Расчет циркуляционного контура

Простейший контур испарительной системы (рис.89) состоит из обогреваемой подъемной трубы 1, необогреваемой опускной трубы 2, соединительного коллектора 3 и барабана 4, в котором происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду.

За счет подвода теплоты в какой-то точке (точка закипания) по высоте подъемной трубы происходит закипание воды и выше нее находится пароводяная смесь.

За счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах возникает движение воды вниз, а пароводяной смеси вверх и устанавливается естественная циркуляция. Создаваемый при этом движущий напор затрачивается на преодоление сопротивления в системе.

Расчет простого циркуляционного контура сводится к определению движущего напора (Р_дв) и гидравлического сопротивления в опускных и подъемных трубах, а также к определению полезного напора контура (ΔР_пол).

Рис. 89. Циркуляционный контур экрана:

1 - подъемная труба; 2 – необогреваемая опускная труба;

3 - соединительный коллектор; 4 – барабан

Движущий напор циркуляции составляет

Р_дв = h_пол g ρ_в – (h_необ g ρ_в + h_эк g ρ_в + h_пвс g ρ_пвс) , Па.

Полная высота контура складывается из высоты необогреваемого участка (h_необ), экономайзерного участка (h_эк) и высоты участка, где образуется пароводяная смесь h_пвс

h_пол = h_необ + h_эк + h_пвс ,

следовательно

Р_дв = h_пвс g (ρ_в - ρ_пвс) , Па .

Таким образом, движущий напор зависит от высоты обогреваемого участка, высоты экономайзерного участка и от разности плотностей воды и пароводяной смеси. При увеличении давления в котле движущийся напор естественной циркуляции снижается, так как уменьшается разность (ρ_в - ρ_пвс). При критическом давлении Р_кр=22,5 МПа ρ_в = ρ_пвс и движущийся напор отсутствует. Поэтому котлоагрегаты с естественной циркуляцией применяются до давлений пара менее 14,0 МПа.

Гидравлический расчет циркуляционного контура сводится к определению сопротивления в опускных и подъемных трубах. В общем случае сопротивление складывается из потерь напора на местные сопротивления и сопротивление трения.

Местные сопротивления

ΔР_м = ζ h_д , Па ,

где ζ - коэффициент местных сопротивлений (например: поворот, сужение сечения и т.д.); - динамический напор, где w - скорость воды или пароводяной смеси, м/с (скорость воды находится в пределах 1,5-3,5 м/с); ρ – плотность воды или пароводяной смеси, кг/м³.

Сопротивление трения

, Па ,

где λ – коэффициент трения; l – длина (высота) участка, м; d_э – эквивалентный диаметр (d_вн), м .

Тогда потери напора в опускных трубах

ΔР_оп = Σ ΔР_м + ΔР_тр , Па ,

а в подъемных

ΔР_под = (Σ ΔР_м + ΔР_тр)_в + (Σ ΔР_м + ΔР_тр)_пвс , Па ,

т.е. в подъемных трубах отдельно рассчитывается сопротивление экономайзерного участка и паросодержащего участка.

Движущий напор в циркуляционном контуре затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в опускных и подъемных трубах

Р_дв = ΔР_оп + ΔР_под , Па .

Разность движущего напора и сопротивления подъемной части циркуляционного контура составляет полезный напор, расходуемый на преодоление опускной части контура

Р_пол = Р_дв - ΔР_под = ΔР_оп , Па .

При гидравлическом расчете предварительно принимается несколько значений скорости циркуляции во входных участках подъемных труб w_о = 0,6-1,5 м/с и строятся графические характеристики при этих значениях (рис.90). На пересечении кривых находится расчетная точка А , для которой Р_пол = ΔР_оп .

По истинному значению скорости w определяется расход воды, циркулирующей в контуре D_в = ρ_в w f_жс и кратность циркуляции К = D_в / D_п , т.е. отношение количества воды, циркулирующей в контуре, к количеству пара, содержащегося в пароводяной смеси на выходе из контура за 1 ход. Кратность циркуляции можно также представить как К = 1/х , где х – паросодержание пароводяной смеси.

Для котлов с давлением Р_пе ≤ 4,0 МПа кратность циркуляции находится в пределах К = 20-30; Р_пе= 4,0-10,0 МПа → К = 10-18; Р_пе = 14,0 МПа → К = 6-8.

Рис. 90. Гидравлическая характеристика простого циркуляционного

контура

Сложный циркуляционный контур

Сложный циркуляционный контур (рис. 91) состоит из несложных простых циркуляционных контуров, имеющих одно или более общих звеньев. К сложным контурам относятся также пучки труб, имеющие различную длину и неравномерный обогрев.

Рис. 91. Сложный циркуляционный контур:

1 – барабан; 2 – опускной стояк; 3,4 – опускные трубы бокового и

заднего экранов; 5,6,7 – нижние коллектора фронтового, бокового

и заднего экранов; 8,9,10 – подъемные трубы фронтового, бокового

и заднего экранов; 11 – фестон; 12,13 – верхние коллектора

бокового и заднего экранов; 14,15 – пароотводящие трубы бокового

и заднего экранов

Циркуляционные контуры фронтового и боковых экранов имеют общий элемент - опускной стояк, поэтому этот контур будет сложным.

Расчет сложного циркуляционного контура выполняется аналогично и ведется по отдельным контурам.