ТРУБА ФИЛЬДА
FIELD PIPE

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, а именно к трубам Фильда для высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратов, например для прямоточных парогенераторов ядерных энергетических установок с нагревающим жидкометаллическим теплоносителем (например, сплав свинца с висмутом).
Уровень техники
Известна труба Фильда (патент JP 58184498, опубликован 27.10.1983), содержащая внутреннюю трубу с навитой на нее проволокой и наружную трубу, охватывающую внутреннею трубу. Проволока обеспечивает, в частности, интенсификацию теплообменных процессов в потоке теплоносителя, протекающего в трубе Фильда. Однако эта конструкция неэффективна при использовании в прямоточном парогенераторе, в частности, из-за нежелательного паразитного теплообмена между теплоносителем в канале внутренней трубы (например, нисходящим потоком питательной воды) и теплоносителем в канале (например, восходящим потоком перегретого пара), образованным внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы. Это паразитный теплообмен уменьшает температуру перегретого пара на выходе кольцевого канала, что, в конечном счете, приводит к снижению технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей парогенератор.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является труба Фильда (Патент RU №50290, опубликован 27.12.2005) прямоточного парогенератора ядерной установки, содержащая опускную трубу, промежуточную трубу, установленную на ней с зазором, наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего (внешнего) теплоносителя. Недостатком данной конструкции является, в частности, недостаточно высокая интенсивность теплоотдачи между внутренней поверхностью наружной трубы и соприкасающимся с ней потоком внутреннего теплоносителя. Это снижает эффективность образования перегретого пара в случае использования указанной трубы Фильда в прямоточном парогенераторе, что ведет к снижению технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей парогенератор.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технико-экономических показателей ядерной энергетической установки, использующей прямоточный парогенератор с трубами Фильда. В частности, она состоит в увеличении температуры перегретого пара, вырабатываемого парогенератором.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно: повышение коэффициента теплоотдачи между внутренней поверхностью наружной трубы (нагретой внешним теплоносителем) и соприкасающимся с ней потоком внутреннего теплоносителя, а также уменьшение паразитного теплообмена между теплоносителем в канале внутренней трубы (например, нисходящим потоком питательной воды) и теплоносителем в канале (например, восходящим потоком перегретого пара), образованным внешней поверхностью внутренней трубы и внутренней поверхностью внешней трубы.
На указанные технические результаты оказывают влияние следующие существенные признаки трубы Фильда.
Труба Фильда прямоточного парогенератора содержит опускную трубу, промежуточную трубу, установленную с зазором на опускной трубе, и наружную трубу с внешней поверхностью, омываемой потоком нагревающего теплоносителя, причем зазор содержит теплоизоляционный материал, в нижней торцевой части зазора размещен герметизирующий элемент, на внешней поверхности промежуточной трубы расположен спиральный элемент, выполненный с возможностью интенсификации теплообменных процессов между нагревающим теплоносителем и внутренним теплоносителем в трубе Фильда.
Труба Фильда может содержать в верхней торцевой части зазора дополнительный герметизирующий элемент. Теплоизоляционный материал может быть выбран из группы или смеси материалов, включающих пар и воду. Теплоизоляционный материал может быть газом. На промежуточной трубе могут быть сформированы поперечные гофры, выполненные с возможностями компенсации разности температурных удлинений опускной и промежуточной труб и дистанционирования промежуточной трубы. Глубина гофр на промежуточной трубе может быть меньше ширины зазора, а внутренняя труба содержать дистанционирующий элемент. Дистанционирующий элемент может представлять собой продольные ребра, соприкасающиеся с вышеуказанными гофрами, или проволоку, закрепленную на торцах опускной трубы. Спиральный элемент может быть выполнен в виде спирально навитого проволочного элемента с диаметром, равным или меньше ширины зазора между внешней и промежуточной трубами, и шагом навивки h=(0,5÷50)D, где D - наружный диаметр промежуточной трубы.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показан вариант конструкции трубы Фильда с дополнительным герметизирующим элементом в верхней торцевой части зазора и гофрированной промежуточной трубой.
На Фиг.2 показан поперечный разрез трубы Фильда для варианта трубы Фильда по Фиг.1.
На Фиг.3 показан вариант конструкции трубы Фильда с дистанционирующим элементом в виде проволки, закрепленной на торцах опускной трубы.
На Фиг.4 показан поперечный разрез трубы Фильда для варианта трубы Фильда по Фиг.3.
Осуществление изобретения
В предлагаемом изобретении устройство - труба Фильда является основным узлом парогенератора, производящего перегретый пар. В состав трубы Фильда входят наружная труба 2, омываемая потоком нагревающего теплоносителя, промежуточная труба 3, установленная с зазором 6 на опускной трубе 4. Зазор 6 содержит теплоизоляционный материал и, соответственно, является теплоизолирующим зазором. Герметизирующий элемент 1 размещен в нижней торцевой части зазора 6 между опускной 4 и промежуточной трубами 3. Дополнительный герметизирующий элемент размещают в верхней торцевой части зазора 6 между наружной 2 и промежуточной 3 трубами. Спиральный элемент 5 размещен на внешней поверхности промежуточной трубы 3. Дистанционирующий элемент 7 закреплен на торцах опускной трубы 3. Трубные доски парогенератора 8 образуют канал для перегретого пара, выходящего из трубы Фильда.
Выполнение промежуточной трубы 3 с поперечными гофрами с заданными расчетными или эмпирически заданными размерами (глубиной) обеспечивает компенсацию разности температурных удлинений опускной 4 и промежуточной труб 3. Кроме того, такие гофры обеспечивает дистанционирование промежуточной трубы по отношению к опускной трубе. Спиральный элемент 5 выполнен в виде спирально навитого проволочного элемента с диаметром, равным или меньше ширины зазора между внешней и промежуточной трубами, и шагом навивки h=(0,5÷50)D, где D - наружный диаметр промежуточной трубы. Шаг навивки выбирается из заданного диапазона и выбран экспериментальным путем подбора оптимальных условий теплообмена.
Устройство функционирует следующим образом (см. Фиг 1, 3). Внутренний теплоноситель (питательная вода на входе опускной трубы 4) опускается вниз по опускной трубе теплообменной трубы Фильда прямоточного парогенератора. Далее поток внутреннего теплоносителя поворачивает у закрытого конца наружной трубы 2 на 180° и по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы 2 поднимается вверх. При подъеме вверх внутренний теплоноситель нагревается из-за передачи ему тепла со стороны нагревающего (внешнего) теплоносителя через стенки наружной трубы.
При движении вверх внутренний теплоноситель нагревается с превращением в пароводяную смесь, переходящую в перегретый пар, в результате теплопередачи, от нагревающего теплоносителя. В нижней зоне подъема (по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы 2) теплоноситель представляет собой жидкость с частицами пара внутри. Далее при подъеме теплоноситель представляет собой пар с каплями воды (средняя зона). И наконец, в верхней зоне подъема образуется перегретый пар (пар, не содержащий капель воды), поступающий в канал с трубными досками 8.
При взаимодействии со спиральным элементом 5 поток внутреннего теплоносителя закручивается, его скорость увеличивается, соответственно растет коэффициент теплоотдачи (от стенки наружной трубы 2 к внутреннему теплоносителю) и происходит интенсификация тепловых процессов, обеспечивающих формирование перегретого пара. Такой эффект действует в нижней и верхних зонах подъема. В средней зоне интенсификация теплообмена происходит за счет действия центробежной силы (возникающей при закручивании капель воды в паре из-за взаимодействия их со спиральным элементом) на капли воды в потоке пара, которая также ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи.
Наличие теплоизолированного зазора 6 препятствует нежелательному радиальному теплообмену между проходящей вниз по опускной трубе 4 питательной воды и формирующейся пароводяной смесью, поднимающейся по зазору между наружной и промежуточной трубами. Это, в конечном счете, также ведет к более эффективному формированию пара.
Предложенная конструкция трубы Фильда может быть изготовлена промышленным способом и использована в высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратах типа прямоточных парогенераторов.