В испарительной системе парового котла

Глава 6. ГИДРОДИНАМИКА ПАРОВОГО КОТЛА

 

Условия надежной работы элементов парового котла

 

Для надежной работы поверхностей нагрева парового котла необходимо поддерживать на допустимом уровне температурный режим металла труб. Для каждой марки стали определена предельная температура, при превышении которой невозможна длительная безаварийная работа трубы. Надежность поверхности нагрева в целом всегда определяется надежностью работы каждой из труб, включенных в эту поверхность.

В водотрубных котлах наибольшую температуру имеет наружная поверхность труб, непосредственно контактирующая с продуктами сгорания топлива. Температура металла наружной поверхности трубы, ºC

,

(7.1)

где μ – коэффициент растечки тепла (μ = 0,85…1,00); β – отношение наружного диаметра рассчитываемой трубы ко внутреннему; q – тепловой поток от греющей среды рабочему телу, кВт/м²; t _р.т– температура рабочего тела в рассчитываемом сечении трубы, ºC; α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки рабочему телу, кВт/(м²·К); δ_отл, δ_ст – толщина слоя внутритрубных отложений и стенки трубы, м; λ_отл, λ_ст – коэффициент теплопроводности отложений и металла трубы, кВт/(м·К).

В целях поддержания допустимой температуры стенки трубы необходимо обеспечивать высокие значения коэффициента теплоотдачи от стенки рабочему телу.

Теплоотдача от стенок труб рабочему телу в котлах осуществляется конвекцией. При конвективном теплообмене величина коэффициента теплоотдачи в основном зависит от скорости потока среды. Скорость потока в поверхностях нагрева, где организуется прямоточное принудительное движение рабочего тела, зависит от нагрузки котельного агрегата. Поэтому минимальная нагрузка котла должна регламентироваться скоростью потока, которая может обеспечить достаточный отвод теплоты от поверхности нагрева рабочему телу и поддержание допустимого значения температуры стенки.

На величину коэффициента теплоотдачи от стенки нагреваемому рабочему телу оказывает значительное влияние режим течения пароводяной смеси, а именно распределение фаз и скорости по сечению трубы. Массовое паросодержание на выходе из труб испарительных поверхностей паровых котлов с естественной циркуляцией составляет не более 0,2 и температура стенки таких поверхностей лишь на 15…20 ºC выше температуры рабочего тела. В прямоточных паровых котлах паросодержание по длине труб возрастает в пределах 0 < x < 1. На участках труб, где массовое паросодержание невелико, стенки омываются водой и коэффициенты теплоотдачи достаточно велики. Поэтому температура стенки таких участков незначительно превышает температуру рабочего тела. Когда внутренняя поверхность трубы будет омываться паром, температура стенки резко возрастет. В горизонтальных трубах имеет место расслоение двухфазного потока по сечению трубы: вода движется в нижней части трубы, пар – в верхней. Причем, чем больше диаметр трубы, тем расслоение потока интенсивнее. Т.е. в таких трубах на верхней образующей коэффициент теплоотдачи ниже, чем на нижней, и в верхней части трубы может иметь место перегрев стенки.

 

Режимы, структура и характеристики потока рабочего тела

в испарительной системе парового котла

 

При движении кипящей жидкости могут иметь место четыре различные структуры потока (рис. 7.1).

При небольшом паросодержании и малой скорости пароводяной смеси в вертикальной трубе имеет место пузырьковая структура потока, при которой мелкие пузырьки пара относительно равномерно распределяются по сечению трубы.

 

Рис. 7.1. Структура потока пароводяной смеси в вертикальной и горизонтальной трубах: а – пузырьковая; б – снарядная; в – стержневая; г – эмульсионная; д – расслоение потока в горизонтальной трубе

 

При повышении паросодержания мелкие пузырьки объединяются в более крупные и занимают среднее сечение трубы. Такая структура потока носит название “снарядная”. Она неустойчива, а при давлениях, превышающих 10 МПа, не имеет место быть.

При дальнейшем увеличении паросодержания крупные паровые пузыри в среднем сечении трубы сливаются в сплошной поток, в котором распределены капельки воды. При этом по стенке движется сплошной поток воды, толщина которого уменьшается с ростом паросодержания и скорости потока. Такая структура потока называется стержневой.

При паросодержании более 90%, большой скорости пара и высоком давлении основная масса воды срывается со стенки и уносится в виде капель в потоке пара. На стенке остается тонкая пленка воды. Такую структуру потока называют эмульсионной.

Как видно из описанного выше, с увеличением паросодержания и соответственно скорости потока при прочих равных условиях пароводяная смесь проходит последовательно все формы движения от пузырьковой до эмульсионной. Наилучшие условия охлаждения стенки трубы обеспечиваются при пузырьковой структуре потока.

В горизонтальных трубах при больших скоростях паровая фаза занимает преимущественно среднюю часть трубы, а вода течет по периферии. При малых скоростях наблюдается расслоение потока: вода течет в нижней части трубы, а пар – в верхней (рис. 7.1, д).

Поток рабочего тела в элементах котла характеризуется следующими показателями.

Массовая скорость потока определяется как отношение массового расхода рабочего тела G в трубе к проходному сечению этой трубы f, кг/(м²·с)

.

(7.2)

Средняя скорость потока (пароводяной смеси) в данном сечении трубы представляет собой отношение объемного расхода рабочего тела к проходному сечению трубы, м/с

,

(7.3)

где υ_см=1/ρ_см – средний по сечению удельный объем пароводяной смеси, м³/кг.

Приведенная скорость – это скорость, с которой бы двигались пар или вода, если бы рассматриваемая фаза (пар или вода) занимала все сечение трубы, м/с]

; ,

(7.4)

где G ′, G ″ – массовый расход воды и пара, соответственно, кг/с; υ′, υ″ – удельный объем воды и пара, соответственно, м³/кг.

Массовый расход пароводяной смеси при этом равен, кг/с

.

(7.5)

Скорость, с которой бы двигалась вода при температуре насыщения через полное проходное сечение трубы, при массовом ее расходе, равном массовому расходу пароводяной смеси, называется скоростью циркуляции, м/с

.

(7.6)

Количество пара в пароводяной смеси, протекающей в трубе, характеризуется паросодержанием, представляющим собой отношение массы пара в пароводяной смеси к массе смеси

.

(7.7)

Средняя скорость потока (пароводяной смеси) может быть выражена через приведенные скорости воды и пара

(7.8)

или через скорость циркуляции

.

(7.9)

Отношение объемного расхода пара к объемному расходу пароводяной смеси называют объемным паросодержанием

.

(7.10)

Действительное распределение скоростей пара и воды в потоке характеризуется напорным паросодержанием, которое определяется как доля проходного сечения трубы, занимаемая паром,

,

(7.11)

где – части проходного сечения трубы, занимаемые водой и паром, соответственно; ω′, ω″ – действительные скорости соответственно воды и пара в пароводяной смеси, м/с.

Напорное паросодержание может быть выражено через x

.

(7.12)

Напорное паросодержание связано с объемным паросодержанием следующей зависимостью:

.

(7.13)

Коэффициент пропорциональности c характеризует отношение скорости пароводяной смеси к действительной скорости пара. [Этот коэффициент будет меняться с изменением давления, объемного паросодержания и скорости смеси. Величина его при давлении, меньшем критического, всегда несколько меньше единицы и возрастает с повышением давления. При критическом давлении коэффициент пропорциональности c равен единице.]