10.4. Экспериментальные исследования

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

В ядерной технике к вновь создаваемым парогенерирующим установкам предъявляются высокие требования надежности. Работа парогенерирующих каналов в беспульсационном режиме является одним из основных условий надежности, поскольку пульсация потока приводит не только к пульсациям температуры теплопередающих поверхностей и усталостным разрушениям металла, но и к появлению кризиса теплообмена. Поэтому одним из основных требований беспульсационной работы испарительных аппаратов является экспериментальная проверка действительных режимов и сопоставление расчетных характеристик с опытными значениями. Наилучшей опытной моделью следует считать модель, выполненную в натуральную величину с реальными тепловыми и гидравлическими характеристиками. Однако проверка гидродинамической устойчивости на натурных аппаратах или на моделях в натуральную величину не оправдана из-за высокой стоимости эксперимента. Кроме того, проведение исследований на натурных установках по многим причинам может быть затруднено или просто невозможно. В связи с этим при проектировании реакторов и пара-

генераторов гидродинамические характеристики целесообразно проверять на моделях с минимальным числом параллельно включенных каналов или на модели с одним парогенерирующим каналом. Как правило, парогенерирующие параллельные каналы реакторов и парогенераторов работают в условиях постоянного перепада давления, причем считается, что этот перепад не зависит от изменения расхода по отдельным каналам. Условия постоянства перепада давления на канале при постоянном и переменном расходах среды можно обеспечить моделью, представляющей собой один парогенерирующий канал, включенный параллельно с подогреваемым шунтом, по которому перемещается масса среды, в несколько раз превышающая массовый расход через канал. Такая модель не вызовет возражений, если в выходной коллектор поступает жидкость из шунта с температурой, равной температуре кипения или близкой к ней. При значительном различии этих температур возможны гидравлические удары при смешивании пароводяного потока с жидкостью, что приведет к искажению гидродинамических условий. Один шунт с большим расходом среды можно заменить несколькими парогенерирующими каналами. В этом случае наибольшие затруднения вызовет вопрос выбора числа каналов. Слишком большое их число экономически нецелесообразно. Стремление к уменьшению числа каналов может привести к появлению условий, не свой-ственных реальной установке, и как следствие — к изменению границы устойчивости. Выбор минимального числа параллельно включенных парогенерирующих каналов в опытной модели или выбор минимального отношения расходов через шунт и канал, дальнейшее увеличение которых на устойчивость циркуляции не влияет, имеет большое значение для перенесения полученных результатов на натурную установку.

В [26] проведены экспериментальные исследования по моделиро-ванию параллельной работы испарительных каналов. Если принять, что перепад давления не зависит от изменения расхода по отдельным каналам, то можно просто моделировать их работу с помощью одного канала. При этом' постоянный перепад можно создать либо гидростатическим напором, либо необогреваемым шунтом с достаточно большим расходом. Для проверки этого положения была поставлена специальная работа, целью которой являлось:

а) найти минимальное отношение расходов через шунт и канал, дальнейшее увеличение которого не влияет на устойчивость;

б) показать, что границы устойчивой работы одного канала с шун- том при достаточно большом расходе через последний и большого числа тождественных параллельных каналов совпадают;

в) найти минимальное число параллельных каналов, дальнейшее увеличение которого не влияет на устойчивость.

Исследования были выполнены при атмосферном давлении на стенде, схема которого представлена на рис. 10.7. Вода из бака 1 насо-

сом 2 подавалась в паровой теплообменник 3, после чего поступала в напорную трубу 4. Уровень в ней регулировался и поддерживался сбросом в бак по трубопроводам б питательной воды. Далее вода по трубопроводу 12 подавалась на экспериментальный участок 9, состоявший из нескольких тождественных параллельных парогенерирующих каналов. Указанный трубопровод можно считать входным кол-

Рис. 10.7. Схема экспериментальной установки

лектором, поскольку скорости в нем пренебрежимо малы. Из экспе-риментального участка пароводяная смесь поступала в сепаратор 7, откуда вода возвращалась в бак по линии 6, а пар сбрасывался в атмосферу. Перепад давления на участке определялся разностью уровней в напорной трубе и сепараторе и зависел от расхода. Перепад давления можно создавать и без напорной трубы. В этом случае вода направлялась в необогреваемый шунт 10. Экспериментальные каналы обогревались током от трансформатора ОСУ-80, который питался от автотрансформатора АОМК-250. Перепады давления измерялись дифференциальными манометрами, а расходы воды — тарированными шайбами 11 и 13, подключенными к вторичным приборам. Тепловая на-

грузка на каналы определялась по силе тока амперметром, подключенным к трансформатору 8 и напряжению.

Сначала опыты проводились на одиночной вертикальной трубе внутренним диаметром 10 мм и длиной 1,4 м. Расходы через шунт изменялись в широких пределах, температура на входе в канал изменялась от 80 до 95 °С. Труба обогревалась на длине 1 м и на входе имела дроссельную шайбу, по которой определялся расход воды. Установлено, что границы устойчивости одинаковы как при работе с напорной трубой, так и при работе с шунтом. В последнем случае не

оправдалось опасение, что конденсация пара в недогретой до кипения воде, вызывая гидравлические удары, может привести к преждевременной потере устойчивости. В системе шунт — канал любое возмущение расхода через канал приводит к изменению перепада давления, которое препятствует изменению расхода. Между расходом через канал и перепадом давления существует стабилизирующая обратная связь, которой нет у большого числа параллельных каналов. Однако при больших расходах

Рис. 10.8. Влияние чис- через шунт эта связь оказалась до-ла трубок на границу

устоичивости статочно слабой, не влияющей на устоичи-

вость.

Анализ результатов показал, что при отношении расходов через шунт и канал более 10 устойчивость циркуляции не зависит от расхода через шунт и остается такой же, как при постоянном перепаде давления.

Для проверки возможности перенесения полученных результатов на большое число тождественных параллельных каналов были проведены опыты с пакетом, имевшим переменное число параллельных трубок внутренним диаметром 6 мм и длиной 1,5 м. На входе в каждую трубку ставилась дроссельная шайба для измерения расхода. Опыты проводились как с шунтом, так и без шунта. Число параллельных трубок уменьшалось в последовательности 16, 13, 11, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 1. Предварительно было установлено, что тепловая и гидравлическая неравномерности в пакете практически отсутствуют. Границы устойчивости циркуляции при переменном числе трубок представлены на рис. 10.8.

По оси абсцисс отложена мощность, приходящаяся на одну трубку, по оси ординат—расход. Область устойчивости находится слева от границы. Уменьшение числа трубок до единицы при работе с шунтом и до четырех при работе без шунта не привело к изменению границы устойчивости (кривая 1). В обоих случаях пульсации расхода в каналах не приводили к существенным пульсациям перепада давле-

ния. При работе трех трубок без шунта (кривая 2) область устойчивости расширилась. А при работе двух трубок без шунта область устойчивости (кривая 3) расширилась еще более, причем в последних двух случаях амплитуда пульсации перепада давления достигала 50% среднего значения. Как показали опыты, один канал с постоянным перепадом давления по устойчивости эквивалентен большому числу тождественных каналов. При наличии тепловой и гидравлической неравномерностей параллельные каналы нельзя считать тождественными. При наличии одной лишь тепловой неравномерности следует ожидать возникновения пульсации в наиболее теплонапряженных каналах. Остальные каналы можно считать обогреваемыми шунтом. Гидравлическую неравномерность также можно учесть, имея данные по устойчивости для каналов с различными коэффициентами сопротивления. Следует отметить, что предельное отношение расходов через шунт и канал и минимальное число параллельно включенных каналов могут, повидимому, несколько измениться в ту или иную сторону в зависимости от сочетания геометрических и режимных параметров.