9.8. Показатели надежности естественной циркуляции

Основной целью расчетов естественной циркуляции является оценка надежности работы парогенерирующих каналов, входящих в контур естественной циркуляции. Парогенерирующий канал будет работать продолжительное время без каких-либо повреждений при условии, если его теплообменная поверхность имеет по длине и периметру стабильную температуру, допустимую для данного класса материала. Отклонение температурного режима теплооб-менных поверхностей от нормального может быть вызвано изменением движения потока в отдельных каналах, в ре-зультате чего возникает нарушение их нормального охлаж-дения. Недостаточное охлаждение стенок парогенерирую-щих каналов может иметь место при нарушении смачивае-мости части или всего периметра канала жидкой пленкой при больших значениях сухости пара, когда наступает режим ухудшенного теплообмена. В этом случае в месте ис-чезновения жидкостной пленки возникает нерегулярный тепловой режим, приводящий к резкому увеличению тем-пературы теплообменной поверхности.

Кроме того, в месте ухудшения теплообмена возникают значительные колебания температуры стенки, достигающие в отдельных случаях (в зависимости от плотности теплового потока) нескольких сотен градусов. С целью исключения режима ухудшенного теплообмена расчетное массо-

вое паросодержание на выходе из парогенерирующих ка-налов х должно быть меньше граничного массового паро-содержания х_гр⁰, при котором возникает режим ухудшенного теплообмена.

Нарушение охлаждения стенки парогенерирующих ка-налов может произойти при омывании теплообменной по-верхности потоком пара с малой скоростью. Такой режим может возникнуть при образовании свободного уровня в отдельных парогенерирующих каналах, подведенных в па-

ровое пространство верхнего барабана (над уровнем воды) и имеющих непосредственные тепловые нагрузки (рис. 9.11).

Режимы с образованием свободных уровней возникают в слабо обогреваемых пароге-нерирующих каналах, рабо-тающих параллельно с сильно обогреваемыми. На рис. 9.11 представлены следующие груп-пы каналов: сильно обогревае-

мых С, слабо обогреваемых В и

Рис. 9.11. Схема сложного необогреваемых А. Все ка- контура естественной циркуляции налы выведены в паровое

пространство верхнего бара-бана. При установившейся работе парогенератора в группе необогреваемых каналов А вследствие падения давления в нижнем коллекторе, обусловленного сопротивлением течения потока в опускной системе D, образуется жидкостный уровень высотой Н₀—Н_м. Равенству давлений в нижнем коллекторе должно удовлетворять условие баланса сил в каналах А и D

gH_мρ"+g (Н₀—Н_м) ρ'=gH₀ρ'—Δp₀, (9.65)

где Н_м, Н₀, Δр₀— соответственно максимальная высота сво-бодного уровня в необогреваемых каналах, полная высота контура и сопротивление в опускной системе. Из уравнения (9.65) можно получить максимальное расстояние от уровня жидкости в верхнем барабане до уровня в необогреваемых каналах:

Н_м=Δр₀/[g(ρ'—ρ")]. (9.66)

Если каналы на высоте Н₀—Н_м не обогреваются, а на высоте Н_м обогреваются, то положение уровня от этого не изменится, поскольку обогрев выше пьезометрическо-

го уровня не вызовет циркуляцию в этих каналах. Сле-довательно, из-за малого коэффициента теплообмена от стенки к неподвижному пару обогрев на участке H_м приведет к резкому увеличению температуры стенок каналов вплоть до температуры греющего теплоносителя. Уравнение (9.66) показывает, что положение максимального уровня увеличивается с увеличением сопротивления в опускной системе.

В слабо обогреваемых каналах группы В также может образоваться свободный уровень, но он будет находиться несколько выше по сравнению с каналами А. При образовании свободного уровня в слабо обогреваемых каналах количество поступающей в них жидкости будет равно количеству образующегося в них пара, который барботирует через слой жидкости. Равенству давлений в нижнем коллекторе должно удовлетворять условие баланса сил в каналах В и D

gH₀ρ'—Δp₀=g(H₀—H_св)ρ_см+gH_cвρ"+Δp_в, (9.67)

где H_св, ρ_см, Δр_в — соответственно высота свободного уровня в канале β, средняя плотность смеси на участке H₀— H_св и сопротивление в канале В.

Из уравнения (9.67) получим высоту свободного уровня в слабообогреваемых каналах

(9.68)

Формула (9,68) показывает, что высота свободного уровня равна нулю (исчезает свободный уровень в слабо обо-греваемых каналах) при Δp₀+Δp_в=gН₀(ρ'—ρ_см). Такой режим наступит при увеличении паросодержания на участке Н₀—Н_св, что приведет к уменьшению средней плотности пароводяной смеси ρ_см. В слабо обогреваемых трубах высота свободного уровня возрастает с увеличением сопротивления в опускной системе. При условии обогрева на участке Н_св произойдет резкое увеличение температуры стенки парогенерирующего канала из-за слабого теплообмена от стенки к пару, перемещающемуся с малой скоростью.

В слабо обогреваемых каналах режим со свободным уровнем наступает в том случае, если в этом канале gH₀(ρ'—ρ_см) <Δρ₀+Δρ_в, т. е. если движущий напор меньше суммы сопротивлений в опускной системе и в этом канале или меньше движущего напора у контура в целом.

Если парогенерирующие каналы вывести в верхний ба-рабан под уровень воды (в водяное пространство), то об-разования свободных уровней не произойдет. В этом случае часть слабо обогреваемых каналов может выполнять дополнительную роль опускной системы, в отдельных слу-чаях может быть знакопеременное движение потока в них (слабое подъемное движение может смениться слабым опускным). Резкого нарушения температурного режима теплопередающих поверхностей не произойдет, поскольку

стенки каналов в этих режимах бу-дут [смачиваться жидкостной пленкой.

Надежная работа контура есте-ственной циркуляции обеспечивает-ся достаточным и непрерывным по-ступлением жидкости в парогенери-рующие каналы. Частичное снижение расхода или полное прекращение питания неизбежно приведет к нарушению теплового режима

теплообменных поверхностей. Сни-

Рис. 9.12. Изменение жение расхода жидкости в пароге-

статичсского давления в нерирующих каналах может произойти

элементах контура из-за образования пара в опускной

системе. Появление пара в опускной системе приведет к увеличению гидравлического сопротивления в ней и изменению ее гидравлической характеристики. Пар в опускную систему может попасть в результате захвата его из парового пространства верхнего барабана, захвата опускным потоком в переливных окнах, вскипания жидкости при резком падении давления и в результате парообразования при обогреве опускных каналов.

Захват пара в опускные каналы из парового пространства верхнего барабана можно исключить, если выбрать уровень воды над выходным сечением выше некоторого минимального значения Н_ур, при котором не наблюдается захвата пара. Высота минимального уровня Н_ур опреде-ляется по экспериментальным кривым в зависимости от скорости воды в опускных каналах w₀ и в узком сечении барабана w_б. Вследствие падения давления на входе в опускные каналы возможно образование в них пара.

В месте входа воды в опускные каналы наблюдается некоторое превышение статического давления за счет гид-ростатического давления столба жидкости (рис. 9.12):

Δp_г=gH_урρ'. (9.69)

При входе в опускные каналы происходит падение давления на величину

Δp_вх=(l+ζ_вх)ρ'(w₀²/2). (9.70)

Вскипания воды на входе не произойдет в том случае, если статическое давление в месте входа р_вх будет больше давления в барабане р_б. Это условие обеспечивается при Δр_г>Δр_вх. Когда р_вх окажется меньше давления насыщения, произойдет вскипание. Следовательно, для того чтобы исключить вскипание на входе в опускную систему, необходимо иметь

w₀<(2gH_ур)/(1+ζ_вх)^0,5. (9.71)

(9.72)

(9.73)

В этом случае можно допустить увеличение входной ско-рости до

Неравенство (9.71) справедливо для случая, когда недогрев жидкости в верхнем барабане Δi_б=0. При наличии недогрева жидкости в верхнем барабане возможно снижение давления дополнительно на

В ядерных энергетических установках широкое распро-странение получили специальные приспособления, пред-назначенные для конденсации пара в опускных системах. На входе в опускные каналы устанавливают коллекторы, из которых выходят тонкие водяные струи с температурой значительно ниже температуры насыщения. Попадая в зону мелких холодных струй, пар конденсируется.

Глава десятая

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОТОКА В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КАНАЛАХ