Естественная циркуляция

Парообразующие трубы котла, обогреваемые снаружи горя­чими продуктами сгорания, должны непрерывно охлаждаться изнутри движущейся в трубах водой или пароводяной смесью.

При остановке такого движения (застое) или даже снижении ско­рости может возникнуть неудов­летворительный отвод теплоты от стенок труб и, как следствие, пережог металла труб.

Непрерывное движение воды и пароводяной смеси по опуск­ным и подъемным трубам, замы­кающимся на водяной и парово­дяной коллекторы, называется естественной циркуляцией. Про­цесс естественной циркуляции характеризуется такими поня­тиями, как контур циркуляции, кратность циркуляции, скорость циркуляции, недогрев до кипе­ния и др.

Рассмотрим работу простей­шего контура циркуляции. Схема простейшего контура с естествен­ной циркуляцией воды и паро­водяной смеси приведена на рис. 4.4. Замкнутый циркуляцион­ный контур состоит из двух рядов труб: левого ряда 4, обогре­ваемого теплотой , в трубах которого кипит вода и образуется пароводяная смесь, и правого необогреваемого ряда 2, трубы которого заполнены водой в состоянии, близком к кипению. Ряды труб введены в коллекторы: верхний пароводяной 1 и нижний водяной 3.

Рис. 4.4. Схема простейшего цир­куляционного контура

В левом обогреваемом ряде труб из-за кипения воды обра­зуется пароводяная смесь, плотность которой меньше плот­ности воды в правом необогреваемом ряде . В результате этого на плоскость I – I, проходящую через нижний коллектор, слева давит столб смеси, заполняющей обогреваемые трубы, а справа – столб воды, заполняющей необогреваемые трубы. Создавшаяся разность давлений, или движущий напор, вызовет движение в контуре. В обогреваемых трубах левого ряда 4 па­роводяная смесь будет подниматься, а в необогреваемых тру­бах правого ряда 2 вода начнет опускаться. В контуре устано­вится естественная циркуляция воды и смеси.

На рис. 4.4 высота опускных труб обозначена . Подъем­ные трубы имеют две характерные высоты: начальную, назы­ваемую высотой экономайзерного участка , и последующую, называемую высотой паросодержащей части . На экономайзерном участке обогреваемого ряда вода при движении вверх нагревается и закипает. Поэтому высоту экономайзерного уча­стка подъемных труб часто называют высотой точки закипания.

Пароводяная смесь, двигаясь вверх, поступает в пароводя­ной коллектор, где пар отделяется от воды. Отделившаяся вода смешивается с непрерывно поступающей питательной водой и направляется в правый ряд, двигаясь по нему вниз. В резуль­тате устанавливается круговое движение. Круговое движение в контуре, или циркуляцию, обеспечивает движущий напор, ко­торый представляет собой разность давлений, создаваемых стол­бом воды в опускных трубах и столбом пароводяной смеси в подъемных. Выражение для движущего напора аналогично вы­ражению для естественной тяги (самотяги) и имеет вид, Па,

,

(4.18)

где		–	ускорение свободного падения, = 9,81 м/с2 ;
		–	плотность воды в опускных не обогреваемых трубах, кг/м3 ;
		–	средняя по высоте трубы плотность пароводяной смеси, кг/м3.

В установившемся круговом движении движущий напор расходуется на преодоление сопротивлений в подъемных и опускных трубах, следовательно,

.

(4.19)

Часть движущего напора за вычетом гидравлического сопро­тивления в подъемных трубах называется полезным напором

,

(4.20)

который расходуется на преодоление сопротивления в опускных трубах. Из (4.19) и (4.20) следует, что

.

(4.21)

Уравнение (4.21) называется основным уравнением цирку­ляции,

Гидравлическое сопротивление в опускных трубах мож­но определить по формуле

.

(4.22)

В подъемных трубах величину можно определить по формуле (4.22), но с заменой и на и соответ­ственно. Зная и , можно рассчитать полезный на­пор .

Теперь на примере работы подъемных труб познакомимся с кратностью циркуляции.

В установившемся режиме работы котла в трубы подъемного ряда из нижнего водяного коллектора входит вода, а из труб выходит пароводяная смесь. Расход пара, образовавшегося в трубах , кг/с, в несколько раз меньше расхода воды , кг/с, поступающей в трубы подъемного ряда. Отношение рас­хода воды, циркулирующей в трубах подъемного ряда, к рас­ходу пара, образовавшегося в трубах этого ряда, называется кратностью циркуляции ряда

.

(4.23)

Подъемные ряды имеют разный обогрев, в них поступает разное количество воды и образуется разное количество пара. Поэтому каждый подъемный ряд имеет свое значение крат­ности циркуляции. В рядах, расположенных ближе к топке, об­разуется больше пара, поэтому в них кратность циркуляции меньше, чем в рядах слабо обогреваемых.

Кроме понятия кратности циркуляции ряда существует по­нятие общей кратности циркуляции всего котла

,

(4.24)

где		–	суммарный расход воды, циркулирующей во всех подъемных трубах котла, кг/с;
		–	полная паропроизводительность котла, кг/с.

Физический смысл кратности циркуляции состоит в том, что она показывает число полных оборотов воды в контуре, совер­шаемых до тех пор, пока полностью не превратится в пар. Крат­ность циркуляции рядов, расположенных вблизи топки, = 4 ÷ 10; для всего котла = 40 ÷ 60.

Остановимся на понятии скорость циркуляции. Скоростью циркуляции называется скорость воды на входе в трубы подъемного ряда. Следовательно, м/с,

,

(4.25)

где		–	площадь сечения труб подъемного ряда, м2 ;
		–	плотность воды (можно брать на линии насыщения), кг/м3.

По значению судят о надежной работе подъемных труб. Снижение опасно: оно ведет к уменьшению отвода теплоты от стенок труб движущейся водой. В судовых котлах скорость циркуляции должна быть = 0,3 ÷ 1,5 м/с. Более высокие значения относятся к подъемным трубам, имеющим высокие тепловые нагрузки.

Важной характеристикой циркуляции является недогрев до кипения, который имеет место в барабанах, в опускных трубах и на экономайзерном участке. Рассмотрим недогрев до кипения в верхнем барабане , с которым вода входит в опускные трубы, Дж/кг или кДж/кг.

Из рис. 4.4 видно, что в водяную полость пароводяного барабана поступает питательная вода, как правило, из экономай­зера. Поэтому ее энтальпию можно обозначить (за эконо­майзером). Обычно воду в экономайзерах не нагревают до ки­пения, так что – (125 ÷ 350) кДж/кг, где – энталь­пия кипящей воды при давлении в верхнем барабане.

В водяную полость верхнего барабана из подъемных труб поступает пароводяная смесь. При этом пузырьки пара всплы­вают, и пар собирается в паровой полости над зеркалом испа­рения. Отделившаяся от смеси кипящая вода с энтальпией смешивается с водой, поступающей из экономайзера, и направ­ляется в опускные трубы. Следовательно, в опускные трубы по­ступает смесь кипящей и некипящей воды, имеющей недогрев до кипения , равный

,

(4.26)

то есть = 3 ÷ 6 кДж/кг.

При движении воды по опускным трубам ее давление воз­растает на величину гидростатического столба воды, так что недогрев до кипения при движении воды вниз увеличивается.