в баке.
  • _step - Шаг интегрирования, с. Действительное число. Текущее значение шага по времени для модели пароводяного ком-пенсаторая давления. При решении дифференциальных уравнений, составляющих математическую модель данного блока, используется метод решения SimInTech «Адаптивный 2». Этот метод автоматически выбирает шаг интегрирования, и для удобства этот шаг выведен в параметры блока.
  • _alfa - Коэффициенты теплоотдачи к стенке, Вт/(м^2*К). Массив действительных чисел размерностью Nh. Текущие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны среды бака на наружной стенке.
  • _alfa_tube_bundle - Коэффициенты теплоотдачи для трубных пучков, Вт/(м^2*К). Массив действительных числе размерностью Nheatport_tube_bundle. Текущие значения усреднённых по элементам разбиения коэффици-ентов теплоотдачи со стороны среды бака на трубных пучках. Коэффициенты выводятся с учётом поправочных множителей k_alfa_tube_bundle.

Математическая модель наверх ↑

Математическая модель блока представлена в виде системы обыкновенных диф-ференциальных уравнений относительно следующих переменных:
  • 0 - давление в сосуде P;
  • 1 - масса воды в 1-й области Mf1;
  • 2 - энтальпия воды в 1-й области if1;
  • 3 - энтальпия пара во 2-й области iv2;
  • 4 – масса пара в объёме жидкости Mv1.
Уравнения имеют вид:
  • уравнение для массы воды в первой области:
  • уравнение для массы пара в первой области:
    где:
    то есть если патрубок расположен под уровнем жидкости, то расход пара в нём добавляется в первый объём;
  • уравнение для энтальпии воды в первом объёме:

  • уравение для энтальпии пара во втором объёме:
  • уравнение для давления в баке:

Дополнительные уравнения:
  • для объёма первой области:
  • для паросодержания в первой области

Для замыкания системы уравнений вычисляются следующие величины:
  • Gcon - интенсивность конденсации пара в недогретой жидкости первой расчётной области;
  • Ggen - интенсивность генерации пара в водяном объёме при нарушении условия i_f≤i' (то есть при перегреве жидкости выше линии насыщения);
  • G12 - выход пара из водяного объёма в паровой;
  • Гmir - интенсивность конденсации пара на поверхности раздела парового и водяного объёмов;
  • Гw - интенсивность конденсации пара в паровом объёме на стенке сосуда, на трубных пучках и ТЭНах;
  • Qwv, Qwf - тепловые потоки к стенке от парового и водяного объёмов соответственно;
  • Гd - интенсивность конденсации пара на каплях разбрызгиваемой спринклерными устройствами воды;
  • Гvol - интенсивность конденсации пара в паровом объёме при нарушении условия iv≥i'' (то есть при охлаждении пара ниже линии насыщения).
Для учёта неравновесных процессов вычисляются объёмная генерация и объёмная конденсация пара. Используются следующие уравнения:
где:
Система обыкновенных дифференциальных уравнений решается методом «Адаптивный 2» SimInTech.

Сопутствующие материалы наверх ↑