Инжиниринговый центр


Новости

РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕРМОСИФОНОВ НАТУРНЫХ РАЗМЕРОВ

  • 02.06.2019

А.С. Матяш1, М.Ю. Егоров1,2, В.Д. Лычаков1, А.А. Щеглов1

1 ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова»

2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

 

РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕРМОСИФОНОВ НАТУРНЫХ РАЗМЕРОВ

 

Термосифон – это полая труба, запаянная с обоих торцов, частично заполненная кипя- щей водной средой. Работа термосифонов основана на гравитационном принципе с противо- точным движением парового потока вверх от зоны нагрева к зоне охлаждения и обратным движением пристенной плёнки конденсата этого пара.

Актуальность. Термосифоны обладают простой конструкцией. Автономность, наличие двойного высокотеплопроводного барьера между нагреваемой и охлаждаемой средой повышают надёжность теплообменников АЭС, состоящих из термосифонов [1]. Термосифоны – перспективное оборудование систем пассивного отвода теплоты от I контура ядерных энергоустановок. Их применение повышает безопасность хранилищ с отработанным ядерным топливом. Разгерметизация небольшой части термосифонов, имеющихся в теплообменнике, практически не отражается на его производительности.

В газогазовых теплообменниках с низкой наружной теплоотдачей и высокими её значениями на внутренней поверхности труб применение термосифонов незначительно увели- чивает общую поверхность по сравнению с традиционными теплообменниками. При этом температура труб близка к температуре насыщения двухфазной среды, находящейся в термосифоне и практически одинакова по длине. Варьируя отношением длин зон нагрева и охлаждения, можно изменять эту температуру в диапазоне между температурами обменивающихся теплотой газовых сред. Это повышает коррозионную стойкость теплообменников АЭС при работе с агрессивным газом.

Цель работы – обосновать сохранение

  • структуры и механических свойств металла термосифонов при длительной их работе;
  • вакуума внутри термосифонов на уровне 90–95%, который обеспечивает высокие теплопередающие характеристики кипящего режима термосифонов и изотермичность его поверхности по длине зоны охлаждения.

В работах [1–2] на основе экспериментов с термосифонами при углах наклона к горизонтали b=1,5–90° показаны:

  • высокий удельный аксиальный теплоперенос по сечению термосифона до 3–4 МВт/м2, не зависящий от длины транспортного участка между теплопередающими зонами,
  • вытеснение оставшегося в термосифоне воздуха к верхнему его торцу паровым потоком, имеющим скорость, превышающую граничное значение 0.75±0.01 м/с.

Авторами [1–3] предложены соотношения для расчёта интенсивности теплогидравлических процессов в термосифонах. Они используются в общепринятой методике «Тепловой и гидравлический расчет теплообменного оборудования АЭС.

Сегодня актуально определение периода сохранения высокой интенсивности теплогид- равлических процессов в термосифонах, их прочностных характеристик вследствие коррозионного процесса, происходящего внутри термосифона с выделением водорода

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2.                                                   (1)

Накопление водорода снижает интенсивность конденсации пара и мощность термосифона. Диффузия водорода через сталь стенки может снизить её механические свойства.

На основе проведённых ранее ресурсных испытаний продолжительностью  1500–  36000 часов в работах [4, 5] показаны:

  • высокая интенсивность диффузии водорода через стенку термосифона из углеродистой стали и низкая её интенсивность через аустенитную сталь;
  • снижение интенсивности коррозионного процесса в первые 1000–1500 часов испытаний вследствие образования оксидной защитной плёнки Fe3O4 на внутренней поверхности термосифона. Плёнка приводит к динамическому равновесию между скоростями накопления водорода в объёме и диффузии через стену.

В настоящее время отсутствуют надежные рекомендации по расчету интенсивности этих взаимно компенсирующих процессов. В приведённых работах размеры испытываемых термосифонов миниатюрны. Период их испытаний существенно ниже принятых сроков экс- плуатации теплообменного оборудования на АЭС.

Технология изготовления испытанных термосифонов. При создании оборудования, в котором теплотой обмениваются агрессивные газы, использованы 3400 термосифона: диа- метр труб 45´4 мм; длина 4,92 м, объём 5,25 л, материал – сталь 20.

Введя допущение о росте интенсивности коррозии с ростом температуры, был выбран диапазон температуры пароводяной смеси в термосифоне 240–265°С (Ps=3,3–5,1 МПа, абс).

Продолжительность испытаний составила более 20 лет с учётом проверок вакуума парогазовой среды в охлаждённых термосифонах термическим методом, не требующим раз- герметизации и проводившимся с периодом 1–3,5 года.

Заготовки термосифонов для теплообменников I партии продувались паром для удаления транспортной пыли. Отличие технологий изготовления термосифонов для теплообмен- ников II партии заключалось в наращивании на внутренней поверхности заготовок термосифонов магнетитовой Fe3O4 защитной плёнки при размещении их на 8 часов в атмосферу перегретого пара (Р=0,11 МПа, абс) при t=550–565°С.

В каждый термосифон было залито 2 л водного раствора, содержащего, помимо тур- бинного конденсата, хромат калия К2СrO4 – 0,5 г/л и аммиак NH3 – 1 мг/л.

Под крышку термосифонов вводились стальные пористые контейнеры, заполненные геттерным материалом – титановой стружкой – для связывания водорода (Ti+H2=TiH2), образовавшегося при коррозионном процессе. Для оценки необходимости ввода геттерного мате- риала часть термосифонов на испытания была установлена без него.

При определении вакуума термическим методом, заполненная раствором нижняя часть термосифона размещалась в открытом сверху наклонном (b=8°) сосуде с подогретой водой. Температура воды повышалась, и определялось, при каком её значении (tгр) начнётся кипе- ние воды в испытываемом термосифоне. Значение tгр ассоциировалось с началом нагрева стенки выше уровня воды в термосифоне на расстоянии 0,2–0,3 м. Заранее на опытном образце термосифона при наличии под его крышкой вакуумметра была проведена градуировка методики под реальную продолжительность (t<20 минут) нахождения нижней части термо- сифона в сосуде с водой, нагретой до tгр. На основе градуировки, сопровождаемой замером вакуума в термосифоне Р0, находилась зависимость Р0=f(tгр).

Контрольный термосифон был заполнен лишь 2 л турбинного конденсата. Он не про- ходил предварительной обработки поверхности и не содержал геттерный материал.

Методика испытаний. К термосифонам приварены две термопары хромель-алюмель на уровне пароводяной смеси и у верхнего торца термосифона, см. рис. Далее термосифоны складывались в пучок, который устанавливался под углом b=8°. Вокруг нижней части пучка был спирально навит электронагреватель мощностью 2 кВт из нихромовой проволоки в изо- ляции из фарфоровых бус. Внешняя поверхность пучка покрыта тепловой изоляцией. Ежедневно проводился контроль показаний термопар, установленных на термосифонах, коррекция температур термосифонов при выходе её из принятого диапазона tн=240–265°С.

Выводы по результатам испытаний. 1. За двадцатилетний период испытаний восемь термосифонов, не содержащих геттерный материал, сохранили начальный вакуум: среднее изменение +0,9% при максимальном его снижении на 3%. В их число входит и препарирован- ный термосифон. Его внутренняя поверхность имеет по всей длине плотный гладкий защит- ный слой с мелкодисперсным легкоснимаемым налётом отложения магнетитового типа. Та- ким образом, приведённые восемь термосифонов сохранили свои теплопередающие характеристики: кипящий режим работы при температуре воды в термосифонах, превышающей 50°С. Кипящий режим реализует положительные свойства работы термосифона: высокая интенсивность аксиального переноса теплоты по длине всех зон термосифона, высокая тепло- отдача при кипении воды и плёночной конденсации пара.

Установлено, что в характерной для объёма термосифона бескислородной среде в ре- зультате реакции (1) на внутренней поверхности трубы образуется защитный слой магнетита Fe3O4. Он снижает скорость реакции (1) с выделением H2 до скорости его удаления диффузией через стенку трубы термосифона. Вероятно, период установления этого равновесия близок к указанному в работах [4, 5] – 1000–1500 часов испытаний. Дальнейшее снижение скорости реакции (1) ведёт к уменьшению концентрации водорода в термосифоне, при которой имеется указанное равновесие, и, возможно, увеличение во времени вакуума.

2.11 термосифонов, содержащих геттерный материал, в течение первых 13–14 лет ис- пытаний также хорошо сохраняли начальный вакуум: среднее изменение –0,3% при макси- мальном снижении 5%. За последующие 7 лет два из них имели резкое снижение вакуума – на 11% и 22%. Остальные имели снижение вакуума на 1,4%, что несколько выше по сравнению с термосифоном без геттерного материала. Это обстоятельство связывается

  • с электрохимической реакцией между стенкой трубы из стали 20 и капсулой из нержавеющей стали с геттерным материалом,
  • в меньшей степени, и с самим титановым геттером в сетках из углеродистой стали.

3.Для семи термосифонов, не содержащих геттерный материал, как прошедших паро- вую пассивацию внутренней поверхности, так и не прошедших её заметного изменения ва- куума не зафиксировано. Это обстоятельство, а также малое утонение стенок термосифонов за период испытаний указывает на отсутствие необходимости применять дорогостоящую технологию предварительной пассивации внутренней поверхности труб и ввода геттерного материала под крышку термосифона из углеродистой стали.

1

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Balunov B.F., Belov A.A., Il’in V.A., Saikova E.N., Shcheglov A.A. Thermohydraulic characteristics and steam and gas distribution in an inclined thermosiphon. Thermal Engineering, 2007, iss. 5, p. 375–379.
  2. Balunov B.F., Ilyukhin Yu.N., Kiselev V.I., Govyadko D.G. The required degree of filling and limit ca- pacity of double-phase thermal siphon. Thermal Engineering, 1992, iss. 8, p. 57–61.
  3. Балунов Б.Ф., Белов А.А., Ильин В.А., Сайкова Е.Н., Щеглов А.А. Максимальная мощность и условия ухудшения охлаждения зоны нагрева слабоотклоненного от горизонтали термосифона. Энергомашиностроение, 2006, № 2, с. 25–29.
  4. Kai M., Baoming W., Zhongxing Z. Study on prolonging the life-time of carbon steel-water heat pipe. Proc. of the 7th Heat Pipe Conference, vol. II. Minsk, 1990, p. 101–107.
  5. Bricard A., Gruss A., Manigicant A. Recent advances in heat pipes for hybrid heat pipe heаt exchanger pipe. Proc. of the 7th Int. Heat Pipe Conference, vol. II. Minsk, 1990, p. 109–117.