В ПГ, поверхность которых набрана из трубок Фильда, последние представляют из себя сварные конструкции, состоящие из собственно трубки необходимого диаметра и приваренного к ней штампованного или точеного донышка с определенной конфигурацией внутренней поверхности. Сварной шов обычно проходит в районе среза внутренней трубки, т. е. в месте поворота потока на 180°. Длина парогенерирующих трубок Фильда, применяемых в промышленных установках, достигает примерно 10 м (испаритель АЭС БН-350 — примерно 7 м). При таких длинах точно выставить расстояние δ между срезом внутренней трубки и внутренней поверхности донышка технически трудно. Поэтому в парогенераторе могут оказаться трубки Фильда с различными δ, следовательно, с неравномерным распределением скоростей питательной воды в месте кольцевого поворота.
Рис. 5.26. Фотография потока в кольцевом повороте трубки Фильда со сферическим донышком (δ/d=0,242)
Рис. 5.27. Фотография потока в кольцевом повороте трубки Фильда со сферическим донышком (δ/d=0,416)
Исследования кольцевого поворота трубки Фильда проводились на гидролотке [3, 37], который позволяет исследовать характер течения на плоскости в зависимости от расстояния и конфигурации донышка. Как известно, для выполнения подобия течения жидкости необходимо выполнение условий: геометрического, кинематического и динамического подобий. Геометрическое подобие характеризует пространственное подобие модели и натуры, динамическое подобие режимов течения. Однако практически выполнить эти условия не всегда удается, поэтому при моделировании стремятся соблюсти выполнение основных критериев подобия, наиболее сильно проявляющихся в данном явлении. Так, при течении с открытой поверхностью выдерживают равенство чисел Fr = w2/gl0.
Гидролоток, имеющийся в распоряжении, позволяет проводить испытания при Re≈3-104, что находится в автомодельной области по данным работ [10—13]. С уменьшением и с увеличением расхода через модель трубки Фильда, т. е. с изменением скорости течения и числа Re, качественная картина течения жидкости в районе донышка практически не изменялась.
Рис. 5.28. Фотография потока в кольцевом повороте трубки Фильда со сферическим донышком (δ/d = 1,3)
Рис. 5.29. Фотография потока в кольцевом повороте трубки Фильда со сферическим донышком, имеющим конический вытеснитель (δ/d = 0,4)
Существующие способы замера полей давления и скоростей в действующих моделях сложны и не всегда дают наглядной картины течения жидкости. Учитывая это обстоятельство, была сделана попытка визуального наблюдения потока при проливке на гидро- лотке плоской модели кольцевого поворота трубки Фильда. Эксперименты на гидролотке проводились в следующем порядке: устанавливалась модель, создавался необходимый зазор δ, после чего осуществлялась подача воды в гидролоток, после установления стабилизированного течения картина потока фиксировалась метками (опилками оргстекла) и фотографировалась, проливка проводилась на скоростях около 0,3—0,4 м/с. Исследования проводились при числах Re≥3-104, т. е. в области автомодельности. На фотографиях потока жидкости заметно постоянное присутствие в кольцевом канале зоны вихреобразования.
При малом значении относительной толщины стенки внутренней трубы образование вихревой зоны можно объяснить отрывом потока жидкости от стенок опускного канала (особенно от наружной стенки внутренней трубы) при движении в кольцевом повороте. На рис. 5.26—5.28 видно, что зона вихреобразования вызывает поджатие потока жидкости за кольцевым зазором тем больше, чем меньше расстояние δ. При визуальном наблюдении за потоком жидкости в кольцевом повороте заметен периодический срыв вихревых зон, особенно при значениях δ/d<0,45. Согласно [10—13], сдувание потоком зон вихреобразования соответствует резкому падению сопротивления поворота и соответственно повышению расхода через него.
Неустойчивость течения потока жидкости в кольцевом канале при δ/d<0,45 вызывает неравномерное омывание теплопередающей поверхности во времени, по высоте и периметру трубки. Эти явления могут вызвать температурные пульсации теплопередающей стенки на всем протяжении зоны вихреобразования. При визуальном наблюдении, а также из рис. 5.28 видно, что с увеличением зазора δ застойная зона от центра сферического донышка начинает распространяться по. всей внутренней поверхности донышка. Увеличение зазора приводит к росту застойной зоны в придонном слое и ведет, согласно [10—13], к увеличению гидравлического сопротивления кольцевого поворота. Однако со значения δ/d≈1,0 формирование застойной зоны заканчивается. Ее влияние на движение и характер течения потока жидкости в кольцевом повороте с возрастанием δ/d становится незначительным, и гидравлическое сопротивление кольцевого поворота снижается.
Для парогенерирующей трубки Фильда, обогреваемой жидким металлом, в случае прямотока образование застойных зон в придонной области может вызвать «опрокидывание» циркуляции (локальное вскипание воды, незначительно недогретой до ts в области донышка).
Для парогенерирующих трубок Фильда со сферическим донышком можно рекомендовать относительный зазор δ/d в пределах 0,45—0,7, так как при этом будет наименьшее гидравлическое сопротивление, а также отсутствие устойчивых зон вихреобразования у теплопередающей стенки и отсутствие значительных застойных зон в области сферического донышка.
На плоской модели трубки Фильда со сферическим донышком, имеющим конусообразный вытеснитель, расположенный по оси трубки Фильда, видно (рис. 5.29—5.31), что при относительном зазоре от 0,4 до 1,3 заметно уменьшается образование вихревых зон в кольцевом канале и практически отсутствуют застойные зоны в придонной области.
Согласно [10, 11], наличие конусообразного вытеснителя незначительно влияет на гидравлическое сопротивление кольцевого поворота, хотя на рис. 5.29—5.31 виден более плавный характер течения жидкости в месте кольцевого поворота, чем на рис. 5.26— 5.28.
Наличие конусообразного вытеснителя при δ/d<0,45 несколько уменьшает образование вихревых зон в кольцевом канале, а также срыв этих зон потоком, но и здесь будут наблюдаться явления, о которых упоминается для сферического донышка.
Рис. 5.30. Фотография потока в кольцевом повороте трубки Фильда со сферическим донышком, имеющим конический вытеснитель (δ/d=0,64)
Рис. 5.31. Фотография потока в кольцевом повороте трубки Фильда со сферическим донышком, имеющим конический вытеснитель (δ/d= 1,14)
При 1,3>δ/d 0,8 (см. рис. 5.30), когда начинает образовываться застойная зона, опасность локального вскипания в придонной области не вызывает серьезных опасений но закупорке опускной трубы. Застойная зона не превышает высоту конусообразного вытеснителя и имеет форму кольца, внутренний диаметр которого незначительно меньше внутреннего диаметра опускной трубы. Поэтому при локальном вскипании в придонной области можно ожидать, что подъем пузырей будет направлен в кольцевой канал. При δ/d>1,3 застойная зона превышает высоту конусообразного вытеснителя. В этом случае при больших значениях локальных удельных тепловых потоков может иметь место неустойчивый характер течения жидкости в районе кольцевого поворота.
Таким образом, наличие конусообразного вытеснителя в сферическом донышке расширяет оптимальный диапазон относительных зазоров в пределах от 0,4 до 1,3. Это снижает требования по допускам длин опускной и теплопередающей трубок трубки Фильда. Или, другими словами, при тех же требованиях к допускам, что и для сферического донышка, можно ожидать повышения долговечности и надежности парогенерирующих трубок Фильда.
