№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 537
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА СТРУЯХ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ В СМЕШИВАЮЩЕМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2015 г. Е.В. СОМОВА, А.Л. ШВАРЦ, В.И. КИСИНА, В.П. КАНИЩЕВ
ОАО "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт "
(ОАО "ВТИ"), Москва
E-mail: vti_kotel@mail.ru
Приведены результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях холодной воды при высоком давлении. Указанные данные необходимы для разработки смешивающих подогревателей высокого давления питательной воды, в частности, энергоблоков АЭС с реактором со свинцовым теплоносителем. Показано влияние начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных факторов на эффективность процесса конденсации. Полученные на стендовой установке экспериментальные данные были сопоставлены с результатами экспериментов на опытной установке, полномасштабной по высоте, что подтвердило их согласованность и достоверность.
Ключевые слова: смешивающий подогреватель, питательная вода, экспериментальные исследования, процесс конденсации, высокое давление.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF PROCESS CONDENSATION OF STEAM ON FEEDWATER JETS IN THE DIRECT-CONTACT HEATER
AT HIGH PRESSURE
E.V. SOMOVA, A.L. SHVARTS, V.I. KISINA, V.P. KANISHCHEV
Joint-stock company "All-Russian Thermal Engineering Institute", Moscow E-mail: vti_kotel@mail.ru
Results from experimental investigations ща heat transfer during the condensation of steam from a steam-water mixture on cold water jets at high pressure are presented. These data are essential for developing high-pressure of direct-contact feedwater heaters, such as those for power units at nuclear power stations equipped with lead-cooled reactors.
Key word: direct-contact heater, feedwater, experimental investigation, process of condensation, high pressure.
Регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД) являются важным элементом тепловых схем энергоблоков. Одним из путей повышения эксплуатационной надежности этих блоков является замена поверхностных ПВД на смешивающие подо-
греватели высокого давления (СПВД). Нагрев питательной воды в них осуществляется в процессе контактного теплообмена питательной воды с греющей средой.
СПВД находят применение в атомных энергоблоках с парогенератором, греющей средой в котором является свинец. Схема паросилового контура этого блока практически аналогична тепловой схеме блоков 300 МВт тепловых электрических станций. Основным отличием является включение после группы регенеративных ПВД дополнительного смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления, который должен обеспечить догрев воды до 340°С при давлении 15 МПа во всех эксплуатационных и аварийных режимах работы блока. Надежность работы смешивающего подогревателя высокого давления в этой тепловой схеме имеет определяющее значение в связи с опасностью затвердевания свинца в межтрубном пространстве парогенератора.
До настоящего времени практически не проводились исследования контактного теплообмена, результаты которых позволили бы разработать конструкцию смешивающего подогревателя высокого давления, обеспечивающую надежную работу аппарата с достижением требуемых параметров на входе в парогенератор. Большое число экспериментальных работ проводилось при давлении до 1 МПа. Полученные результаты использовались, в частности, для совершенствования конструкции смешивающих ПНД. Из-за различия термодинамических свойств сред при низком и высоких давлениях для обоснования работоспособности смешивающего подогревателя высокого давления потребовалось проведение соответствующих исследований.
Работа осуществлялась в несколько этапов:
1. Комплексные экспериментальные исследования процесса конденсации при высоком давлении (15 МПа) на стендовой установке.
2. Изучение влияния режимных и конструктивных факторов на процесс контактного теплообмена.
3. Апробация полученных зависимостей на опытной установке, моделирующей фрагмент тепловой схемы перспективного энергоблока.
4. Обобщение полученных экспериментальных результатов.
Предварительную конструкцию смешивающего подогревателя высокого давления разработало ПО "Ижорские заводы". Для нее были выбраны характерные конструктивные данные при создании экспериментального участка для исследования процесса.
Исследования проводились на стендовой установке, смонтированной на ТЭЦ ВТИ. Стендовая установка (рис. 1) с моделью СПВД оснащена системой КИПиА, позволяющей измерять давление, температуры и расходы сред по тракту. СПВД (рис. 2) представляет собою сосуд с уровнем воды, работающий под давлением при температуре насыщения. Греющая среда подается в верхнюю часть рабочей зоны подогревателя, где она направляется на подогрев питательной воды, которая вводится через систему отверстий в виде струй.
Для измерения температуры струи по высоте внутри обечайки установлены термопары в нескольких сечениях на различном расстоянии от оси водоподающего устройства. В нижней части модели установлены дополнительные термопары в нескольких сечениях по высоте для измерения температуры среды под обечайкой и под уровнем воды. Для измерения температуры среды по высоте разделительной обечайки на внешней образующей установлены термопары в нескольких сечениях.
Экспериментальные исследования процесса теплообмена на модели СПВД были проведены на пароводяной смеси различного паросодержания х = 0,2^0,98 при следующих параметрах:
— скорость истечения воды из сопла от 0,5 до 7 м/с;
— давление пара в аппаратеРСПВд: 1; 3; 5; 10; 14,5; 17 МПа;
— диаметр одиночного отверстия в водоподающем устройстве ^отв: 10, 20 мм;
— шаг между струями ^ = 5; 10; 20 мм для группы отверстий с1 4 мм, число отверстий
иотв = 6 шт.;
— температура питательной воды на входе в установку ?пв: 190; 230; 270; 305°С.
Рис. 1. Схема стендовой установки с моделью СПВД: Т1 — теплообменники для охлаждения пара; Т2 — теплообменники тонкой регулировки для охлаждения пара; Т3 — теплообменники для охлаждения конденсата; Р — измерение давления сред; Т — измерение температуры сред; О — измерение расхода среды; ёР — измерение уровня в СПВД
На стендовой установке проведено около 260 опытов по исследованию процесса теплообмена при нагреве отдельной струи, движущейся в пространстве, заполненном пароводяной смесью; группы струй с определением оптимального шага между ними; оценке влияния на процесс конденсации начальной скорости струи, температуры питательной воды, давления в аппарате и величины паросодержания пароводяной смеси, способа подвода греющей среды: помимо подвода в верхнюю часть, греющая среда подавалась в объем под разделительной обечайкой и под уровень нагретой воды.
Для представления о взаимодействии смешивающихся потоков внутри рабочего объема подогревателя для каждого режима был построен график изменения температур сред по высоте теплообменника.
На рис. 3а приведена схема распределения температур питательной воды и пароводяной смеси внутри обечайки по высоте теплообменника. Кривая 1 представляет изменение температуры потока смешения, возникающего в результате взаимодействия питательной воды и пароводяной смеси внутри разделительной обечайки, кривая 2 — температуру среды в пространстве между потоком смешения и стенкой обечайки. Вначале она равна температуре насыщения (3) при давлении в модели, затем ее величина становится равной температуре потока смешения (1). Это означает, что поток достигает стенок обечайки и термопары, установленные на ней измеряют температуру этого потока.
Воздушник
ПВС
| Конденсат
Рис. 2. Модель смешивающего подогревателя высокого давления: 1 — корпус; 2 — разделительная обечайка; 3 — водоподающее устройство; 4 — патрубки подвода греющей среды (пароводяная смесь)
После завершения процесса конденсации на определенном расстоянии от среза сопла, температура потока смешения остается неизменной на всем пути до уровня подогретой среды в сосуде.
На графике изменения температуры потока смешения можно выделить три участка (рис. 3б). На участке I происходит резкий рост температуры потока смешения при постоянной температуре среды в зазоре между струей и внутренней стенкой обечайки. По полученным экспериментальным данным на этом участке, длиной 50 мм от среза водоподающей насадки, передается ~90% теплоты от пароводяной смеси к питатель-
T, 360 340 320 300 280 250 240 220 200 180 160
C
0 í 100 200 300 400 500 í 600 700 800 900 1000 Расстояние от среза сопла, мм II \ III
Рис. 3. Изменение температуры сред по высоте теплообменника и предлагаемая схема распределения сред внутри обечайки: 1 — температура потока смешения (7см); 2 — температура среды вблизи стенки обечайки; 3 — температура насыщения при давлении в СППВ; 4 — пароводяная смесь; 5 — питательная вода; 6 — поток смешения; 7 — разделительная обечайка
3
a
ной воде. На участке II скорость прогрева струи постепенно снижается и температура потока становится практически неизменной на всем расстоянии до уровня нагретой среды в подогревателе (участок III). На участке II происходит расширение потока до стенок обечайки на расстоянии ~500 мм от среза сопла, поток смешения перекрывает все живое сечение, поэтому спутных потоков не возникает, о чем свидетельствует равенство температур струи и стенки обечайки.
Окончательный прогрев потока смешения завершается на расстоянии ~600 мм от среза сопла. На участке III температура потока смешения остается неизменной.
Как показали результаты экспериментов на выходе из модели подогревателя температура нагретой воды имела меньшее значение, чем рассчитанное по тепловому балансу. Это являлось результатом неполной конденсации пара.
Поскольку получение необходимой температуры на выходе из подогревателя являлось условием надежной работы парогенератора, то требовалось оценить при каких начальных параметрах смешивающихся сред недогрев потока смешения будет минимален. Для этого введено понятие относительного недогрева потока смешения, который определялся отношением разности энтальпий, рассчитанной по тепловому ба
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.