Гидравлическая характеристика опускных труб контура циркуляции

В современных паровых котлах опускные трубы делаются без обогрева, с хорошей тепловой изоляцией, поэтому их теплообмен с окружающей средой близок к нулю и не учитывается. В этом случае температура воды в опускных трубах и энтальпия h_ОП по высоте изменяться не будут. Поскольку h_ОП близка к энтальпии насыщения, плотность воды ρ_ОП будем считать равной ρ'. При h_ОП = const Δp_УСК=0.

Вода в опускные трубы попадает из барабана с энтальпией h_ОП, давление в паровой части барабана p_Б (рис.9.39). Под воздействием гидростатического столба воды (нивелирного напора) давление в барабане повышается, и на входе в опускные трубы нивелирный напор составит

(9.102)

а в нижнем коллекторе

(9.103)

Скорость вертикального движения воды в барабане мала, поэтому ∆p_Г^Б ≈ 0. На входе в опускные трубы скорость воды резко возрастает, что требует затраты энергии на ускорение потока. С учетом местного сопротивления (сопротивления входа) потери давления на входе в опускные трубы составляет

(9.104)

Давление на входе в опускные трубы

(9.105)

Давление в нижнем коллекторе

(9.106)

(9.107)

где Z_ОП - суммарный коэффициент сопротивления в опускной трубе.

По уравнению состояния энтальпия воды на линии насыщения h' однозначно зависит от давления. Поэтому, по высоте опускных труб энтальпия насыщения hў_ОП будет изменяться эквидистантно изменению давления (рис.9.39). Действительная энтальпия воды в опускных трубах зависит от режима работы экономайзера и барабана. Вода, поступающая из барабана в опускные трубы, может быть недогрета до энтальпии насыщения по давлению в барабане hў_Б Недогрев в барабане Dh^Б_НЕД определяется из теплового и материального баланса барабана

(9.108)

где h_ЭК - энтальпия воды за экономайзером.

Недогрев воды в барабане зависит от кратности циркуляции K_Ц и энтальпии воды за экономайзером.

Кратность циркуляции в отдельных контурах котлов высокого давления (p = 8…14 МПа) составляет К_Ц = 6…14, сверхвысокого (p = 14…18,5 МПа) - К_Ц =5…8. Повышение энтальпии за экономайзером h_ЭК уменьшает недогрев в барабане. В котлах с кипящим экономайзером недогрев воды в барабане равен нулю. То же - в солевых отсеках котла и в случае подачи всей питательной воды на паропромывочное устройство в чистом отсеке барабана (при этой схеме вода на паро-промывочном устройстве дополнительно нагревается до насыщения за счет теплоты промываемого пара).

Недогрев воды по ходу ее движения в опускной трубе увеличивается за счет роста давления р_ОП и h'_ОП. В нижнем коллекторе недогрев составит

(9.109)

В рассмотренном случае по всей высоте опускной трубы ∆h_НЕД > 0 остается однофазной, плотность ее постоянна, не зависит от расхода воды. Постоянной величиной будет и нивелирный напор ∆p^ОП_НИВ = ∆p*_НИВ (рис.9.40). Гидравлическая характеристика опускной трубы ∆p_ОП = ∆p*_ОП + ∆p_НИВ^ОП получается однозначной. При малых расходах (G_Ц < G₀) перепад давления ∆р_ОП = р_Б - р_Н.К отрицателен, т.к. р_Н.К > р_Б, а при G_Ц > G₀ положителен. Расходу G₀ соответствует w⁰_ОП порядка 10 м/с. Скорость в опускных трубах котлов w_ОП = 1…3 м/с, т.е. w_ОП < w⁰_ОП и всегда р_Н.К > р_Б

В опускных трубах может появиться пар за счет закипания воды на входе в опускные трубы, сноса пара из барабана и затягивания паровых воронок, образующихся в барабане.

Вскипание воды на входе в опускные трубы (явление кавитации) может произойти, если давление на входе в опускные трубы р_ВХ < р_Б а h'_ВХ < h_Б. При ∆h^Б_НЕД= 0 (h_ОП = h'_Б) это означает, что h'_ВХ < h_ОП и вода будет испаряться.

Вскипание воды на входе в опускные трубы не допускается, т.е. должно быть обеспечено р_ВХ > р_Б. Из (9.105) видно, что это условие соблюдается при выполнении неравенства

(9.110)

или

(9.111)

Воронкообразование в барабане может возникнуть при малой высоте слоя жидкости над опускными трубами. Минимальная высота уровня воды в барабане для опускных труб диаметром до 200 мм составляет 400…500 мм. При установке на входе в опускные трубы разного типа решеток и крестовин, минимальная высота уменьшается в 2 раза. Современные мощные котлы имеют барабаны с внутренним диаметром 1600…1800 мм, уровень воды 700…800 мм, что создает достаточный запас по недопущению воронкообразования.

Снос пара из барабана потоком воды в опускные трубы может происходить при близком расположении ввода пароотводящих труб в барабан от входа в опускные трубы. Если вода, направляющаяся в опускные трубы, имеет скорость больше скорости всплывающих пузырьков пара, то может захватить часть из них с собой и унести в опускные трубы. Для предотвращения захвата пара водой вход в опускные трубы должен быть расположен от выхода пароотводящих труб на расстоянии не менее 250…300 мм, между ними при необходимости следует ставить перегородки.

В современных котлах внутрибарабанные устройства выполняются таким образом, что снос пара практически отсутствует, среднее истинное паросодержание в опускных трубах = 0,02…0,03. Такое количество пара при конденсации нагревает воду в опускных трубах на ∆h_СН = 5…8 кДж/кг.

Появление пара в опускных трубах отрицательно сказывается на их работе и работе всего контура циркуляции: увеличивается сопротивление движению потока ∆p*_ОП, снижается нивелирный напор, так как уменьшается плотность среды

На рис.9.40 пунктиром показаны кривые (∆p*_ОП)сн, (∆p^НИВ_ОП)сн, (∆p_ОП)сн, учитывающие снос пара в опускные трубы. Наличие небольшого количества пара в опускных трубах не опасно.