ГИДРОДИНАМИКА КОТЛОВ С ЕСТЕСТВЕННОИ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Учебные вопросы: Работа контура с естественной циркуляцией. Расчет контура. Влияние ввода пароводяной смеси выше уровня воды в барабане. Критерии нарушения циркуляции. Уравнения движения и теплогидравлическая разверка .Общее уравнение движения. Коэффициенты, характеризующие разверку. Нивелирный напор и его влияние на разверку. Построение графиков теплогидравлической разверки.

Рис. 16. Контур с естественной циркуляцией

Простейший контур испарительной системы состоит из обогреваемой трубы, необогреваемой опускной трубы, соединительного коллектора и барабана, в котором происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду (рис. 16).

За счет подвода теплоты в какой-то точке по высоте подъемной трубы происходит закипание воды, в этом случае пароводяная смесь находится выше ее. За счет разности удельных масс воды и пароводяной смеси в опускной и подъемной трубах возникает движение воды вниз, а пароводяной смеси — вверх и устанавливается естественная циркуляция. Создаваемое при этом движущее давление затрачивается на преодоление сопротивлений в системе. Движущее давление циркуляции возникает за счет разности масс столбов воды и пароводяной смеси.

Давление столба пароводяной смеси ℓγ_см можно представить в виде суммы давлений столба воды и столба пароводяной смеси, Па,

ℓγ_см = ℓ_экγ' +ℓ_парγ_см, (7.1)

где γ_см - средний по длине паросодержащего участка трубы удельный вес пароводяной смеси (напорный удельный вес смеси), Н/м².

Учитывая, что общая высота контура состоит из экономайзерного и паросодержащего участков ℓ=ℓ_эк+ ℓ_пар (на рис. 2.1 h = h_эк+h_пар), из (7.1) получаем для движущего давления (напора), Па,

S =ℓ_пар(γ' – γ_см) (7.2)

Напорный удельный вес пароводяной смеси зависит от истинного объемного паросодержания смеси по длине трубы. Считая, что подвод теплоты обеспечивает равномерное возрастание паросодержания φ по длине трубы, имеем

γ_см = (1 — φ)γ' + φγ'' (7.3)

Тогда движущее давление, Па, определяется из выражения

S =ℓ_пар (γ' – γ''), (7.4)

где — среднее по всей трубе истинное объемное паросодержание.

Движущее давление преодолевает сопротивление в подъемных и опускных трубах, следовательно,

S= S_р.под+S_р.оп (7.5)

где S_р.под и S_р.оп —суммарные сопротивления в подъемных и опускных трубах, Па.

Разность движущего давления и сопротивления подъемной части циркуляционного контура составляет полезное давление, расходуемое на преодоление сопротивлений опускной части контура:

S_пол=S – Σр_под (7.6)

или

S_пол – Σр_под = 0. (7.7)

В котлах с естественной циркуляцией испарительные системы развивают по высоте и выполняют с малым отношением длины трубы к ее диаметру ℓ/d, равным примерно 200...400. При этом нивелирная потеря давления будет наибольшей и поток воды между параллельно включенными трубами будет распределяться почти пропорционально их тепловой нагрузке, определяющей удельный вес пароводяной смеси в подъемной обогреваемой трубе и, следовательно, движущее давление циркуляционного контура.

Экономайзерный и паросодержащий участки контура.

Вода, поступающая из барабана в опускную систему, обычно нагрета до температуры насыщения. Когда вода в экономайзере недогрета до этой температуры и поступает в барабан вблизи опускных труб, ее недогрев до кипения определяется величиной Δh_б кДж/кг,

Δh_б =(h' – h_эк)/к (7.8)

где h' и h_эк энтальпия воды при температуре насыщения и на выходе из экономайзера, кДж/кг; к = G_ц/D— кратность циркуляции в контуре, кг/кг.

Значение к в котлах высокого давления (до 14 МПа) составляет 14—6; среднего давления (до 8 МПа) — 30—65.

Общая высота контура ℓ может быть представлена в виде суммы участков с одинаковым тепловосприятием ℓ₁,ℓ₂,ℓ₃...ℓ_n входного участка до обогрева ℓ_до и выходного необогреваемого участка ℓ_по:

ℓ =ℓ_до +ℓ₁ +ℓ₂ +...+ℓ_по

Высота паросодержащего участка контура ℓ_пар зависит от высоты экономайзерный части подъемных труб ℓ_эк, к которой подводится тепловой поток Q_эк, необходимый для нагрева воды до температурного насыщения:

ℓ_пар=ℓ - ℓ_эк

Высота экономайзерного участка контура определяется из уравнения теплового баланса, которое представляет собой равенство теплоты, подводимой к экономайзерному участку, и теплоты, необходимой для подогрева воды до температуры насыщения в точке закипания.

Тепловой поток, кВт, необходимый для нагрева циркулирующей воды до начала испарения при давлении в барабане, когда Δh_б ≠ 0,

Q_б = G_ц Δh_б

где G_ц= w₀ρ'f — количество воды, циркулирующей в системе, кг/с; w₀ — скорость циркуляции, м/с; f- площадь проходного сечения подъемных труб, м²; ρ'— плотность воды при температуре насыщения, кг/м³

Парообразование начинается в некоторой точке трубы, где давление р_тз больше давления в барабане р_б и для закипания воды при давлении р_тз требуется подвести дополнительное количество теплоты, кВт,

Q_д = G_ц (р_тв — р_б), (7.9)

где — изменение энтальпии воды при повышении давления.

При определении давления в точке закипания р_т.з, МПа, надо учесть столб жидкости между уровнем в барабане и уровнем, соответствующим точке закипания, и потери на сопротивление, тогда

р_т.з = р_б + (ℓ_оп — ℓ_эк)γ'·10^-6 - Δр_оп·10^-6— Δр_эк·10^-6, (7.10)

где ℓ_оп — высота трубы опускной системы, м; Δр_оп и Δр_эк сопротивления опускных труб и экономайзерного участка, Па.

Сопротивление Δр_эк незначительно, и обычно при определении р_тз его можно не учитывать.

ЛЕКЦИЯ 7(25)

Тепловой поток, подведенный до точки закипания Q_т, кВт, если считать подвод теплоты по высоте первого участка трубы равномерным, составляет

Q_т = Q₁ (ℓ_эк - ℓ_до)/ℓ₁, (7.11)

где Q₁ — тепловосприятие первого участка, кВт, определяемое из тепловых расчетов циркуляционного контура; ℓ₁— его высота, м.

Общий тепловой поток Q, воспринимаемый испарительной поверхностью нагрева, определяется из теплового расчета. За счет этого теплового потока происходит образование насыщенного пара в количестве D, кг/с,

D = (Q - Q_эк)/r (7.12)

где r — теплота парообразования, кДж/кг.

В экранах котла плотность теплового потока неравномерна по периметру и высоте топки. Эта неравномерность характеризуется коэффициентами неравномерности обогрева стенок топки η_ст, экрана по высоте η_в и контура η_ш по ширине. При этом тепловой поток данного участка контура определяется по формуле

q_i = η_ст η_в η_ш q_ср (7.13)

где q_ср — средний тепловой поток в циркуляционном контуре. Обычно η_ст =0,7...1,2; η_в =0,7...1,2; η_ш = 0,7...1,3.

Тепловосприятие солевого отсека принимают пропорциональным лучевоспринимающей поверхности, кВт,

Q_с.о = Q^т_л(Н_л^с.о/Н_л^т)η_ст , (7.14)

где Н_л^с.о и Н_л^т — площади лучевоспринимающих поверхностей экранов соленого отсека и топки, м²

Тепловосприятие чистого отсека определяется из баланса теплоты испарительных поверхностей

Q_ч.о = Q^т_ст+ Q^ф_к + Q_к^и.п – Q_с.о (7.15)

где Q^ф_к и Q_к^и.п — конвективные тепловосприятия фестона и испарительного пучка, кВт; Q^т_ст — тепловосприятие испарительных поверхностей, расположенных в топке, кВт; Q_с.о - тепловосприятие солевого отсека, кВт.

Тепловосприятие рядов труб в испарительном пучке в котлах низкого и среднего давления различно. Лучистый тепловой поток на отдельные ряды труб Q_лi определяется с учетом угловых коэффициентов х.

Конвективный тепловой поток на трубы распределяется пропорционально температурному напору по рядам:

Q_i = Q_лi^и.пΔt_i/(εΔt_i). (7.16)

Суммарное тепловосприятие каждого ряда труб испарительного пучка

Q_i = Q_лi + Q_кi (7.17)

Уравнение теплового баланса экономайзерного участка трубы:

Q_б = Q_д + Q_т (7.18)

Подставляя в это выражение значения входящих в него величин и учитывая возможный подогрев воды в опускных трубах, получаем формулу для определения высоты - ℓ_эк, м,

(7.19)

где Δh_оп — возможное приращение энтальпии в опускных трубах.

Обычно закипание воды начинается на первом обогреваемом участке.

Схема расчета циркуляции. Целью расчета циркуляции в испарительной системе котла является определение скорости воды и пароводяной смеси. Испарительные системы состоят из ряда параллельно включенных элементов, объединяемых коллекторами и барабанами.

Циркуляционные контуры могут иметь последовательное или параллельное соединение отдельных обогреваемых участков.

Для контуров с последовательным включением участков полезное давление контура при циркулирующем в нем количестве воды G_ц равен

ΣS_пол = S_пол1+ S_пол2 + S_пол3+...+S_полi . (7.20)

Для контуров с параллельно включенными участками, например для испарительных поверхностей нагрева экрана с несколькими рядами труб, объединенных общим коллектором и барабаном (рис. 2.2), в каждом ряду устанавливается одинаковое полезное давление с общим количеством циркулирующей вод

G_ц = G_ц1+ G_ц2+ G_ц3+...+ G_цi (7.21)

Рис. 17. Циркуляционный контур экрана

Определить G_ц, в контуре можно по скорости циркуляции во входных участках подъемных труб, которые равны w₀, и их сечению. Следовательно, в начале расчета необходимо знать скорость циркуляций w₀, определение которой является итоговой целью расчета. Поэтому в начале расчета данного контура приходится ориентировочно задаваться несколькими значениями скорости циркуляции и далее строить гидравлические характеристики при этих значениях w₀, по которым графически и определяется истинное значение в данном контуре. Предварительные значения w₀, м/с, обычно принимаются следующими:

Рис. 18. Гидравлическая характеристика простого циркуляционного контура

Увеличение скорости циркуляции w₀ приводит к уменьшению полезного давления, так как увеличивается сопротивление опускных труб и снижается объемное паросодержание φ в них. Для циркуляционного контура, представленного на рис. 17, для принятых трех величин w₀ определяют три значения S_пол по формуле (7.16) и Δр по формуле (7.20), затем строят гидравлические характеристики контура - зависимости S_пол и Δр_оп от значений G, определяемых по данному значению w₀ (рис. 18). На пересечении кривых находится расчетная точка А, для которой S_пол=Δр_оп. Эта точка соответствует истинному значению G и истинному полезному давлению контура. По истинному значению G определяются действительная скорость циркуляции w₀ и кратность циркуляции контура к, кг/кг,

к = G_ц/D.

С увеличением тепловой нагрузки кратность циркуляции уменьшается.

Для испарительного пучка, состоящего, например, из трех рядов труб (рис. 19), определяется S_пол и Δр_оп для трех принятых значений, и строятся гидравлические характеристики для каждого ряда труб.

Рис. 19. Гидравлическая характеристика сложного циркуляционного контура

Затем, складывая G_ц для одинаковых значений S_пол отдельных рядов, строят суммарную кривую S^Σ_пол Расчетная точка А находится на пересечении кривых S^Σ_пол и Δр_оп причем Δр_оп одинаково для всех рядов труб, так как они соединяются общим коллектором и барабаном. Пересечение прямой, проведенной из точки А параллельно оси абсцисс, с кривыми полезных давлений для каждого ряда определяет расходы воды, циркулирующей через каждый ряд труб пучка. Зная G_ц1, G_ц2, G_ц3 находят скорость циркуляции в каждом ряду труб и общую кратность циркуляции.

При уменьшении нагрузки котла кратность циркуляции возрастает, так как движущее давление уменьшается в меньшей степени, чем сопротивление опускных труб. При паропроизводительности котла, равной 50 % номинальной, кратность циркуляции возрастает примерно в 1,6 раза.

После определения расходов G_ц в отдельных контурах и их элементах следует провести проверку правильности предварительно принятых в расчете скоростей циркуляции, расходов воды и сопротивлений, а также недогрева воды в барабане котла. Недостаточная кратность циркуляции указывает на большое сопротивление опускных труб контура и необходимость его уменьшения.

Надежность циркуляции.При однофазном потоке надежное охлаждение обогреваемых труб обеспечивается устойчивым движением среды при скорости, определяющей необходимое значение α₂. При двухфазном потоке для хорошей теплоотдачи от стенок труб необходимо непрерывное смачивание металла водой. Наличие непрерывно текущей водяной пленки на стенке испарительной трубы сохраняется при пузырьковой структуре двухфазного потока. Такая структура потока возникает при определенном предельном паросодержании х_кр и удельном тепловом потоке q_пр. Например, при давлении 10...14 МПа и плотности теплового потока q =700 кВт/м² х_кр = 0,5.

При высоком паросодержании и больших тепловых нагрузках возникает эмульсионная структура потока, при которой водяная пленка на поверхности трубы уменьшается и срывается. В этом случае необходимое значение α₂ может быть обеспечено за счет высоких скоростей потока.

Выполнение требований надежного охлаждения различных поверхностей нагрева усложняется гидравлической и тепловой неравномерностью работы параллельно включенных труб, связанных с рядом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации. В котлах с естественной циркуляцией при относительно малом паросодержании пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева основной причиной перегрева труб являются нарушения нормального гидравлического режима.