Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор конструкций подогревателей питательной воды и работ по исследованию контактного теплообмена при конденсации в смешивающих подогревателях 10
1.1 Анализ конструкций и условий эксплуатации подогревателей высокого давления 10
1.2 Экспериментальные исследования по теплообмену при конденсации пара на струях воды 14
1.3 Исследование тепло- и массообмена в промышленных смешивающих подогревателях 35
1.4 Постановка задачи исследования 39
Глава 2 Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации в смешивающем подогревателе струйного типа высокого давления 42
2.1 Программа исследований 42
2.2 Описание экспериментального стенда и схемы измерений 43
2.3 Описание экспериментального участка и методики измерений 49
2.4 Техника проведения эксперимента и объем исследований на модели СПВД 58
Глава 3 Анализ рабочего процесса в смешивающем подогревателе 62
3.1 Схема течений в модели СПВД 62
3.2 Взаимодействие пароводяной смеси со струей питательной воды 64
3.3 Конденсация пара в потоке смешения 69
3.4 Влияние начальных параметров на эффективность процесса конденсации 76
Выводы по главе 3 85
Глава 4 Результаты исследования на опытной установке процесса теплообмена в смешивающем подогревателе высокого давления 87
4.1 Описание опытной установки с полномасштабной по высоте моделью СПВД 87
4.2 Описание экспериментального участка и объем исследований на модели СПВД з
4.3 Обобщение результатов исследования па опытной установке 100
Выводы по главе 4 109
Глава 5 Обоснование технических решений по конструкции элементов смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления 111
5.1 Назначение и условия эксплуатации СПВД 111
5.2 Техническая характеристика 114
5.3 Рекомендации по расчету теплообмена и элементам конструкции смешивающего подогревателя высокого давления 115
Выводы по главе 5 126
Выводы 129
Список литературы 131
- Экспериментальные исследования по теплообмену при конденсации пара на струях воды
- Описание экспериментального стенда и схемы измерений
- Конденсация пара в потоке смешения
- Описание экспериментального участка и объем исследований на модели СПВД
Введение к работе
Актуальность работы
Важным элементом тепловых схем перспективных энергоблоков на суперкритические параметры пара являются регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД), нагревающие питательную воду для парогенераторов.
Одним из путей повышения эксплуатационной надежности этих блоков является замена поверхностных ПВД на смешивающие подогреватели высокого давления (СПВД). Нагрев питательной воды в них осуществляется в процессе контактного теплообмена питательной воды с греющей средой. В двухподъемной схеме СПВД устанавливаются перед питательным насосом второй ступени и уровень давлений в них составляет около 15 МПа.
СПВД может также использоваться для перспективных энергоблоков нового поколения 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 340С во всех эксплуатационных и аварийных режимах работы блока. Надежность работы смешивающего подогревателя высокого давления в данной 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 в этом направлении проводилось при давлении до 1 МПа. Полученные результаты использовались, в том числе, для совершенствования конструкции смешивающих ПНД. По-
скольку термодинамические свойства сред при низком и высоких давлениях существенно различны, зависимости для расчета теплообмена при низком давлении нельзя использовать при высоком давлении.
В этой связи проведение экспериментальных исследований процесса конденсации пара на струях питательной воды при высоком давлении для расчетов и обоснования технических решений по конструкции СПВД является актуальной задачей.
Цель работы и направление исследований
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование закономерностей теплообмена при конденсации пара на струях питательной воды при высоком давлении ~15 МПа необходимое для обоснования технических решений по конструкции элементов смешивающих подогревателей.
Для достижения этой цели были проведены:
аналитический обзор конструкций ПВД с обоснованием использования СПВД, как одного из путей повышения надежности регенеративной системы подогрева питательной воды высокого давления для перспективных энергоблоков;
экспериментальные исследования процесса теплообмена в СПВД;
изучение влияния режимных и конструктивных факторов СПВД на процесс контактного теплообмена между пароводяной смесью и питательной водой при высоком давлении;
апробация полученных зависимостей на опытной установке, моделирующей фрагмент тепловой схемы и конструкции СПВД перспективного энергоблока.
Достоверность результатов
Обеспечивается применением современных вычислительных программных сред, использованием надежных методов вычислений при обработке результатов испытаний, утвержденных методик проведения испытаний и современных аттестованных измерительных приборов.
Подтверждается сходимостью закономерностей, полученных на стендовой и на опытной установках.
Научная новизна
Обоснована возможность использования СПВД в системе подогрева питательной воды высокого давления перспективных энергоблоков.
Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование контактного теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях питательной воды при высоком давлении (~15 МПа).
Предложен механизм контактного теплообмена между пароводяной смесью и питательной водой при высоких давлениях в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров. Выявлен неравновесный характер протекания такого процесса, получены характеризующие его зависимости.
Практическая значимость
Предложены технические решения по конструкции смешивающего подогревателя высокого давления.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке смешивающих подогревателей питательной воды для двухподъемной тепловой схемы энергоблоков нового поколения, в том числе на суперкритические параметры пара, а также для тепловой схемы второго контура перспективных энергоустановок со свинцовым теплоносителем.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена при высоком давлении в смешивающем подогревателе питательной воды;
механизм процесса теплообмена при конденсации пара в потоке смешения пароводяной смеси и питательной воды при высоком давлении;
расчетная зависимость относительного недогрева потока смешения от начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных факторов СПВД, характеризующих эффективность протекания процесса теплообмена;
разработанные технические решения по конструкции элементов смешивающего подогревателя высокого давления.
Личный вклад автора заключается в разработке схем измерений на стендовой и опытной установках, составлении программы испытаний, участии в экспериментальных исследованиях, обработке и анализе результатов, выработке практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
-
2-м Конкурсе молодых специалистов ВТИ, г. Москва, 2003г.
-
3-й Международной конференции "Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках", г. Москва, 21-23.09.2008г.
-
Конкурсе Российской Академии Наук "Новая генерация", г. Москва 2008г.
-
Заседаниях НТС ОАО "ВТИ", г. Москва 2008-2013 гг.
-
Конференции «Обеспечение комплексного технического перевооружения и сервиса генерирующего оборудования за счет применения инновационных решений», г. Санкт-Петербург, ОАО «Силовые машины», май 2013г.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК и 2 доклада конференций.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 98 наименований, и 1 приложения. Содержит 139 страниц основного текста, 34 рисунка, 7 таблиц.
Экспериментальные исследования по теплообмену при конденсации пара на струях воды
Это решение неприменимо при малых скоростях истечения струи и при больших значениях К (т.е. при t— t"), поскольку при этих условиях по формуле (1.8) а 0.
Н.М. Зингером [14] были проведены опыты со струями, вытекавшими в паровое пространство со скоростями 10-25 м/с. Измерения полей температур на различных расстояниях от сопла показали, что имеет место значительная деформация поля температур, связанная, в частности, с нарушением сплошности жидкой струи.
При построении зависимости условного (отнесенного к поверхности) коэффициента теплообмена между паром и струей от скорости истечения струи опытные данные лежат между расчетами по формулам (1.5) и (1.8). Поскольку формула (1.5), аналитически полученная С.С. Кутателадзе, относящаяся к малым скоростям, не учитывает интенсификации теплообмена в пограничном слое, а формула, полученная Г.Н. Абрамовичем, не учитывает значительного термического сопротивления ядра струи.
Теоретическое исследование теплопроводности в капле на основе предположения о незначительности поверхностного термического сопротивления теплообмену было проведено Г. Брауном в [15]. Автор предполагал, что скорость конденсации пара на капле зависит от начальной температуры капли, температуры пара и скорости, с которой теплота проникает в каплю с теплопроводностью, учитывая увеличивающийся размер капель по мере развития процесса конденсации. Конвекцией в капле пренебрегают.
Экспериментальные исследования конденсации пара в струе водяных капель проводились при параметрах, имеющих место в контактных конденсаторах и деаэраторах. В проведенных автором экспериментальных исследованиях измерялись температуры насыщения пара и питательной воды, средний размер капли и высота ее падения. Были разработаны методы определения удельной площади поверхности капель в струе, а также найдены скорости переноса тепла и коэффициенты теплообмена.
Автором [15] установлено, что капли воды вначале очень быстро поглощают тепло и почти достигают температуры пара при небольшой высоте падения. Абсолютные значения полученных коэффициентов теплообмена и скоростей теплообмена высоки, особенно при малых размерах капли.
В своих опытах В.И. Коновалов [16] наблюдал в стеклянной модели струйного подогревателя течение водяной струи через паровое пространство. Давление насыщенного греющего пара составляло 0,2 МПа. Водяная струя в паровом пространстве не дробится и остается ненарушимой по всей длине от водяного сопла до приемного конфузора. При этом диаметр струи по ее длине изменяется.
Из водяного сопла в паровое пространство происходит истечение холодной воды. Непосредственно за соплом на поверхности струи происходит очень интенсивный процесс конденсации пара, у поверхности струи давление резко падает. Под действием разности давлений на периферии паровой камеры и у поверхности струи к последней устремляется пар, расширение и истечение которого в данном случае вполне аналогично расширению пара в суживающемся сопле.
В дальнейшем температура на границе струи повышается, это вызывает повышение давления пара у границы струи и уменьшение скорости его натека-ния, замедление процесса конденсации. Поэтому даже при значительной длине струи в струйном подогревателе вода не может быть нагрета до температуры насыщения свежего греющего пара.
С.С. Берманом [17] проведены исследования процесса конденсации пара из паровоздушной смеси при различных направлениях движения теплоносителей: поперечное движение (угол атаки 90), прямоток и противоток с углом атаки набегающего потока равным 45. Было исследовано влияние на интенсивность теплоотдачи давления воды на входе, начальной температуры воды, начального содержания воздуха в паре, кратности охлаждения, диаметра отверстий, объемного теплового напряжения. Автор приводит рекомендации для определения объемного коэффициента теплоотдачи К= (1.9) At Здесь qv - удельная объемная тепловая нагрузка, At - средний температурный напор. При прямоточном и противоточном движении теплоносителей с подачей паровоздушной смеси под углом 45 к направлению движения воды kv=4,8-105(pp(pE(p,(pm(pM.p pd(pF, (1.10) а при угле атаки 90 kv = 7,45-W (pp(pe(pl(pm(pwp(pd(pF, (1.11) где рр, (ps, (pt, рт, pwp, cpd, pF - поправочные коэффициенты, зависящие от параметров процесса и геометрии конденсатора. Как показали опыты, характер изменения величины объемного коэффициента теплоотдачи kv в большой мере определяют скорость воды, содержание воздуха в паре и кинетическая энергия потока. Исследования проводились в следующих диапазонах параметров. =(0,2-0,9)-105 Па; /„=24ч-35С; /«=0-0,17; dtrilfi; 1,6; 2,0)-10 м; Gn=(5,55+6,94)-10"2 кг/с; G.«=l,l 1+1,38 кг/с. Полученными зависимостями можно воспользоваться в указанных условиях, которые не охватывают весь диапазон изменений параметров при работе промышленных энергетических конденсаторов и контактных подогревателей. Применение одной и той же расчетной формулы для прямотока и противотока возможно при небольшой относительной скорости теплоносителей.
Еще одна работа по нагреву водяных струй конденсирующимся паром в условиях вакуума была проведена в ЦКТИ, ее авторы И.Л. Труб, О.П. Литвин [18]. Авторы полагали, что практически точный расчет нагрева свободно падающих струй конденсирующимся паром может быть осуществлен путем приближенного аналитического решения задачи с привлечением опытных данных. Приближенность решения заключается в усреднении температуры жидкости по поперечному сечению струи, которое при малом диаметре круглых струй и перемешивании струй при падении на полки аппарата следует считать допустимым.
Анализ теплового процесса в рассматриваемых условиях показал, что основными параметрами, определяющими кинетику теплопередачи от движущегося пара к свободно падающим струям воды при противоточно-иерекрестной схеме движения, являются безразмерная температура A=(ts0)/(tsx), высота струи /; начальный диаметр струи d; начальная скорость падения струи воды w0; динамический напор пара, набегающего на струи wn2pn. Поэтому необходимо определить локальные значения этих величин по ступеням аппарата.
Описание экспериментального стенда и схемы измерений
Дополнительно измерялся суммарный расход нагретой среды за холодильниками ТЗ объемно-весовым способом.
Для измерения давлений по тракту установлены образцовые манометры с диапазоном 40 и 25 МПа, с классом точности 0,25 и датчики избыточного давления (ДИ) "Метран-22" с теми же диапазонами измерения, что и манометры и пределом допускаемой погрешности 0,2.
Для измерения расходов пара и воды использовались расходомерные диафрагмы, рассчитанные, изготовленные и установленные в соответствии с [70]. Перепад давлений на диафрагмах измерялся датчиками разности давлений (ДД) "Метран-22" на перепады 40, 100 кПа и 1,0 МПа в диапазоне давления до 25 МПа и пределом допустимой погрешности 0,2. Тарировка диафрагм на малых расходах (до 650 кг/ч) осуществлялась весовым способом, а для больших расходов - объемным.
Для измерения температур сред по тракту и внутри СПВД в соответствующих точках стенда установлены специально изготовленные и протарирован-ные хромель-копелевые термоэлектрические термометры КТХКС-5-8, имеющие предел измерения от 0-600С. Предел допускаемой основной погрешности термопреобразователя: при температуре от 300 до 600С ±(0,7+0,005t), где t - измеряемая температура. Диаметр чехла термопары 1,5 мм, материал чехла 08Х18Н10Т. Горячие спаи термоэлектрических термометров находились непосредственно в потоке, а холодные спаи термостатировались. Сигналы от термопар, установленных на трубопроводах, поступали на микропроцессорные программируемые измерители температуры TPMO-PIC с диапазоном измерений -50...+750С и классом точности 0,5, установленные на приборном щите контроля. Показания термопар, установленных внутри модели смешивающего подогревателя, с помощью специальных устройств выводятся на компьютер. Все указанные измерения выводятся на щитовые приборы, а также на персональный компьютер с помощью модульной системы сбора данных LTC. Система состоит из нескольких LTC-крейтов, подключаемых к компьютеру при помощи крейт-контроллера. Крейт-контроллер обеспечивает управление установленными в крейте модулями УСО (устройства связи с объектом) и снятие с них информации. Для обмена данными между PC и модулями УСО устанавливается программное обеспечение для процессора контроллера.
Для сбора экспериментальных данных была составлена программа в среде программирования LabView, которая позволяет выводить мнемосхему стендовой установки, схему установки термопар по высоте струи внутри обечайки и схему установки термопар по высоте обечайки. Во время работы экспериментальной установки на схемах можно наблюдать, как меняются измеряемые параметры. Для записи параметров, измеряемых на стендовой установке, создается файл экспериментальных результатов, куда записываются все показания вторичных приборов и термопар, выбирается интервал времени, через который записываются данные. В процессе работы стендовой установки программа позволяет выводить на монитор зависимости изменения различных параметров от времени. Программа позволяет также вычислять теплофизические свойства сред, такие как удельный объем, плотность, энтальпии, массовое иаросодержа-ние и др.
В качестве средств защиты на стенде предусмотрено: - все трубопроводы высокого давления и температуры покрыты слоем теплоизоляции и расположены за металлическими щитами; - в схему стенда включен предохранительный клапан от превышения давления свыше 17,0 МПа; - для предотвращения поражения электрическим током персонала все нетоковедущие части электрооборудования надежно заземлены. 2.3 Описание экспериментального участка и методики измерений
Экспериментальным участком стенда является модель смешивающего подогревателя питательной воды (рис. 2.3), которая состоит из корпуса (1), разделительной обечайки (2) и водоподающего устройства (3). По высоте корпуса расположены патрубки для подвода пароводяной смеси (4).
Корпус модели СПВД изготовлен из стали марки 12Х1МФ и имеет размеры 0133x13 мм и высоту 5,133 м.
Разделительная обечайка необходима для исключения попадания "холодной" питательной воды на стенки корпуса, имеющие температуру насыщения при рабочем давлении. Размеры разделительной обечайки 089x4,5 мм, высота в зоне смешения 2500 мм, материал Ст.20.
Водоподающее устройство представляет собой трубу 028x4 мм, сталь 12Х1МФ с различными насадками в виде съемных патрубков (рис. 2.4) с одним (а) или несколькими отверстиями (б, в, г) с различными диаметрами и шагами между осями отверстий.
Патрубки для подвода пароводяной смеси в корпус СПВД имеют размеры 016x3 мм. Они расположены в двух сечениях по высоте корпуса для обеспечения равномерной подачи ПВС в зазор между корпусом и разделительной обечайкой. Высотные отметки подачи пароводяной смеси от среза сопла: - верхний подвод - 435 мм для верхних двух патрубков 1735 мм для нижних двух патрубков. - подвод под обечайку - 2835 мм; - подвод в объем воды - 3835 мм.
Конденсация пара в потоке смешения
Градиент температур между паром и водой вызывает процесс конденсации пара на поверхности жидкости, являющейся границей раздела фаз. При небольших паросодержаниях и перепадах температур между питательной водой и пароводяной смесью поток смешения представляет собой объем воды с паровыми пузырями, где границей раздела фаз служит жидкость, образующаяся на поверхности пузыря. В случае с каплями воды в потоке пара, іраницей раздела фаз является поверхность капли, и конденсация происходит на ее поверхности.
Поскольку начальная температура на границе раздела фаз равна температуре питательной воды tB, давление над этой поверхностью не равно давлению в подогревателе Ps, а определяется температурой tB и является давлением насыщенных паров при этой температуре Ps(tB) [91]. Таким образом, конденсация пара происходит при давлении Ps(tB). Поэтому температура образующегося конденсата не равна температуре насыщения при давлении в подогревателе tK7Hs, а находится в пределах tB tK ts ("холодный" конденсат). Соответственно энтальпия конденсата ниже состояния насыщения i (lK) i (ts).
Процесс теплообмена, происходящий при условиях, соответствующих температуре поверхности на которой протекает конденсация, будем называть «неравновесным». Температура образующегося конденсата также соответствует этим условиям. Т.к. в процессе конденсации температура поверхности, на которой она происходит, постоянно увеличивается, то увеличивается и температура конденсата. В начале процесса конденсации температура конденсата tK«tB, а в конце tKM.CM Это свидетельствует о том, что "холодный" конденсат в процессе конденсации подогревается, а его энтальпия увеличивается на величину [iCM-i (tK)]. На подогрев "холодного" конденсата расходуется часть тепла, выделившегося при конденсации пара.
При равновесном протекании процесса конденсация происходила бы в условиях, соответствующих давлению в СПВД - Ps и температуре ts. Температура образующегося конденсата также равна ts, а энтальпия i (ts). Таким образом, в «неравновесном» процессе вода, вытекающая из отверстия, недополучает часть тепла, идущую на подогрев "холодного" конденсата, а также тепло, которое "холодный" конденсат не может передать воде, в отличие от конденсата, образующегося в равновесных условиях, т.к. его энтальпия, соответственно температура, і 0к) і(їсм)- Общее количество недополученного по сравнению с равновесными условиями тепла равно: АЄ =Фс.- )1+И0- с.]}- - = [ -,(0- .)]-Є)111.-х (3.4)
Этим объясняется тот факт, что для догрева воды до температуры насыщения в условиях «неравновесной» конденсации требуется больший расход пароводяной смеси, чем в равновесных условиях, соответствующих уравнению теплового баланса.
На процессы смешения и конденсации оказывают влияние начальные параметры смешивающихся сред, которое будет рассмотрено в следующем разделе главы.
По условиям работы смешивающего подогревателя должен быть обеспечен догрев питательной воды до требуемого значения. Из-за «неравновесного» протекания процесса конденсации возникают потери тепла, при которых энтальпия потока смешения на выходе из подогревателя не соответствует балансовому значению. Для удобства используются энтальпии, так как нагретая вода может иметь температуру насыщения, которая неизменна, в отличии от энтальпии, при постоянном давлении. Для оценки эффективности процесса конденсации вводится понятие относительного недогрева потока смешения, который определяется отношением разности энтальпий, рассчитанной по балансу, и энтальпии потока смешения, полученной в экспериментах, к балансовой энтальпии (Іо-Ісм)/Іб На эффективность процесса конденсации рассмотрено влияние следующих параметров: массового паросодержания пароводяной смеси, скорости струи питательной воды на срезе водоподающей насадки, температуры питательной воды на входе в СПВД, давления в СПВД, диаметра отверстий и шагов между ними для подвода питательной воды, а также способов подвода пароводяной смеси.
Массовое паросодержание потока греющей среды определяет доли паровой и водяной фаз в пароводяной смеси. Нагрев потока питательной воды происходит за счет теплоты насыщенной воды и теплоты фазового перехода, выделившейся при конденсации. Как было показано выше, процессы смешения и конденсации происходят практически одновременно. В реальности температура конденсата меняется не от t„. При эжекции пароводяной смеси в струю помимо тепла фазового перехода питательной воде передается также тепло воды из пароводяной смеси. Поэтому конденсация пара происходит при давлении насыщенных паров с температурой выше значения температуры питательной воды.
Недогрев потока смешения также определяется и количеством "холодного" конденсата. Чем больше конденсата, тем выше недогрев потока смешения. Количество конденсата определяется величиной массового паросодержания потока пароводяной смеси.
Для наглядного представления зависимости относительного недогрева от массового паросодержания пароводяной смеси экспериментальные данные были нанесены на графики, где по оси абсцисс отложено значение х, а по оси ординат недогрев потока смешения. Характер влияния данного параметра представлен на рис. 3.8. В опытах значения паросодержания пароводяной смеси изменяются в диапазоне от 0,2 до 0,9.
Зависимость на рис. 3.8 построена по экспериментальным данным, полученным из режимов со следующими входными параметрами: водоподагощая насадка - одиночное отверстие диаметром 0,01 м; давление в СПВД -14,5 МПа.
Описание экспериментального участка и объем исследований на модели СПВД
Расход греющей среды в подогревателе определяется необходимостью догрева смеси до требуемых значений. Подача греющей среды в СПВД выполняется через два параллельно включенные регулирующие клапана.
Нагрев питательной воды происходит в аппарате за счет конденсации насыщенного пара на струях. Как показали проведенные исследования, эффективность процесса теплообмена определяется скоростью истечения питательной воды и расстоянием между отверстиями водоподающего устройства для равномерного распределения пара между струями. Высота рабочей зоны, где происходит процесс теплообмена, составляла 2,5 м и ограничена защитной обечайкой для предотвращения попадания холодных струй воды на корпус.
Нагретая питательная вода собирается в водяном объеме и далее отводится из подогревателя на питательные насосы. Серьезным вопросом является обеспечение надежной бескавитационной работы питательных насосов, откачивающих нагретую до 340С воду из СПВД, для этого предусмотрен подвод части воды после ПВД в выходной патрубок всасывающего трубопровода насосов.
Минимальный уровень воды в аппарате определен из условия предотвращения ее вскипания на входе в водоопускные трубы СПВД при отключенном захолаживающем расходе питательной воды. Средний уровень рассчитан из условия обеспечения запаса воды в аварийных режимах, связанных с отказом питательного насоса.
Для разогрева водяного контура в пусковых режимах из "холодного" состояния до температуры 350С в конструкции СПВД предусмотрена установка электронагревателей (ЭН) (на рисунке не показаны), что позволяет отказаться от пусковой котельной на давление пара 16,0 МПа.
В качестве защиты от повышения давления СПВД оснащаются предохранительными клапанами (ПК) и редукционными установками сброса пара в конденсатор турбины, предотвращающими срабатывание ПК при небольших возмущениях. Сброс пара в конденсатор может использоваться также при пусках блока, когда в связи с небольшими расходами греющей среды качество регулирования давления в СПВД может быть неудовлетворительным и для введения регулирующего клапана греющей среды в оптимальный диапазон часть пара из СПВД может сбрасываться в конденсатор.
Основные показатели, положенные в основу разработки конструкции СПВД, представлены в таблице 5.1.В ней приведены показатели для варианта тепловой схемы второго контура на сверхкритические параметры пара с обеспечением промежуточного перегрева пара в ППТО [94].
Обобщение результатов экспериментальных исследований можно представить в виде расчетной зависимости относительного недогрева от начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных факторов для получения энтальпии нагретой воды на выходе из подогревателя.
Эффективность теплообмена определяется условиями смешения и зависит от скорости истечения питательной воды в паровое пространство (w0), диаметра отверстия истечения (dome), массового паросодержания греющей среды (х), а также относительного шага между отверстиями (S/dome). Начальная температура питательной воды не учитывалась при нахождении зависимости, так как при скоростях более 2,0 м/с ее влияние незначительно. При конденсации пара на струе жидкости относительный недогрев с достаточной точностью характеризуется зависимостью: V = /k;4,„„; ;s/0 (5-1) где г б - энтальпия нагретой воды, рассчитанная по тепловому балансу, кДж/кг; ісм - энтальпия нагретой воды, полученная в результате теплообмена с учетом неравновесности процесса конденсации, кДж/кг.
Для получения безразмерного вида зависимости параметр скорости питательной воды и диаметр отверстия водоподающего устройства объединяются в критерий Рейнольдса струи, который характеризует степень турбулентности струи. Чем больше критерий Рейнольдса, тем лучше струя дробит паровое пространство и эффективнее происходит смешение греющей и нагреваемой сред.
Опытные данные аппроксимированы в виде степенной зависимости: / = 49,01-Re"045 V-9 (SM,„J ,, (5-2) где Re = —- — - критерий Рейнольдса; ив - кинематическая вязкость питательной воды, м2/с. Диапазон изменения основных параметров для которого была получена зависимость (5.2): - давление в аппарате 14,5 МПа; - массовое паросодержаггие греющей среды (х): 0,3-И; - начальная температура питательной воды: 19ОК305С; - скорость истечения питательной воды (wc): 0,5-И 0 м/с; - диаметр отверстий в водоподагощем устройстве (dome): 4- 20 мм; - относительный шаг между отверстиями S/d= 1,25 -5. Технические решения для элементов СПВД получены по результатам экспериментальных исследований по следующим основным направлениям: - оптимизация конструкции разбрызгивающих устройств в паровом пространстве аппарата по эффективности теплообменных процессов, минимизации гидравлических потерь и габаритных размеров; - оптимизации конструкции устройств для ввода греющей среды в водяное пространство; - определение оптимального распределения греющей среды между паровым и водяным пространствами.
Скорость истечения питательной воды из отверстий струйной форсунки определяет эффективность смешения струй с пароводяной смесью. По полученным экспериментальным данным было установлено, что при увеличении скорости истечения, недогрев потока смешения до балансного значения снижается (рис. 3.8).
Для выбора оптимальной скорости истечения питательной воды в паровое пространство смешивающего подогревателя использована обобщающая зависимость недогрева потока смешения от скорости истечения питательной воды для различных конфигураций насадок, исследованных на стендовой и опытной установках.
Поскольку на опытной установке скорость истечения струй достигала 20 м/с, то экспериментальные данные, полученные па стендовой установке, были экстраполированы до этого значения скорости и результаты представлены нарис. 5.2.
Для зависимости рис. 5.2 использованы экспериментальные данные, полученные при давлении в СПВД 14,5 МПа с паросодержанием греющей среды х=0,8. По оси ординат отложены значения недогревов потока смешения в абсолютных величинах (іб-ісм, кДж/кг)
Значительное снижение недогрева потока смешения наблюдается при увеличении скорости истечения до 10 м/с. Далее рост скорости до 20 м/с приводит к незначительному снижению величины недогрева. Если рассматривать водоструйную насадку с шестью отверстиями 04 мм и относительным шагом S/d=5, как одиночную струю, и насадку с единичным отверстием 010 мм, то снижение недогрева потока смешения при увеличении скорости от 2 до 10 м/с составляет 120 кДж/кг. При дальнейшем увеличении скорости до 20 м/с снижение составляет 10-20 кДж/кг. Гидравлическое сопротивление водоподаю-щего устройства при двукратном увеличении скорости (с 10 до 20 м/с) увеличивается в 4 раза.
