Конструирование трубчатки
Размещение сред
Одним из важных вопросов при конструировании является вопрос о размещении греющей и обогреваемой среды.
Какую из этих сред размещать в трубах, а какую в межтрубном пространстве?
Обычно среда с большим давлением размещается в трубах. Это следует из анализа формулы [3], которую используют для расчета толщины цилиндрической обечайки корпуса:
.
Например, корпус реактора ВВЭР-1000 при диаметре близком 5 м имеет толщину стенки, изменяющуюся от 150 до 250 мм. В эскизном проекте реактора ВВЭР–2000 диаметр корпуса достигает уже 7,5 м, при этом толщина стенки составляет 0,5 м, а теплообменная трубка парогенератора, работающая при том же давлении, имеет диаметр 0,012 – 0,016 м, а толщину стенки всего 1,5 мм.
Однако иногда из соображений безопасности среду с большим давлением помещают в межтрубное пространство.
Так, например, в установке с реактором типа БН, в парогенераторе через теплообменную стенку обмениваются теплом жидкости, непосредственный контакт между которыми не допустим: это вода и расплав металла Na или смеси Na и К.
Натрий имеет меньше давление, чем вода – это, как правило, около 0,5 МПа, а вода 6–7 МПа. Исходя из этих соображений натрий должен быть в межтрубном пространстве, однако установлено, что безопаснее процесс горения (окисления) происходит при попадании воды в Na, а не наоборот. Поэтому для повышения безопасности установки конструктор принимает решение - среду с большим давлением (в данном случае воду) помещать в межтрубное пространство. Повышение металлоемкости аппарата идет в жертву повышения его надежности.
Ранее осуществлялись различные попытки предотвращения контакта этих сред. Так, например, французские исследователи экспериментировали с двухслойными трубами. Однако оказалось, что экономические потери в виде увеличения металлоемкости аппарата были столь значительны, что саму идею делали ни технически, ни экономически неприемлемой.
Для ликвидаций аварийных ситуаций, связанных с реакцией Na в воде, в схеме используют специальные демпферные емкости, которые отделены от основного контура разрывной мембранной. В случае резкого повышения давления, вызванного попаданием воды в Na, эта предохранительная диафрагма разрывается. Образующиеся при реакции газы вытесняются в дополнительный резервуар. При этом разрывов и разрушений основного оборудования удается избежать.
При конструировании трубчатки решаются следующие основные вопросы:
1. Выбор вида трубчатки.
2. Обоснование необходимости использования интенсификаторов теплообмена.
3. Материал трубчатки.
4. Компенсация температурных расширений.
5. Конструкция элементов дистанционирования.
Конструкция трубчатки должна соответствовать следующим требованиям:
- простоте и технологичности изготовления;
- компактности трубного пучка;
- обеспечению коррозионной стойкости конструкционного мате-риала в течение всего времени, оговоренного техническим заданием;
- простоте разводки трубок от коллекторов;
- отсутствию сварных швов по всей длине трубки. Например: в газовых парогенераторах при низких коэффициентах теплоотдачи (100-200 Вт/(м2×К) требуются трубы длиной до 100 м. Такие трубы промышленностью в настоящее время не изготавливаются. Освоено производство труб длиной 16 м и есть перспективы увеличения ее до 20 м;
- наличие одного диаметра по всей длине трубы. При этом в некоторых случаях при фазовых превращениях в трубке скорость среды может изменяться в широком диапазоне. Рассмотрим, например, теплообменную трубку прямоточного парогенератора, в ней происходят фазовые превращения среды от жидкого состояния на входе – вода с плотностью rв=960 кг/м3 движется со скоростью wв = 1¸ 3 м/с, а на выходе перегретый пар при плотности 40 кг/м3, скорость не должна превышать 60 м/с (рис. 5.1). Это следует из закона неразрывности потока, который для канала можно записать уравнением массовых скоростей:
.
Из этого уравнения можно определить максимальное значение скорости воды на входе в канал:
.
Расчет показывает, что скорость не должна превышать
wmaxв = 2,5 м/с.
Рис. 5.1. Схема паропроводящего канала по участкам:
aПК – пузырькового кипения; aск– снарядного кипения; aДК – диффузонного кипения