9.6. Экспериментальные исследования

ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ

При проектировании парогенерирующих систем важно знать не только действительные значения циркуляционных характеристик (кратность естественной циркуляции, скорость циркуляции и др.), но и условия, при которых эти характеристики имели бы максимальные значения. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей парогенератора и надежной работы поверхности теплообмена в условиях развитого пузырькового кипения первостепенное значение приобретает выбор оптимальной геометрии циркуляционного контура, отвечающего максимальным циркуляционным характеристикам. Выбор оптимальной геометрии испарительных каналов парогенератораможно показать на примере экспериментальных исследований, выполненных в обоснование конструкции испарительных каналов типа трубки Фильда. Для определения оптимальной геометрии каналов по максимальным циркуляционным характеристикам был проведен широкий комплекс экспериментальных исследований [53] на моделях (рис. 9.8). Внешняя труба 1 испарительного канала воспринимала тепловую энергию от нагретого натрия, который перемещался снизу вверх. Вода попадала в опускную трубу 2 из водяного объема 3. Поскольку опыты проводились при различных режимах выхода пароводяной смеси: над уровнем воды 4 в верхнем корпусе 6 и под уровень 5, то температура воды на входе в опускную трубу могла быть меньше темпе-

Рис. 9.8. Модель испаритель-ного канала

Рис. 9.9. Зависимость кратности циркуляции от отношения сечений для р=5,4 МПа и Н_н = 6,2 м

Рис. 9.10. Схема контура с естественной циркуляцией

ратуры насыщения или равна ей. При первом режиме вода в опускной трубе подогревалась до температуры кипения, при втором оставалась равной t_s или была близка к ней. Пароводяная полость испарительного канала отделялась от водяной направляющим стаканом 7. В испарительный канал постоянно поступала питательная вода. Опыты проводились при четырех значениях давления пара: 3,0; 5,4; 7,0; 10,0 МПа я трех значениях напорной высоты: 2; 4 и 6,2 м. Изменение сечения подъемной кольцевой щели f_щ и сечения опускной трубы f₀ осуществлялось изменением диаметра опускной трубы: 19X1,5; 14X1; 10X X1 мм. Диаметр внешней обогреваемой трубы, равный 32X2, в опытах не изменялся. Напорная высота представляла собой расстояние от уровня воды в верхнем корпусе до нижней отметки начала обогрева испарительного канала. Тепловая нагрузка на канал, а следо-

вательно и паропроизводительность его D изменялись варьированием температуры натрия на входе. Расход циркулирующей жидкости Μ в опытах измерялся по диафрагме, установленной в опускной трубе. Действительная кратность естественной циркуляции в каждом опыте определялась по формуле æ=M/D. При аналитическом исследовании циркуляционных характеристик испарительного канала, обогреваемого жидким натрием, записывается одномерное уравнение энергии

(9.51)

при граничных условиях T(0)=T₀, где Τ — температура натрия; М_н— массовый расход натрия; с_н — теплоемкость натрия при постоянном давлении; T₀ — температура натрия на входе в парогенератор; t_s(p) — температура насыщения при данном давлении в пароводяном контуре; k(q) — линейный коэффициент теплопередачи (на единицу длины трубы).

Для пароводяного контура естественной циркуляции записываются одномерные уравнения энергии подъемной кольцевой щели и уравнение расхода циркулирующей воды со следующими допущениями: все процессы в контуре естественной циркуляции рассматриваются при среднем давлении; теплообмен между опускным и подъемным участками отсутствует, так как вода в опускном канале находится при температуре, близкой к температуре насыщения при среднем давлении.

Уравнение энергии имеет вид

di/dz=[πk(q)/M][T—t_s(p)] (9.52)

при граничном условии i(0)=i'(p), где і — энтальпия пароводяной смеси.

Уравнение для определения расхода циркулирующей воды в контуре с переменным сечением запишется следующим образом:

р_д.н + Δр_у+Δр_тр+Δр_м=0, (9.53)

где Р_д.н, Δр_у, Δр_тр, Δр_м — соответственно движущий напор, потеря напора в подъемной щели от ускорения, потеря напора в контуре от трения и местных сопротивлений. Система уравнений (9.51) — (9.53) нелинейна, решение ее находилось методом последовательных приближений на ЭВМ. На основе разработанной математической модели были рассчитаны циркуляционные характеристики испарительных каналов для различных отношений сечений в кольцевой щели и опускной трубе f_щ/f₀ и средних плотностях тепловых потоков q. Было замечено, что различные законы распределения плотности теплового потока по высоте испарительного канала (для данного среднего) практически не оказывают влияния на циркуляционные характеристики в целом. Расчет циркуляционных характеристик проводился для каналов, геометрические характеристики, давления пара и тепловые нагрузки которых

совпадают с экспериментальными. Результаты аналитических расчетов сравнивались с опытными данными. На рис. 9.9 нанесены кривые из-менения кратности естественной циркуляции от отношения проходных сечений: æ=f(f_щ/f₀).

Из графика видно расслоение расчетных и опытных значений тепловых нагрузок. Аналогичные графики были построены для других давлений пара и высот контура. Все кривые показали наличие максимума кратности циркуляции при определенном значении f_щ/f₀. Путем анализа теоретических расчетов и экспериментальных данных определена геометрия испарительного канала, обеспечивающего максимальные циркуляционные возможности. Эти условия соответствуют f_щ/f₀ =2—4.

Подробные сведения об экспериментальных исследованиях цир-куляционных характеристик в парогенераторах, представляющих собой трубные контуры естественной циркуляции, содержатся в [54, 55]. Опыты проводились на контуре (рис. 9.10) при различных распределениях тепловой нагрузки по высоте парогенерирующей трубы, различных диаметрах труб (32 и 51 мм), давлениях пара p=0,15÷l,l МПа, обогреваемых длинах Н_об=0,54÷2,62 м и напорных высотах Н_н=0,71÷2,79 м. В опытах определялись действительные значения кратности естественной циркуляции по количеству циркулирующей воды и паропроизводительности. Напорная высота Н_н в опытах определялась расстоянием от уровня воды в верхней емкости до нижней точки начала обогрева. Обогрев подъемной парогенерирующей трубы осуществлялся посредством излучения раскаленных кирпичных стенок. По высоте обогреваемой трубы было установлено пять раздельно действующих горелок для сжигания предварительно приготовленной смеси пропана с воздухом.

Опытные данные по циркуляционным характеристикам позволили рассматривать контур естественной циркуляции как единую сложную систему с многообразием факторов, влияющих на процесс циркуляции. Применение упрощенных физических моделей при анализе опытных данных дало возможность обобщить результаты исследований и создать упрощенную методику расчета кратности естественной циркуляции в простых контурах.