В АЭС с интегральной компоновкой (в силу ограниченных размеров корпуса)
используются вертикальные кожухотрубные теплообменники малого диаметра и
большой длины (L/Z) = 3-f-5), при случае петлевой компоновки возможно
любое соотношение габаритных размеров. Примером теплообменника,
габаритные соотношения которого не ограничивались, является
горизонтальный секционный теплообменник, используемый в установке с
петлевой компоновкой реактора БН-350. Однако в большинстве АЭС с
петлевой компоновкой оборудования первого контура, так же как и при
баковой, применяются вертикальные кожухотрубные теплообменники исходя, в
частности, из общей компактности станции.
Основные современные тенденции конструирования теплообменников: 1)
создание теплообменников большой единичной мощности (до 400 МВт) и,
следовательно, больших размеров (высота трубного пучка до 9, диаметр 2
м); 2) использование кольцевой разбивки трубок, при которой проще
решаются вопросы дистанционирования; относительный шаг расположения
трубок обычно применяется s/d = 1,31,45; 3) применение теплопередающих
трубок диаметром 14—20, толщиной 0,8—2 мм, создание противоточных
схем взаимного движения теплоносителей; 4)
использование меж-трубного пространства для циркуляции теплоносителя
первого контура, внутри труб — теплоносителя второго контура; 5)
компенсация температурных деформаций за счет подвижной нижней трубной
доски, демпфирующих гибов, сильфонов на центральной трубе и корпусе; 6)
обеспечение ремонтоспособности за счет создания выемной конструкции
трубного пучка, вплоть до глушения отдельных дефектов трубок без
демонтажа трубного пучка.
Этим тенденциям наиболее удачно отвечает конструкция вертикального
кожухотрубного теплообменника с «плавающей головкой».
В этих теплообменниках нижняя трубная доска может свободно перемещаться
относительно корпуса при температурных деформациях трубного пучка. В
теплообменнике такого типа удачно решен вопрос верхнего подвода и отвода
вторичного теплоносителя, который обычно циркулирует в трубках пучка.
Подводимый теплоноситель опускается по центральной трубе в нижний
коллектор, выполненный за одно целое с нижней трубной доской. В нижнем
коллекторе теплоноситель распределяется по трубкам пучка, затем,
поднимаясь вверх, поступает в верхний коллектор, откуда отводится
наружу. Такая схема циркуляции вторичного теплоносителя позволяет
создать конструкцию теплообменника, в которой трубный пучок извлекается
из корпуса без резки трубопроводов первого контура.
Если при размещении теплообменника в баке реактора верхний подвод и
отвод вторичного теплоносителя необходимы, то применение подобной схемы
циркуляции в теплообменниках для АЭС с петлевой компоновкой вызвано
отсутствием герметичности между подвижной трубной доской и корпусом.
Одним из основных условий при проектировании подводящих и отводящих
коллекторов является обеспечение равномерного распределения расходов
теплоносителя относительно трубок пучка. Выполнение этого условия
обеспечивает идентичность работы всех трубок, максимальную для
противоточного теплообменника эффективность, отсутствие температурных
перекосов и, следовательно, температурных напряжений между отдельными
трубками пучка.
Равномерное распределение теплоносителя второго контура в трубках пучка
достигается за счет перераспределения подводимого потока в
дросселирующих решетках, устанавливаемых на входе в пучок. Постановка
дросселирующих решеток не вызывает конструктивных осложнений, а
увеличение гидравлических потерь по тракту второго контура жестко не
ограничивается.
Рассматривая конкретные конструкции промежуточных теплообменников ПТО,
трудно выделить общие мероприятия, направленные на снижение
неравномерности потока теплоносителя в меж-трубном пространстве.
Например, в теплообменнике установки БОР-60 для выравнивания потока
первичного теплоносителя ниже входного коллектора поставлена
дросселирующая решетка. Применяются конструкции теплообменников с
поперечными ребрами
на центральной трубе, а также наклонной решеткой
для дросселирования потока. Большое значение для выравнивания потока
теплоносителя по длине пучка имеет высота подводящего участка,
стабилизирующего поток. Так, в теплообменнике установки «Феникс» эта
величина составляет 0,35 м, а в теплообменнике БН-600 1,5 м, хотя эти
значения могут быть и неоптимальными для конкретной геометрии пучков
указанных теплообменников.
При конструировании промежуточных теплообменников большое внимание
уделяется компенсации температурных расширений между элементами трубного
пучка, трубным пучком и корпусом. Причина такого внимания связана со
значительной разностью температур по трактам теплообменников (до 200°С и
выше), большими размерами трубных пучков и перекосами температур по их
радиусу. Наиболее просто эта проблема решается в теплообменниках с
U-образным пучком и раздельными трубными досками, где каждая трубка и
весь пучок свободно перемещаются относительно друг друга.
В конструкционных схемах с «плавающей головкой» удовлетворительно решен
вопрос расширения трубного пучка и корпуса относительно друг друга.
Такая схема компенсации температурных деформаций между корпусом и
пучком, как уже отмечалось выше, широко используется в конструкциях
промежуточного теплообменника. Вопрос компенсации температурных
расширений трубок относительно друг друга и центральной трубы в этих
теплообменниках решается двумя путями.
Первый путь заключается в выполнении теплопередающих труб с
компенсирующим гибом. Безусловно, этот способ позволяет полностью решить
все проблемы компенсации температурных деформаций, даже в случае
забивания окислами отдельных трубок пучка, однако он имеет свои
недостатки: усложняется изготовление трубной системы; ослабевает
прочность трубок в районе гиба; технически трудно выполнить
дистанционирование трубок в районе гиба.
В связи с этим второй путь решения рассматриваемой проблемы
предусматривает использование в теплообменниках прямых труб. При этом
компенсация расширения трубного пучка относительно центральной трубы
обеспечивается тем, что обечайки многослойной центральной трубы, одна из
которых жестко сваривается с верхней трубной доской, другая с нижней,
замыкаются на сильфон. Сильфон выносится в верхнюю часть теплообменника,
доступную для осмотра. В теплообменниках как с прямыми трубками, так и с
компенсирующими гибами дополнительно обеспечивается снижение
температурных перекосов между трубным пучком и центральной трубой из-за
прослоек инертного газа h зазорах многослойной трубы.
Разность деформаций между отдельными прямыми трубками в пучке,
определяемая перекосом температур по радиусу, поглощается за счет
внутренних напряжений трубок. Для того чтобы возникающие напряжения в
трубках не превышали допустимых,
в таких теплообменниках обеспечивается вполне
определенная неравномерность распределения теплоносителей в пучке. :
Наличие больших температурных перепадов по. трактам промежуточных
теплообменников требует также внимательного подхода к конструированию
всякого рода раздельных стенок и обечаек, на которых в стационарных
условиях может быть перепад температур до 200 °С и выше. Чтобы
предотвратить коробледие стенок и появление усталостных трещин, которые
могут образоваться от многократного повторения циклов подъема и снижения
мощности, стенки экранируются листами тепловой защиты из того же
конструкционного материала или создают специальный слой теплоизоляции в
виде газовых прослоек. В теплообменниках с «плавающей головкой» такой
стенкой является обечайка центральной опускной трубы, с одной стороны
которой протекает «холодный» натрий второго контура, а с другой —горячий
натрий первого контура. ,
Гидравлическое спротивлёние цромежуточных теплообменников составляет
значительную часть полного сопротивления на всасе насоса, которое при
данной компоновке ограничивается как значением допустимых колебаний
уровня в насосных баках, так и давлением на всасе насоса, необходимым
для обеспечения его кавитационных характеристик. Эти ограничения
касаются теплообменников в установках с баковой компоновкой оборудования
первого контура; при петлевой компоновке имеются большие возможности по
размещению реактора, насосов и теплообменников на разных высотных
отметках. Так, например, сопротивления [Теплообменников установок с
баковой компоновкой «Феникс» и БН-600 равны соответственно 4Ы02 Н/м2
(4,2 кПа) и 72,5*102 Н/м2 (15 кПа), Требование минимальных
гидравлических потерь по первому контуру в значительной степени
определяет конструкцию промежуточного теплообменника и ухудшает
теплообмен в трубном пучке.