Теплогидравлические характеристики поверхностей нагрева парового котла.

Поверхности нагрева парового котла разделяются на три группы (рис.9.1): радиационные, полурадиационные, конвективные.

Радиационные поверхности нагрева расположены на стенках, поде и потолке топочной камеры, горизонтального газохода и конвективной шахты.

Полурадиационные поверхности (ширмы) располагаются в топке (в верхней ее части) и в горизонтальном газоходе (в особых случаях - в опускной шахте). Ширмы являются ступенью перегревателя и могут быть вертикальными или горизонтальными.

Конвективные поверхности в горизонтальном газоходе и в конвективной шахте выполняются с вертикальным и горизонтальным расположением труб.

Конструктивное выполнение поверхностей нагрева, их крепление, обмуровка и другие аналогичные вопросы рассматриваются в гл.2.

Испарительные поверхности барабанных котлов выполняются в топке в виде вертикальных панелей с подъемным движением, а у прямоточных котлов докритического давления, кроме того, можно делать горизонтальные и слабонаклоненные, но в них приходиться идти на большие массовые скорости для предотвращения расслоения пароводяной смеси. Панели с опускным движением потока при докритическом давлении не выполняются.

При сверхкритическом давлении высокий коэффициент теплоотдачи от стенки к водному теплоносителю (рабочей среде) α₂ можно обеспечить при вертикальном, горизонтальном и наклонном движении рабочей среды, но для горизонтальных труб и участков поверхности нагрева требуется более высокая скорость и панели с такими элементами не рекомендуется располагать в области высоких тепловых потоков, особенно при сжигании мазута. Кроме того, U-, П-, N-образные панели, как будет показано в данной главе, имеют меньшую гидравлическую устойчивость.

Важной характеристикой конструкции поверхности нагрева (элемента котла) является общая поверхность нагрева H _ЭЛ, а также поверхность нагрева каждой из труб H_m. Если в элементе параллельно включено n труб, то средняя поверхность нагрева одной трубы

В действительности, трубы элемента имеют различную длину L_m и, соответственно, разную поверхность нагрева Н_m. Отношение обогреваемой поверхности отдельной трубы Н_m к средней обогреваемой поверхности труб элемента Н_СР называется коэффициентом конструктивной нетождественности η_К

Площадь поверхности нагрева можно выразить через обогреваемую длину данной трубы L_m и через среднюю по конструктивному элементу L_СР площадь радиационной поверхности (9.3):

(9.3)

где х_m, х_СР - угловой коэффициент труб; S - шаг труб;

площадь конвективной поверхности

(9.4)

площадь полурадиационной поверхности

(9.5)

При

коэффициент

Коэффициент η_К » 1 у одноходовых вертикальных панелей, горизонтальной навивки, многоходовых панелей (с горизонтальными или вертикальными трубами), в конвективных змеевиковых поверхностях, где длина труб большая и отличие L_m и L_СР мало проявляется (h_K = 0,95…1,05 ). В U-, П-, L-образных панелях, горизонтальных ширмах конструктивная нетождественность значительна ( η_K = 0,8…1,2 и более). Следует иметь в виду, что при обводке труб вокруг горелок, лазов, лючков, взрывных клапанов их длина увеличивается. В этом случае коэффициент η_К рассчитывается для конкретных условий.

Неравномерности тепловосприятия панелей зависят от места их расположения. Например, горизонтальная навивка по схеме Рамзина (рис.9.1д) размещена на всех четырех стенах топки, и, следовательно, в ней сглаживаются неравномерности теплового потока по ширине стен и между стенами.

В вертикальной панели, расположенной по всей высоте топки, неравномерности тепловосприятия по высоте уменьшаются. Таким образом, чем больше размер поверхности нагрева панели, тем ближе к единице коэффициенты неравномерности (η_К, η _ш, и η_В), по которым определяется среднее удельное тепловосприятие элемента q_ЭЛ (см.гл.10), но при этом увеличивается разность удельных тепловосприятий отдельных труб в элементе q_m и коэффициент неравномерности тепловосприятия η_m = q_m/q_ЭЛ

По водному теплоносителю поверхности нагрева представляют собой параллельно включенные каналы, имеющие общие входные (раздающие) и выходные (собирающие) коллекторы. Гидравлический режим системы параллельных труб и каждой отдельной трубы в ней существенно отличается от гидравлического режима одиночной трубы.

На рис.9.2 изображена схема обогреваемого элемента из n труб.

На вход подается рабочая среда с энтальпией h_ВХ, давлением р₁. Расход среды через элемент (панель) G_ЭЛ. Средняя длина (высота) обогреваемой части L_СР, q_ЭЛ = q_СР - средняя плотность теплового потока. Суммарная поверхность нагрева (обогреваемая) - Н_ЭЛ.

Среднее приращение энтальпии среды в элементе Δh _ЭЛ определится из формулы (9.7)

(9.7)

В расчете на одну условную, усредненную трубу:

H_СР = H_ЭЛ/n

G_СР = G_ЭЛ/n

q_ЭЛ = q_CP

Приращение энтальпии среды в этой средней трубе (9.8)

(9.8)

Энтальпия среды на выходе (после собирающего коллектора) из элемента h_вых может быть определена по Δh _ЭЛ или по Δh_СР

Поэтому при анализе элемента котла (поверхности нагрева) пользуются понятием средней трубы, к которой относятся все средние данные элемента, хотя, фактически такой трубы в элементе может и не быть.

В действительности параметры работы каждой трубы в элементе отличаются от средних. Будем считать, что вторая труба слева (рис.9.2) находится в наиболее опасных температурных условиях - разверенная труба (см.§10.2). Поверхность нагрева разверенной трубы H_m = η_КH_СР тепловой поток q_m = η_mq _ЭЛ, энтальпия на входе h_ВХ. Давление на входе в разверенную трубу p_m^ВХ будет меньше давления среды на входе в раздающий коллектор р₁ на сопротивление движению среды в этом коллекторе

(9.9)

Сопротивление Δp_вых.к зависит от места подсоединения трубы к коллектору, т.е. для каждой трубы имеет свое значение, и, следовательно, давление на входе в трубы будет различаться. Аналогично на выходе из труб в собирающий коллектор давление также различно и зависит от сопротивления в этом коллекторе Δp^вых _m для разверенной трубы (9.10)

(9.10)

Перепад давления в разверенной трубе (9.11)

(9.11)

Давления р ₁ и р ₂ и их разность p ₁ - p ₂ = Δp_а относятся ко всему элементу и для всех труб остаются постоянными и одинаковыми величинами, а сопротивления во входном и выходном коллекторах зависят от расположения труб. Поэтому перепады давления в трубах Δp_m будут различаться. Для средней трубы элемента запишем выражение (9.12), аналогичное (9.11)

(9.12)

Формула (9.12) используется для расчета сопротивления поверхности нагрева Δp_а по сопротивлению средней трубы Δp_ЭЛ и среднему сопротивлению в коллекторах (9.13)

(9.13)

В параллельных трубах элемента перепад давления будет различным. Очевидно, это приведет к перераспределению рабочей среды между трубами и в каждой трубе установится свой расход среды G_i. Введем обозначения: расход среды в разверенной трубе G_m а в средней - G_СР . Отношение расхода среды в отдельной трубе к среднему расходу в элементе называется коэффициентом гидравлической разверки ρ_Г

(9.14)

а само это явление - гидравлической разверкой.

Для расчета ρ_Г необходимо знать зависимости Δp_m = f(G_m) и Δp _ЭЛ = f(G _ЭЛ) - зависимость между расходом рабочей среды G и перепадом давления Δp, возникающим при ее движении, называется гидравлической характеристикой трубы и выражается в виде Δp = f(G). Следовательно, анализ гидравлической разверки и ее расчет можно проводить по гидравлическим характеристикам разверенной и средней трубы.

Определим приращение энтальпии среды в разверенной трубе (9.15)

(9.15)

и энтальпию на выходе из трубы (9.16)

(9.16)

Отношение приращения энтальпии в отдельной трубе Δh _ЭЛ к среднему приращению в элементе Δh_m называется коэффициентом тепловой разверки ρ_q (9.17)

(9.17)

Преобразуем формулу (9.17), выразив Δh_m и Δh_ЭЛ через (9.15) и (9.7) получим (9.18)

(9.18)

Полученная зависимость показывает связь между коэффициентами тепловой и гидравлической разверок с учетом неравномерности тепловосприятия и конструктивной нетождественности.

Общий подход к анализу надежности работы поверхностей нагрева заключается в следующем: определяются трубы элемента, на которые приходятся максимальные значения η_К и η_m, и минимальные значения ρ_Г, для этих труб рассчитывают ρ_q, для трубы с наибольшей тепловой разверкой определяют температуру металла. Если максимальные значения η_К и η_m и минимальное значение ρ_Г приходятся на разные трубы, то значение ρ_q и температуру металла определяют для нескольких труб, выбирают трубу с наибольшей температурой и сравнивают с допустимой для металла.

При понижении нагрузки котла, нарушении гидравлического режима и в аварийных ситуациях необходимо обращать внимание не только на сильно обогреваемые трубы, но и на слабообогреваемые.