Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма Центральное конструкторское бюро арматуростроения ЗАО «НПФ ЦКБА» РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ
КОЛИЧЕСТВЕННЫХ РД 26-07-38-01 Содержание
РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ
Дата введения «01 « октября 2001 г. 1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯНастоящий руководящий документ распространяется на задвижки, предназначенные для установки в системах атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторах, в системах и установках химических, нефтехимических и других производств с максимальным рабочим давлением до 20 МПа (200 кгс/см2) и с температурой рабочей среды до 873К (600 °С) и устанавливает порядок определения количественных характеристик теплообмена для задвижек DN от 100 до 800 мм включительно, для сред: пар, вода, воздух, азот, гелий, нефтепродукты. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ b - характерный геометрический размер (высота или диаметр), м; τ - время, с; t - температура, °С; Т - температура, К; tc - температура поверхности, ºС; tж - температура жидкости, газа, °С; J - избыточная температура, ºС; V - объём, м3, или обьёмный расход, м3/с; w - скорость, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2; β - температурный коэффициент объёмного расширения, 1/°C, 1/К; ν - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м·ºС; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; С- коэффициент излучения, Вт/м2·К4; ε - степень черноты; bП - скорость изменения температуры рабочей среды в проточной части задвижки, К/с; bГ - скорость изменения температуры рабочей среды в зоне горловины задвижки, К/с; αП - коэффициент теплоотдачи в проточной части задвижки, Вт/м2·К; α1- коэффициент теплоотдачи в зоне горловины задвижки, Вт/м2·К; α2 - коэффициент теплоотдачи под крышкой в зоне горловины задвижки, Вт/м2·К; αi - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности, Вт/м2·К; αА - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/м2·К; αк- коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2·К; αТ - коэффициент теплоотдачи с торцевой поверхности арматуры,Вт/м2·К; КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ Re = w·b/ν - критерий Рейнольдса; Рr = μ·ср /λ= ν/a - критерии Прандтля; Nu = α·b/λ - критерий Нуссельта; Gr=g·β·Δt·b3/J - критерий Грасгофа 2. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИВ настоящем руководящем документе использованы ссылки на следующие руководящие документы и стандарты: РД 302-07-122-89 «Методика расчёта температурных полей арматуры для сред с температурой 873 К (600 °С)»; СТП 07.81-634-96 «Методические указания по проведению теплового расчета задвижек для АЭС»; РД 26-07-25-97 «Методика расчёта температурных полей трубопроводной арматуры»; РД 26-07-31-99 «Методические указания по расчету количественных характеристик теплообмена в арматуре клапанного типа»; Общие технические требования «Арматура для оборудования и трубопроводов АЭС» (ОТТ-87). 3.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ3.1. Расчёт количественных характеристик теплообмена (коэффициент теплоотдачи на внутренних и наружных поверхностях арматуры и скорости изменения температуры рабочей среды) производится с целью определения исходных данных для теплового расчета, выполняемого по программе на ПЭВМ в соответствии с РД 26-07-25-97. 3.2. Рассчитываются следующие количественные характеристики: а) коэффициент теплоотдачи в проточной части арматуры (на входе) для заданной скорости движения рабочей среды по формулам теплообмена для определённых режимов течения и типа рабочей среды; б) коэффициенты теплоотдачи (локальные) по внутренней поверхности зоны горловины; в) коэффициенты теплоотдачи с наружных поверхностей при различных условиях эксплуатации, в том числе нормальных условиях эксплуатации (НУЭ), нарушении нормальных условий эксплуатации (ННУЭ). г) расчёт скорости изменения температуры рабочей среды в зоне горловины по заданной скорости изменения температуры рабочей среды в проточной части арматуры. 3.3. Расчёт количественных характеристик теплообмена выполняется при наличии всех исходных данных, приведённых в разделе 4. Расчету предшествует составление расчётной тепловой модели. 4. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ4.1 Для проведения расчета количественных характеристик теплообмена необходимы следующие данные: а) температурное поле арматуры на начальный момент времени τ = 0, К; б) закон изменения температуры рабочей и окружающей сред; в) Тн-температура рабочей среды на начальный момент времени τ = 0, К; г) Тк -температура рабочей среды на конец нестационарного режима, К; д) b -скорость изменения температуры рабочей среды в проточной части К/с; е) ta -температура окружающей среды, К; ж) геометрические размеры расчётного изделия, м; и) марки материалов деталей; к) расход рабочей среды м3/час; л) l- коэффициент теплопроводности материалов деталей, вт/м К; м) ν- кинематическая вязкость сред (рабочей и окружающей), м2/с. 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ ЗАДВИЖЕК5.1. Выбор начальных условий расчёта.5.1.1. При проведении теплового расчёта за начальные условия следует принять температурное поле на начальный момент времени τ = 0. Если на момент времени τ = 0 температура рабочей среды равна температуре окружающей среды, то температурное поле задвижки на начальный момент времени принимается одинаковым во всех точках и равным температуре окружающей среды. Если на момент времени τ = 0 температура рабочей среды не равна температуре окружающей среды, то начальное температурное поле задвижки принимается по расчёту соответствующего стационарного распределения температур. 5.2. Расчёт коэффициента теплоотдачи от рабочей среды к внутренней поверхности проточной частиРасчёт коэффициента теплоотдачи от рабочей среды к внутренней поверхности проточной части задвижки (на входе) производится по формуле:
где l - коэффициент теплопроводности рабочей среды, Вт/м·К; d - диаметр входного патрубка, м; Nu - критерий Нуссельта, определяемый в зависимости от характера рабочей среды и режима её течения по соответствующим формулам. 5.2.1. Формулы для жидких сред при различных режимах течения в трубах [1, 2]: а) ламинарный режим течения, когда l/d > 10; Reж > 10
где Nuж = aПd/lж ; Reж = w·d/ν; Prж = νж/аж ; Prс = νс/aс; ν - коэффициент кинематической вязкости рабочей среды, м2/с; Рrж, Рrc - критерий Прандтля для жидкости и стенки соответственно; l - характерный геометрический размер - длина участка, м; w- скорость движения рабочей среды (жидкости), м/с; а - коэффициент температуропроводности рабочей среды (жидкости) , м2/с; а, ν, Pr, - выбираются по справочной литературе. Индексы «ж» и «с» означают, что физические свойства выбираются по средней температуре жидкости и стенки соответственно. За определяющую температуру принимать среднюю температуру жидкости tж (рабочей среды). б) турбулентный режим течения, когда 1/d > 50; Reж = 1·104...5·106
5.2.2. Формулы для газообразных сред при различных характерах течения в трубах: а) ламинарный режим течения
б) турбулентный режим течения
5.3. Расчёт коэффициента теплоотдачи в горловине задвижки производится по формуле:
где К1 - поправочный коэффициент для проточной части и различных участков горловины (рисунок 1) Выбор поправочного коэффициента производится по таблице 1 в зависимости от параметров режима, используемой рабочей среды. Значения К1 были определены по результатам расчётно-экспериментальных исследований количественных характеристик теплообмена для задвижек. Приведены в приложении А. Значения поправочного коэффициент К1 для проточной части и зон горловины задвижки Таблица 1
I - проточная часть II - зона горловины III - зона горловины под крышкой Рис. 1. Схема определения коэффициентов теплопередачи. 5.4. Расчёт коэффициентов теплоотдачи с наружных поверхностей задвижки.5.4.1. Расчёт при нормальных условиях эксплуатации 5.4.1.1. Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности трубопроводной арматуры ai определяется как сумма коэффициентов теплоотдачи излучением aП и конвекцией aк. 5.4.1.2. Коэффициент теплоотдачи излучением aп рассчитывается по формуле:
где Ti = tw + 273 - абсолютная температура изделия или его ступени (части), К; Та = tа + 273 - абсолютная температура окружающей среды, К; t a - температура окружающей среды, °С; tw- средняя температура изделия или ступени, °С. Определяется как 1/2 суммы температур рабочей и окружающей сред (по экспериментальным или расчётным аналогам); с - 5,77 Вт/м2 К - коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела; e - степень черноты излучающего тела. 5.4.1.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией aĸ рассчитывается по формулам:
где bi -характерный или определяющий размер (высота или диаметр), м; g = 9,8 м/с2 - ускорение силы тяжести; b = 1/ta+273 - коэффициент объёмного расширения воздуха, 1/град. 5.4.1.4. Коэффициенты «с» и «n» в формуле (5.10) являются функцией Gr·Pr и выбираются в зависимости от численного значения этого аргумента и положения арматуры. Их значения приведены в таблице 2. Таблица 2
5.4.1.5. Значения физических параметров, входящих в формулы (9), (10), (11) выбираются по температуре окружающей среды tа, из справочной литературы [1, 2, 5…8]. 5.4.1.6. Для ступеней с характерным размером теплообменной поверхности «b» от 10 до 200 мм коэффициент aк, можно брать из графиков на рисунках 2…6. При вертикальном расположении арматуры «b» - это высота ступени или изделия; при горизонтальном - диаметр. 5.4.1.7. Коэффициент теплоотдачи с торцевой поверхности арматуры определяется так же, как и ai (7). Полученное по формуле (9) значение коэффициента теплоотдачи конвекцией необходимо увеличить на 30 %, если теплоотдающая поверхность обращена кверху, и уменьшить на 30 %, если вниз. В качестве определяющего размера для коэффициента теплоотдачи с торцевой поверхности aT берётся наружный диаметр торцевой части изделия. 5.4.2. Расчет коэффициентов теплоотдачи с наружных поверхностей задвижки в условиях аварии (АР). Возможны 2 варианта теплоотдачи: 5.4.2.1. Теплоотдача при турбулентном режиме, когда скорость движения паровоздушной смеси (окружающая среда) равна ω £ 20 м/с, рассчитывается по зависимостям: Рис. 2. Зависимость αк от ν при
температуре воздуха ta = 20 ºС для комплекса Gr·Pr от 5·102 до 2·107; с =
0,76; n = 0,25 Рис. 3. Зависимость aк от n при температуре воздуха ta =50
ºС
для комплекса Gr·Pr от 5·102
до 2·107;
с = 0,76; n = 0,25 Рис. 4. Зависимость aк от n при температуре воздуха ta =
20 ºС для комплекса Gr·Pr от 5·102 до 2·107; с =
0,5; n = 0,25 Рис.5. Зависимость aк от n при температуре воздуха ta =50
ºС для комплекса Gr·Pr от 5·102 до 2·107; с =
0,5; n = 0,25 Рис. 6. Зависимость aк от n при температуре воздуха ta =20
ºС
для комплекса Gr·Pr от 2·107
до 1·1013;
с = 0,15; n = 0,33
где (Prж/Prс)0,25- множитель, представляющий собой поправку, учитывающую зависимость физических свойств рабочей среды от температуры; Re, Pr -рассчитываются аналогично указаний раздела 5.2. За определяющую температуру tж принимается заданная температура окружающей среды, а определяющий размер Н - высота изделия. Индексы «ж» и «с» означают, что физические свойства рабочей среды (ν, Pr, λ,) выбираются по средней температуре рабочей среды Тж и температуры внутренней поверхности стенки Тс. 5.4.2.2. Теплоотдача при естественной конвекции при температуре окружающей среды (паровоздушной смеси) 100 < ta < 180 °С производится по зависимостям раздела 4 и 5; коэффициент теплоотдачи конвекцией при tа = 100 °C и ta = 180 ºC может быть определён из графиков на рисунках 7, 8. 5.5. Расчёт скорости изменения температуры рабочей среды в расчётной зоне теплообменаРасчет производится по формуле:
где bП - скорость изменения температуры рабочей среды в проточной части (на входе) арматуры, К/с . Задается в техническом задании на проведение теплового расчёта; К2 - поправочный коэффициент для различных зон проточной части и горловины. Выбор поправочного коэффициента К2 производится по таблице 3 в зависимости от скорости изменения температуры рабочей среды в проточной части задвижки и вида среды. 6. ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬТепловая модель задвижки составляется согласно выбранному методу расчёта. При использовании метода конечных разностей соблюдать рекомендации, содержащиеся в РД 26-07-25-97 «Методика расчёта температурных полей трубопроводной арматуры». Тепловые модели двух типов задвижек (для газа и жидкости) представлены на рисунках 9 и 10. Таблица 3 Значения поправочного коэффициента К2 для проточной части и зон горловины задвижки
Рис.7. Зависимость коэффициента теплоотдачи aк с наружных поверхностей арматуры при свободно-конвективном теплообмене с окружающей средой (паром) от избыточной температуры ν. Температура окружающей среды ta = 100 ºC. Рис. 8. Зависимость коэффициента теплоотдачи aк с наружных поверхностей арматуры при свободно-конвективном теплообмене с окружающей средой (паром) от избыточной температуры n. Температура окружающей среды ta = 180 ºC. Рис. 9. Тепловая модель задвижки Л13189-200 (рабочая среда - жидкость) Рис. 10. Тепловая модель задвижки Л13149-200 (рабочая среда - газ)
ПРИЛОЖЕНИЕ А (рекомендуемое)РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ ЗАДВИЖЕК В результате экспериментально-расчётных работ по исследованию теплового состояния задвижек, в том числе и количественных характеристик теплообмена, были получены значения коэффициента теплоотдачи по периметру задвижки [СТП 07.81-634-96]. Значения коэффициентов теплоотдачи представлены на рисунке А.1 и в таблице А.1. В работе [3,4] исследовалось изменение скорости разогрева рабочей среды в проточной части задвижки bпр и в горловине задвижки bГ (график на рисунке А.2). Были предложены соотношения К2 = 0,2...0,5. Очевидно, что выполнение тепловых расчетов задвижек с заданием тринадцати значений коэффициентов теплоотдачи в горловине aг по рисунку А.1 крайне трудоёмко и часто нецелесообразно. Практика выполнения тепловых расчётов трубопроводной арматуры, в том числе и задвижек, показала возможность унифицировать ранее полученные значения К1 и К2. В таблице А.2 и А.3 представлены результаты тепловых расчётов задвижек Л13189-200 (рисунок 9) и Л13149-250 (рисунок 10). Расчёты выполнены методом конечных разностей с заданием различных коэффициентов местной теплоотдачи aг, и скоростей разогрева bГ в пределах максимального и минимального значений, рекомендованных в работах [СТП 07.81-634-96; 3,4]. Условия и параметры тепловых режимов представлены в таблицах А.2 и А.3. Для задвижки по чертежу Л13189-200, предназначенной для жидкой рабочей среды, и для задвижки по чертежу Л13149-250, предназначенной для газа, были выполнены расчёты в девяти тепловых режимах. За критерий в оценке влияния изменения принимаемых количественных характеристик теплообмена К1 и К2 на температурное поле задвижек были выбраны значения максимальных перепадов температур во фланцевом соединении: D t4-2 -радиальный перепад, D t1-.3 - осевой перепад, D tст - перепад по стенке горловины. На основании выполненных тепловых расчётов и данных таблиц А.2 и А.3 можно сделать следующие выводы: Рис. А.1 Схема определения коэффициентов теплоотдачи Таблица А.1
1. Для задвижек, предназначенных для газа, в пределах изменения скорости разогрева 150 £ bпр £ 300 ºС/ч и значения коэффициента теплоотдачи в проточной части a < 3500 вт/м2 ºС принимать одинаковые значения К1=0,5 в горловине (зона цилиндрической образующей) и под крышкой (таблица 1 и рисунок 1). 2. Для задвижек, предназначенных для газа, в пределах изменения скорости разогрева. 10 £ bпр £ 100 °С/с и значения коэффициента теплоотдачи aпр < 3500 вт/м2 °С принимать К1=1,4 в горловине (зона цилиндрической образующей) и К1= 0,5 -под крышкой (таблица 1). 3. Для задвижек, предназначенных для жидкой рабочей среды, независимо от скорости разогрева рабочей среды (75 £ bпр £ 300 °С/ч) при aпр > 3500 вт/м2 °С, принимать К1 = 0,5 по всей горловине (таблица 1). 4. Для задвижек, предназначенных для жидкой рабочей среды, в пределах изменения скорости разогрева 150 £ bпр£ 300 °С/ч и скорости 10 £ bпр £ 100 ºC/c принимать К2=1 (таблица 3) по всей зоне горловины. 5. Для задвижек, предназначенных для газа, при малых скоростях разогрева рабочей среды (в пределах 150 £ bпр£ 300 ºС/ч) принимать в горловине К2 = 0,5 (график на рисунке А.3) 6. Для задвижек, предназначенных для газа, при скоростях разогрева рабочей среды в пределах 10 £ bпр £ 100 °С/с принимать в горловине К2 = 1,0 (график на рисунке А.4) 7. Для задвижек, имеющих изоляцию корпуса (до бугельной стойки), значения количественных показателей теплообмена К1 и К2 в горловине принимать равным K1 = 1,0 и K2 = 1,0 независимо от скорости разогрева и значения коэффициента теплоотдачи в проточной части Рис. А.2. Изменение температуры рабочей среды в проточной части tж.п. и горловине tж.г. макета клиновой задвижки DN300 в режиме горячего термоудара 240 ºС®10 ºС. Значения максимальных перепадов температур во фланцевом соединении задвижки Л13189-200 и по стенке горловины в зависимости от значений количественных характеристик теплообмена К1 и К2 Таблица А.2
Значения максимальных перепадов температур во фланцевом соединении задвижки Л13149-250 и по стенке горловины в зависимости от количественных характеристик теплообмена Таблица А.3
Рис. А.3. Изменение максимальных перепадов температур D t1-3 , D t4-2 во фланцевом соединении и по стенке горловины D tст. задвижки Л131189-200 в режимах по таблице 5. Рис. А.4. Изменение максимальных перепадов температур D t1-3 , D t4-2 во фланцевом соединении и по стенке горловины D tст. задвижки Л1349-250 в режимах по таблице 6. ПРИЛОЖЕНИЕ Б
|
Изменение |
Номера листов (страниц) |
№ документа |
Подпись |
Дата |
Срок введения докум. |
|||
Изменённых |
Заменённых |
Новых |
Аннулированных |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|