При сложном течении жидкостей в межтрубных пространствах теплообменников и парогенератора необходимо учитывать особенности гидродинамики: неравномерность распределения теплоносителя по радиусу корпуса, особенно в периферийных зонах; влияние дистанционирующих устройств на гидравлическое сопротивление и степень турбулизации потока; влияние входных и выходных устройств (коллекторов, вытеснителей и пр.) на перераспределение расходов теплоносителя по сечению; влияние аварийных перекрытий части проходного сечения на перераспределение расходов; влияние режима течения, гидравлических отводов на гидромеханические явления (вибрацию элементов, вихреобразование). Эти особенности гидродинамики оказывают определяющее влияние на теплогидравлический режим и эффективность теплообменника [15—17, 19, 20, 28, 29, 30, 32].
Рис. 5.5. Парогенератор с трубками Фильда:
1— байонетная (внутренняя) трубка с двойными стенками; 2, 4, 6 — опорные плиты;
3 — теплопередающая трубка; 5 — изолирующая трубка; 7 — выход перегретого пара (пароводяной смеси); 8— вход насыщенного пара (питательной воды); 9— газовая полость; 10—выход натрия; 11 — вход натрия; 12— испаритель; 13— сепаратор; 14— насос; 15 — пароперегреватель
Испарителям с трубками Фильда (рис. 5.5) в полной мере присущи все эти особенности. Результаты расчетного исследования на ЭВМ единичного испарительного элемента ПГ установки БН-350 подтверждают эти предположения.
Из-за возможного недостаточно хорошего перемешивания котловой воды в водяном объеме испарителя парогенератора АЭС БН-350 возможен случай, когда температура воды на входе в отдельные трубки может отличаться от среднесмешанной температуры котловой воды, получаемой из баланса. Эта температура может быть как выше, так и ниже среднесмешанной. Поскольку даже приблизительный расчет эпюры температур котловой воды по радиусу барабана трудновыполним, то пределы изменения температуры воды на входе в опускные трубки, очевидно, будет находиться между температурой насыщения и температурой входа питательной воды в барабан-сепаратор.
На рис. 5.6, 5.7 представлены зависимости распределения температур натрия и энтальпии пароводяной смеси по длине испарительного канала от температуры входа воды в опускную трубку. Расчет производился как для номинальных значений входных параметров, так и для произвольных.
Из представленных графиков видно, что температура входа воды в опускные трубки практически не влияет на распределение температуры натрия по длине канала как для прямоточного движения теплоносителей, так и для противоточного.
Для номинального значения входной температуры натрия в испаритель Т1=419°С, выходное значение массового паросодержания из кольцевого канала колеблется в пределах от х = 0,016 при t1= 158° С до х=0,34 при t1=ts= 264°C. Причем особенность теплообмена в трубках Фильда наиболее сильно сказывается при значительных недогревах воды на входе в опускную трубку. Если при температурах воды от 220° С до ts= 264°С только на необогреваемом участке энтальпия пароводяной смеси начинает уменьшаться, то при значениях t1<1220° С максимальное паросодержание достигается на расстоянии 3—3,5 м от донышка трубки, а затем начинает уменьшаться и на необогреваемом участке резко падает. Длина экономайзерного участка колеблется от примерно 200 мм при t1 = 158° С до 0 при t1= ts = 264° С.
При увеличении входной температуры натрия до ts=453° С (рис. 5.8) наблюдается аналогичная картина влияния входной температуры воды в опускную трубку на распределение энтальпии пароводяной смеси по длине канала. При уменьшении входной температуры натрия до T1=380° С не хватит подводимой мощности на генерацию пара в канале, если входная температура воды в опускную трубку
t1<176° С. Проведенный расчетный анализ на испарительном элементе Фильда АЭС БН-350 для движения теплоносителей по схеме противотока показывает, что колебание входной температуры воды в опускную трубку незначительно влияет на значение выходного паросодержания. Энтальпия пароводяной смеси достигает своего максимума в конце обогреваемого участка. При температуре входа натрия T1=419° С различие в выходных паросодержаниях составляет от х=0,31 при t1=264°С до х = 0,14 при t1 = 158° С, т. е. ∆х= = 0,17 против ∆х = 0,32 при прямоточной схеме движения теплоносителей. При увеличении температуры входа натрия это различие уменьшается. Можно предположить, что испаритель, собранный из трубок Фильда, при движении теплоносителей по схеме противотока должен работать более стабильно при колебаниях температуры воды на входе в опускные трубки.
Необходимо отметить, что различия температуры входа воды в опускные трубки не оказывают заметного влияния на параметры натрия, изменение же входных параметров натрия (расхода G1 и температуры входа в испаритель Т1) значительно влияет на теплогидравлические характеристики пароводяного тракта. В первую очередь, изменяется среднесмешанная температура воды в барабане-сепараторе, т. е. на входе в опускные трубки.
На рис. 5.8 и 5.9 представлены результаты расчетного анализа влияния входной температуры натрия на распределение энтальпии пароводяной смеси по длине испарительного канала для двух возможных значений входных температур воды в опускную трубку. Расчеты показывают, что увеличение входной температуры натрия с T1=419° С до T1=500° С для двух значений входных температур воды в опускную трубку (t1=200°C и t1=240° С) увеличило бы выходное паросодержание примерно на 0,22. При увеличении входных температур натрия парогенерирующая трубка Фильда работает более эффективно, паросодержание достигает своего предельного значения в конце испарительного участка и незначительно убывает на необогреваемом участке. При температуре входа натрия T1=380°С максимальное значение энтальпии пароводяной смеси достигается в середине испарительного участка и затем убывает. При T1>450°С выходные значения паросодержания незначительно отличаются друг от друга.
На рис. 5.10—5.12 показано влияние расхода натрия на распределение температуры натрия и энтальпии пароводяной смеси по длине испарительного канала. С увеличением расхода натрия уменьшение его температуры по длине становится, как следовало ожидать, более плавным, хотя выходные значения отличаются друг от друга не более чем на 5—6° С. Как и при увеличении входной температуры натрия, так и при увеличении расхода его (G1> 1,5Gном) перетечки тепла из кольцевого канала в опускную трубку менее заметны. Конденсация пароводяной смеси на опускной трубке в основном происходит на необогреваемом участке. Выходное значение паросодержания пароводяной смеси увеличивается приблизительно пропорционально увеличению расхода. Сравнение влияния расхода греющего теплоносителя на теплогидравлические характеристики испарительного элемента для движения натрия и пароводяной смеси по схемам прямотока и противотока не выявляет значительных отличий и преимуществ одной схемы перед другой.
Из рассмотренных зависимостей x = f(T1), x=f(G1), x=f(T1, G1) видно, что с увеличением температуры входа натрия выше номинального (Тном= 419о С) и с увеличением расхода натрия на одну трубку выше Giом= 0,525 кг/с текущее значение паросодержания по длине испарительного канала и выходное значение паросодержания также увеличиваются.
На надежность и устойчивость контуров с естественной циркуляцией заметное влияние в парогенераторе оказывает работа опускной системы [14, 25—27, 31, 35, 39]. При уменьшении кратности циркуляции по сравнению с расчетной и, особенно при приближении ее к единице испарительные трубки будут эксплуатироваться в условиях ухудшенного теплообмена. Малые коэффициенты теплоотдачи и возможные отложения могут резко ухудшить отвод тепла.
Рис. 5.12. Зависимость энтальпии пароводяной смеси от расхода натрия: Δ — G1 = 1,05 кг/с; □ — G1 = 0,787 кг/с; X — G1= 0,525 кг/с; О — G1 =0,4 кг/с
Уменьшение расхода воды в контуре может произойти вследствие увеличения гидравлического сопротивления опускной системы по отношению к расчетным значениям. Причиной этого в системах с трубками Фильда может явиться, например, увеличение местного сопротивления в районе донышка из-за неточностей сборки испарительного элемента, возможного накопления в донышке продуктов коррозии или выпадения из испаряемой воды нерастворимых солесодержащих примесей. Увеличение местного гидравлического сопротивления поворота должно привести к уменьшению расхода по пароводяному контуру [24].
На рис. 5.13—5.16 представлены кривые влияния расхода по пароводяному контуру на выходное паросодержание испарительного канала в зависимости от температуры входа воды в опускные трубки, температуры входа натрия и давления в пароводяном контуре.
При расчетных параметрах парогенератора АЭС БН-350 (Т1вх = 419° С; Р = 5,2 МПа; G1 =0,525 кг/с) снижение расхода воды по пароводяному контуру до 62=0,075 кг/с на одну трубку может привести к резкому повышению выходного паросодержания для всех возможных значений температуры входа воды в опускную трубку. При входных температурах воды t1вх=240°С влияние расхода воды на выходное паросодержание более плавное. Увеличение входной температуры натрия до Т1=453° С несколько снижает влияние уменьшения расхода воды до G2=0,1 кг/с на выходное паросодержание, но при G2= 0,l кг/с кратность циркуляции приближается к единице. Уменьшение входной температуры натрия до Т1=380° С позволяет иметь испарительные каналы с расходом по пароводяному контуру до G2=0,l кг/с, не вызывая опасных колебаний выходного паросодержания.
Влияние расхода воды на выходное паросодержание показывает, что понижение давления пароводяного контура до 2,3 МПа увеличивает стабильность его работы, хотя снижение расхода воды ниже G2=0,1 кг/с также может быть связано со значительным ухудшением теплоотдачи. Возможное увеличение расхода воды в отдельных испарительных каналах, как и следовало ожидать, не может вызвать опасных явлений с точки зрения теплообмена.
Испарительные каналы парогенератора АЭС БН-350, выполненные в виде трубок Фильда, работают в режиме естественной циркуляции по пароводяному контуру.
По разработанной и экспериментально апробированной методике расчета естественной циркуляции в системах с парогенерирующими трубками Фильда [21] была проанализирована зависимость циркуляционных характеристик испарителя парогенератора АЭС БН-350 от различных соотношений сечений подъемного кольцевого канала и опускной внутренней трубки Sк.к/Sоп. При расчетном анализе варьировалось только проходное сечение опускной трубки. Диаметр теплопередающей трубы, ограничивающей кольцевой канал, оставался неизменным. На рис. 5.17— 5.20 представлены зависимости кратности циркуляции k=1/x от соотношения сечений кольцевого канала и опускной трубки (Sк.к/Sоп). Расчеты, результаты которого представлены на рис. 5.17, проводились для номинальных параметров установки БН-350. На рис. 5.17 показаны результаты расчета с тремя значениями расхода греющего теплоносителя от G1=0,5 кг/с до G1=0,6 кг/с, т. е. с изменяющейся средней плотностью теплового потока. Из графиков видно, что с возрастанием средней плотности теплового потока кратность циркуляции уменьшается, а максимум смещается в сторону больших значений Sκκ/Soп.
Для движения теплоносителей по схеме прямотока наиболее оптимальное соотношение проходных сечений пароводяного контура Sк.к/Sоп—2,04:4,0. Для движения теплоносителей по схеме противотока целесообразнее рекомендовать отношение проходных сечений Sк.к/Sоп= 1,5:3,0(Sк.к/Sоп = 4,6 для ПГ АЭС БН-350). Изменение длины парогенерирующей трубки Фильда при неизменных входных параметрах теплоносителей существенного влияния на кратность циркуляции не оказывает. На рис. 5.21 показаны результаты расчетов, определяющих зависимость расхода по пароводяному контуру трубки Фильда от температуры входа питательной воды в опускную трубку. Расчеты проводились для давлений 2,3; 5,2 и 10 МПа. С ростом давления влияние входной температуры на расход по пароводяному контуру становится менее заметным. Для движения теплоносителей по схеме противотока входная температура воды в опускную трубку практически не влияет на циркуляционные характеристики пароводяного контура.
Влияние недогрева воды на входе в опускную трубку на кратность циркуляции показано на рис. 5.19. При значительных недогревах воды до ts кратность циркуляции резко возрастает, так, при Δt=100° С kцmах=40. Недогрев воды значительно влияет на кратность циркуляции, но не оказывает практически никакого воздействия на смещение максимума кратности циркуляции.
На рис. 5.22 показаны расчетные зависимости выходного паросодержания от температуры входа питательной воды для давления пароводяного контура 2,3 и 10 МПа. Для Р = 2,3 МПа при номинальных параметрах греющего теплоносителя даже недогрев воды на 50—60° С на входе в опускную трубку приводит к значительным паросодержаниям пароводяного потока. Как отмечалось выше, расчетный анализ противоточной схемы движения теплоносителей (см. рис. 5.22) показывает более устойчивое значение выходного паросодержания от недогрева питательной воды.
Рис. 5.22. Зависимость выходного паросодержания от температуры воды на входе:
а — 2,3 МПа; б — 10 МПа;---------------- прямоток;---------- — противоток
В целях повышения выходного паросодержания в трубках Фильда можно наружную поверхность опускной трубки выполнить конической, а саму трубу — переменной толщины, плавно уменьшающейся в направлении к выходному срезу, обращенному к донышку [23, 34, 36], при этом изменяется и термическое сопротивление стенки конусообразной трубки.
Расчеты показывают, что увеличение термического сопротивления в верхней части внутренней трубы приводит к уменьшению перетечек тепла из кольцевого канала в опускной участок. При этом испарительный элемент работает более стабильно и выходные значения паросодержания в трубке Фильда с конусообразным опускным участком (β=1°) различаются незначительно при изменении недогрева питательной воды на входе от 0 до 100° С (хвых=0,234-0,27). В обычном парогенерирующем элементе при аналогичных условиях значение выходного паросодержания изменяется в пределах хвых= 0,154:0,27.
Использование в составе элемента Фильда опускной трубки с повышенным термическим сопротивлением в верхней ее части обеспечивает стабильную работу ПГ при отклонении расхода греющего теплоносителя от расчетного значения. Расчетные исследования показали, что даже при уменьшении его расхода более чем в 1,4 раза, что соответствует снижению его входной температуры ниже 300° С, на опускной трубке не наблюдается конденсации пароводяной смеси и уменьшения паросодержания на выходе до значений хвых= 0, как это имеет место в парогенерирующих каналах Фильда известных конструкций.
