ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕПЛООБМЕННИКИ ДЛЯ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И РАСПЛАВЛЕННЫХ СОЛЕЙ из "Расчет и конструирование теплообменников" Жидкие металлы и расплавленные соли являются отличными теплоносителями для систем, рассчитанных на работу в диапазоне температур 260—1100° С [1—3]. Размеры трубопроводов и основных элементов оборудования, а также затраты мощности на прокачку в случае применения этих теплоносителей значительно меньше, чем при использовании газовых теплоносителей. Толщина стенок трубопроводов и корпусов насосов, теплообменников и других элементов оборудования может быть значительно меньше, чем у аналогичных элементов паросиловой станции высокого давления, работающей в том же диапазоне температур. В случае использования жидких металлов и расплавленных солей отсутствует также проблема коксования, которая ограничивает область применения масел примерно 285° С, а даутерма — 370° С. Однако, с другой стороны, на передний план выступает проблема коррозии, что требует тщательного подхода к выбору конструкционных материалов. Кроме того, система в целом должна быть спроектирована исключительно герметичной, чтобы было сведено к минимуму загрязнение рабочего тела парами воды или кислородом и обеспечена малая скорость коррозии. При надлежащем проектировании, монтаже и эксплуатации подобного рода системы успешно работали при температурах 650° С и выше, скорость коррозии при этом была менее 2,5 мкм/год. Теплообменники и системы должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивался как их предварительный разогрев, так и хороший дренаж, с тем чтобы избежать трудностей, связанных с замерзанием жидкости. [c.267] Первое промышленное применение жидких металлов в теплотехнике относится к 1923 г., когда пары ртути были использованы в цикле электростанции [4]. Расплавленная соль, однако, не использовалась в промышленной практике до 1937 г., когда ее применили в качестве теплоносителя при переработке нефти [5]. Смесь нитрита натрия, нитрата натрия и нитрата калия была с успехом применена на заводе Гудри на установке для крекинга нефти. С тех пор эта же самая смесь использовалась и при решении ряда других задач переработки нефти и химической технологии. [c.267] Появление атомных реакторов открыло новую область применения жидких металлов и расплавленных солей как теплоносителей для атомных электростанций [6, 7, 8]. Особенное внимание было уделено жидким натрию, калию, МаК (натрий-калиевому сплаву), литию, свинцу, висмуту, ртути [91, хлоридам и фтористым соединениям щелочных и щелочноземельных металлов [10], а также их гидроокисям. Смесь нитрит натрия — нитрат натрия — нитрат калия не привлекла большого внимания применительно к атомной энергетике, частично потому, что имели место несколько взрывов при использовании этого вещества в ваннах для термообработки при температурах свыше 500° С. [c.267] На рис. 14.2 показан конденсатор калия для опытного стенда с турбиной, работающей на паре калия для этого же стенда предназначен и парогенератор, показанный на рис. 14.1. Пар входит в конденсатор через центральную вертикально расположенную трубу в верхней части агрегата, затем по поперечному горизонтальному каналу в центре поступает в каждый из верхних коллекторов и потом идет вниз по трубам. Диаметр этих труб сравнительно велик (около 50,8 мм), что связано с низким давлением и, следовательно, с малой плотностью пара, которая близка к плотности пара за последней ступенью турбины обычной паровой электростанции. Конденсат стекает из труб в центральный барабан большого диаметра, расположенный в нижней части конденсатора. Агрегат охлаждается воздухом, трубы снабжены ребрами типа приведенного на рис. 2.7 д, е. Трубы изогнуты для компенсации относительных температурных расширений. [c.270] Агрегат крепится с помощью расположенной в центре мощной горизонтальной трубы с водяным охлаждением, на обоих концах которой закреплены опорные лапы. [c.270] В соответствии с одним из разделов программы разработки реактора для авиации была проведена работа по проектированию, изготовлению и испытаниям наиболее компактных, малого веса теплообменников, которые обладали бы высокой надежностью и имели бы приемлемую стоимость [11, 14]. Основу предполагавшейся энергетической установки составлял гомогенный реактор с циркулирующим топливом — смесью фторидов натрия, циркония и урана. Расчетная мощность реактора 60 М.вт при максимальной температуре 870° С. Тепло от расплавленных фторидов (топлива) передается сплаву NaK, циркулирующему во вторичном контуре. Для этого служит теплообменник, расположенный внутри защиты реактора. NaK пропускается через радиаторы, где он отдает тепло воздушному потоку, нагнетаемому либо воздуходувками, либо турбокомпрессором. [c.271] Одной из общих целей программы было получение максимально возможной температуры воздуха при условии, что мощность на прокачку и потери давления как в первичном, так и во вторичном контуре находятся в допустимых пределах. Многообещающим является теплообменник типа жидкость — жидкость, в котором реализовалась бы разность температур топливо — NaK порядка 25—55° С, а температура жидкости увеличивалась бы на 165—220° С. Этим требованиям лучше всего удовлетворяет теплообменник, выполненный по схеме противотока. [c.271] Технология изготовления. Конструкция теплообменника зависит от требований технологии производства, в частности от технологии соединения труб с трубными досками. Наиболее перспективными, по-видимому, являются гелиеводуговая сварка и высокотемпературная пайка тугоплавким припоем — сплавом железа, хрома, никеля, кремния и бора с точкой плавления около 1100° С. Для осуществления пайки твердым припоем необходима атмосфера водорода при отсутствии влаги (см. гл. 2). В некоторых теплообменниках применена сварка, в других используется пайка, некоторые теплообменники были сначала сварены, а затем пропаяны. Для выявления лучшей технологии были проведены испытания на длительную прочность соединений. Обнаружилось, что повреждения были одинаковыми как в случае сварки, так и в случае пайки — в обоих вариантах имели место случайные свищи. Одной из наиболее существенных конструктивных проблем является вопрос концентрации напряжений в основании сварного шва в трубной доске. На рис. 2.5 показана фотография микрошлифа такого шва, на которой ясно видны места сильной концентрации напряжений на конце трещины, упирающейся в сварочный шов. Хотя влияние такой концентрации напряжений можно уменьшить путем развальцовки трубы в трубной доске, последнюю операцию не всегда легкО осуществить при малом диаметре труб. Возникающие в стенке трубы при вальцовке остаточные напряжения сжатия имеют тенденцию к релаксации при высоких температурах, особенно в условиях переменных температурных режимов, связанных с резкими изменениями температуры жидкости, текущей в трубах. Следовательно, имеются весьма веские доводы в пользу припаивания труб к трубной доске твердым припоем. При последнем способе получается хорошее со всех точек зрения металлическое сцепление трубы с трубной доской. Было выявлено, что если трубы свариваются, а затем еще и пропаиваются, то при этом достигается высокая монолитность конструкции. Действительно, более 7000 сваренных, а затем пропаянных соединений труб с трубной доской были подвергнуты длительным испытаниям, при этом не обнаружилось ни одного свища [14]. [c.271] Один из путей создания исключительно компактного теплообменника типа жидкость — жидкость — реализация максимально развитой теплообменной поверхности на кубический метр объема теплообменника. Это подразумевает использование тесно расположенных труб малого диаметра. На рис. 14.3 показано влияние диаметра труб на величину удельной мощности, достижимой при заданной разности температур. Преимущества труб малого диаметра и плотной набивки пучка проявляются с особой силой, если теплообменник предназначен для работы на жидких металлах [15], поскольку благодаря их высокой теплопроводности коэффициенты теплоотдачи получаются исключительно высокими, особенно в случае каналов с малым диаметром. В связи с этим возникает вопрос выбора оптимального диаметра труб. Опыт эксплуатации показывает, что для большинства обычных теплообменников нецелесообразно использовать трубы диаметром менее 12,7 мм из-за опасности заноса труб и их закупорки. Однако система с жидким щелочным металлом может поддерживаться столь чистой, что вопрос о возможных отложениях на стенках не будет представлять какой-либо проблемы. [c.272] На выбор диаметра труб влияет и ряд других факторов, таких, как стоимость и надежность увеличивающегося числа сварных соединений труб с трубными досками в случае применения труб меньшего диаметра, а также стоимость собственно трубной системы. При диаметре труб меньше примерно 19 мм стоимость труб пропорциональна скорее их суммарной длине, нежели суммарному весу. Следует заметить, что указываемая обычно стоимость не включает стоимости ревизий, которая, в свою очередь, является функцией прежде всего длины, а не диаметра. Стоимость ревизии примерно удваивает стоимость трубных систем рассматриваемых в данной главе агрегатов. [c.272] В результате площадь трубной доски была примерно в три раза больше площади поперечного сечения трубного пучка. При этом трубу из нечетного ряда пучка выгибали таким образом, что в трубной доске она попадала в один ряд с трубой из четного ряда пучка, тем самым образовывались каналы для поперечного тока жидкости по концам пучка. Спроектированная с учетом этих соображений модель (рис. 14.4) была испытана с целью определения потерь давления. [c.273] Разметка коллектора также выдвигает ряд важных вопросов. Опыт приварки труб к трубной доске свидетельствует о том, что для рассматриваемых труб малого диаметра с тонкими стенками минимальное расстояние между трубами в трубной доске должно быть не меньше 2,5 мм. Столь малая величина требует решения ряда сложных конструкторских проблем, связанных с напряжениями в трубной доске. Конструкция должна выдерживать перепад давлений как в рабочих условиях, так и при нерасчетных режимах. Часто имеется возможность спроектировать станцию таким образом, что перепад давлений в трубной доске на высокотемпературном конце теплообменника в обычных условиях будет мал. В результате напряжения в горячей трубной доске будут лежать в допустимых пределах, несмотря на малые значения допускаемых напряжений в этом диапазоне температур. Перепад давления и результирующие напряжения в холодной трубной доске будут значительно больше, но при этом допускаемые напряжения из-за меньших рабочих температур металла будут больше. Однако обе трубные доски должны быть спроектированы с учетом аварийных обстоятельств, таких, как внезапный останов насоса в любом из контуров или плохое управление процессами, которые приводят к перепадам давлений, значительно превышающим номинальные. Механические расчеты показали, что толщина плоской трубной доски должна быть в пять — восемь раз больше толщины цилиндрических коллекторов, на которые не действуют изгибающие усилия. Кроме того, в результате ползучести и изгиба плоских трубных досок под действием перепада давлений возникает изгиб труб, что, в свою очередь, вызывает появление трещин в сильнонапряженных участках труб вблизи трубных досок. Подобных трудностей можно избежать, применяя цилиндрические коллекторы, поскольку никакая пластическая деформация цилиндрического барабана не изменяет его геометрии и конфигурации труб. [c.274] На основе предварительных исследований были спроектированы, построены и испытаны первые агрегаты с трубами наружным диаметром 3,18 мм. В течение 3000-часовых испытаний заметного роста перепада давления со стороны жидкости не наблюдалось. Тем самым была продемонстрирована практическая целесообразность использования труб малого диаметра в натриевых и натрий-калиевых контурах. [c.274] Некоторые основные принципы детального проектирования. После проведенных испытаний следующим шагом явилась разработка деталей конструкции агрегата. В процессе работы, которая привела к созданию показанного на рис. 2.18 агрегата, со всей очевидностью выявилось, что проблемы, с которыми пришлось столкнуться конструкторам, были действительно очень сложными, поскольку требовалось удовлетворить одновременно многим условиям. Опыт показывает, что основные принципы имеют довольно широкое применение. Поэтому имеет смысл кратко перечислить их. [c.274] В местах прохода труб, по которым течет теплоноситель, через стенки корпуса теплообменника надлежит устанавливать защитные тепловые рубашки. [c.275] Анализ большого числа различных совместных компоновок реактора, теплообменника и защиты говорит о том, что теплообменники типа хоккейная клюшка мало привлекательны. Теплообменники с трубами, расположенными, по дуге окружности, имеют наименьший вес из всех рассмотренных конструкций. Z-образные теплообменники (см. рис. 14.6) имеют несколько больший вес системы, но они проще в изготовлении. Однако ясно, что разность температурных расширений труб и корпуса в теплообменнике с Z-образным пучком может привести вследствие термических напряжений к появлению трещин в коротких выступающих из трубной доски участках труб. С целью упрощения изготовления для предварительных исследований был выбран именно теплообменник Z-обратного типа. Циклические температурные напряжения в нем — одни из наиболее резко выраженных, поэтому он представляет собой отличный объект для оценки возможностей типичной высокотемпературной конструкции по отношению к подобного рода нагрузкам. Предполагалось, что циклические термические напряжения будут наиболее часто встречающейся причиной аварий в высокотемпературных агрегатах, работающих на жидких теплоносителях. Так оно и оказалось. Конструкция с сильфоннымн компенсаторами у выходного коллектора показала себя неудовлетворительной, поскольку она должным образом не выдерживала ни напряжений, обусловленных давлением, ни разность температурных расширений. [c.276] Пример 14.1. Конструктивные расчеты. Поскольку имеются достаточно обширные экспериментальные данные для небольших опытных теплообменников типа расплавленная соль — NaK, аналогичных изображенному на рис. 14.7, а теплообменнику Z-образного типа, в табл. 14.2 представлены данные детальных расчетов именно такого типа агрегата. Следует помнить, что для обеспечения хорошей надежности необходимо применять пучки с трубами, расположенными по дуге окружности, поскольку разница в температурных расширениях вызывает чрезвычайно большие изгибающие усилия в коротких участках труб, выступающих из трубной доски. Последнее обстоятельство может привести к повреждению труб под действием циклических термических напряжений. Этот вопрос детально рассмотрен в гл. 7. Рис. 14.7, б представлен с одной лишь целью — подчеркнуть значимость указанной проблемы и показать, что повреждения таких труб действительно имеют место в окрестности коллектора. В пучках с трубами, расположенными по дуге окружности, подобных трудностей не возникало, хотя они испытывались в условиях гораздо более жестких температурных циклов. [c.276] Детальный конструктивный расчет опытного агрегата начинался с определения коэффициента теплопередачи на основе имеющихся данных по физическим свойствам теплоносителей. Затем были рассчитаны характерные размеры теплообменников с наружным диаметром труб от 4,76 до 7,94 мм при различных длинах труб и шагах. [c.277] Подобное расслоение потока ведет к уменьшению эффективной разности температур между стенкой трубы и потоком фторида вблизи стенки, следовательно, коэффициент теплоотдачи, рассчитанный на основе измеренной разности температур стенки и в центре свободного потока жидкости, будет 1шже, чем в круглом канале при числах Рейнольдса, превышающих 5000. [c.279] Вернуться к основной статье