УСЛОВИЯ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЛА
Для надежной работы котла необходимы непрерывный отвод теплоты от поверхностей нагрева и поддержание температуры металла в допустимых пределах при всех возможных режимах работы котла. Температура стенки поверхности нагрева, оС
(4.1)
где tрт — температура рабочего тела в данной поверхности нагрева, °С; q — тепловой поток от греющей среды к рабочему телу, Вт/м2; δст и λст - толщина и теплопроводность стенки, м и Вт/(м∙К); α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к рабочему телу, Вт/(м2∙К); β—отношение наружного диаметра к внутреннему; μ— коэффициент растечки теплоты по сечению трубы, вызываемой неравномерностью ее обогрева по периметру. Для углеродистой стали марки 20 предельно допустимая температура стенки 450°С. Для стали 12Х1МФ — 585 оС, а стали 1Х18Н12Т — 640 °С
Из формулы (4.1) следует, что при данных значениях tрт, δст, λст и β температура стенки зависит от удельной тепловой нагрузки и коэффициента теплоотдачи от стенки к рабочему телу. Повышение тепловой нагрузки приводит к уменьшению площади поверхности нагрева и поэтому всегда целесообразно.
Рис. 9. Влияние нагрузки котлов на скорость воды и пароводяной смеси:1 — естественная циркуляция, высокое давление; 1’ — естественная циркуляция, низкое давление; 2— многократно-принудительная циркуляция; 3 — прямоточное движение
Таким образом, для поддержания приемлемой температуры стенки необходимо стремиться к увеличению α2, который в основном зависит от скорости потока рабочего тела.
Массовая скорость рабочего тела в элементах котла зависит от нагрузки, а испарительных поверхностей нагрева — и от организации движения пароводяной смеси.
В экономайзерах и пароперегревателях котла вода и пар движутся принудительно, однократно и массовая скорость определяется только нагрузкой и возрастает при ее увеличении. При естественной циркуляции в испарительных поверхностях нагрева и низком давлении скорость пароводяной смеси с ростом нагрузки резко увеличивается, а затем после достижения максимального значения почти стабилизируется вследствие увеличения гидравлического сопротивления при возрастающем паросодержании. При высоком давлении скорость нарастает медленно и при малой нагрузке может не обеспечить требуемого охлаждения труб экранов. Растопка на скользящих параметрах исключает этот недостаток. В прямоточных котлах скорость пропорциональна нагрузке. При малой нагрузке скорость может оказаться недопустимо низкой и снижение ее приходится ограничивать примерно 30 % номинальной. В котлах с многократной принудительной циркуляцией в испарительных поверхностях нагрева скорость почти не зависит от нагрузки. Влияние нагрузки на массовую скорость воды и пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева показано на рис. 9.
На коэффициент теплоотдачи α2 при парообразовании помимо скорости существенно влияет и режим течения пароводяной смеси, т. е. распределение фазовых концентраций по сечению, степень диспергирования фаз, поле скоростей и т. п
В испарительных поверхностях нагрева котлов с естественной циркуляцией массовое паросодержание на выходе из трубы менее 20 % и tст на 15—20 °С выше, чем tрт. В прямоточных котлах паросодержание по длине труб проходит все значения в пределах 0<x<1. На участках труб, когда значение х сравнительно невелико, α2=50...150 кВт(м2∙К) и tст близко к tрт. При некотором паросодержании xкр, зависящем от давления и интенсивности обогрева, наблюдается резкое повышение температуры стенки.
Рис. 10. Начальная граница области ухудшенных режимов теплообмена в вертикальных трубах при Q /V=700 кВт/м2
Следовательно, при всех режимах движения потока с ограниченным паросодержанием поверхность нагрева омывается водой, что обеспечивает активное охлаждение стенки. При определенном граничном паросодержании нарушается структура потока, водяная пленки срывается или испаряется, а капли влаги могут и не достигать поверхности. Ухудшение теплообмена наступает раньше достижения xкр вследствие более высокого давления в пленке, снижающего ее поверхностное натяжение, и при более интенсивном обогреве трубы, ускоряющем испарение влаги.
Начальная граница области ухудшенных режимов теплоотдачи для вертикальных труб при qv = 700 кВт/м2 показана на рис. 10.
При р > 18 МПа ухудшенный теплообмен распространяется и на экономайзерный участок. В эксплуатации место перехода в область ухудшенного температурного режима по длине испарительной трубы перемещается, что может привести к тепловой усталости металла.
Рис. 11. Температура стенки трубы при расслоении пароводяной смеси в зависимости от угла от нижней образующей трубы:
1 — р = 11 МПа; 2 – р =18 МПа; 3 — р = 22,4 МПа
Для уменьшения амплитуды колебания температуры металла ограничивают температурный напор между стенкой и потоком пароводяной смеси в области ухудшенного теплообмена Δt < 80оС за счет обеспечения достаточной скорости потоков. В пароперегревателе теплоотдача от стенки к перегретому пару ниже, чем от стенки к пароводяной смеси, и Δt =(tст – tрт) значительно выше. Однако при соответствующей скорости пара надежность работы металла труб пароперегревателя может быть обеспечена. Внутренний теплообмен в испарительных горизонтальных трубах малого диаметра мало отличается от теплообмена в вертикальных трубах.
При диаметре горизонтальной трубы более 15 мм даже при равномерном обогреве ее по периметру теплообмен несимметричен. На верхней образующей трубе α2 существенно ниже, чем на нижней, что связано с неравномерным распределением воды и пара по сечению трубы. В пределе с верхней образующей поверхностью контактирует пар, с нижней—вода. В результате расслоение пароводяной смеси вызывает перегрев верхней образующей трубы (рис.11).
Коэффициент теплоотдачи для горизонтальных и слабонаклонных труб испарительных поверхностей нагрева, Вт/(м2∙К), αгор = αверт∙0,02/d.
На температурный режим горизонтальных труб сильное влияние оказывает их диаметр, с увеличением которого интенсифицируются расслоение потока пароводяной смеси и интенсивность обогрева. Чем интенсивнее обогрев, тем более важно обеспечить охлаждение верхней поверхности труб за счет большей скорости потока.
В области сверхкритического давления теплообмен ухудшается, так как энтальпия пароводяной смеси в слое, прилегающем к стенке, выше, чем в основном потоке. Для поддержания допустимой температуры стенки необходимо, чтобы qдопгор< qдопверт. Неравномерность температуры стенки по сечению наблюдается также и в изгибах труб с пароводяной смесью, что связано с центробежным эффектом потока (рис. 12).
Рис. 12. Распределение температуры по сечениям нижнего гиба парогенерирующей трубы при q=197 кВт/м2, р= 14 МПа: 1—ωρ=520 кг/(м2 с); 2—ωρ=1860 кг/(м
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 1677;