6. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОТЛА
6.1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Самотяга в газоходах котла. Аэро- и газодинамические характеристики определяются сопротивлениями воздушного и газового трактов котла. Для преодоления сопротивлений, возникающих при непрерывном движении воздуха и газов, образующихся в процессе горения топлива, должна быть создана движущая сила (напор и разрежение). При установившемся режиме работы котла движущая сила уравновешивается сопротивлениями воздушного и газового трактов. Движущая сила может быть создана воздушным вентилятором, дымососом или тем и другим одновременно. Вентилятор обеспечивает искусственное дутье, а дымосос - искусственную тягу. В утилизационных котлах движущая сила создается за счет избыточного давления отработавших газов двигателя.
Естественная сила тяги, развиваемая в газоходах котла, называется самотягой. Ее значение зависит от плотности окружающего воздуха и дымовых газов, а также геометрической высоты рассчитываемого участка газохода.
Уравнение для определения самотяги на i-m участке имеет вид |
|
|
hci |
= Hi (pB − pri )g |
(6.1) |
|
|
|
где Hi - высота рассчитываемого участка газохода, м;
pB и pri - плотность окружающего воздуха и дымовых газов на данном участке газохода при |
||
соответствующих температурах tB и tri кг/м3; |
|
|
g - ускорение свободного падения (9,81 м/с3). |
|
|
Самотяга для всего котла |
|
|
i=n |
i=n |
|
hC = ∑hci |
= ∑H i (pB − pri )g |
(6.2) |
i=1 |
i=1 |
|
где n - число отдельных участков газового тракта котла; Hi - соответствующая высота (рис. 6.1), м.
Среднюю температуру tri необходимую для определения плотности газов Рri можно рассчитать как полусумму их температур на входе в рассматриваемый участок газохода и на выходе из него.
Рис. 6.1. Схема воздушно-газового тракта котла с жидким отоплением.
В судовых котлах для расчета самотяги допустимая точность может быть обеспечена, если всю высоту газохода разделить на три участка (см. рис. 6.1): HДТ = H1 + H2 + H3, которые характеризуются сравнительно небольшими изменениями плотности газов в пределах рассматриваемого участка (H1 - высота агрегата на участке пароводяного тракта; H2 - высота хвостовых поверхностей; H3 - высота с постоянной температурой уходящих газов). Полная высота дымовой трубы HДТ равна расстоянию от центра нижней форсунки до среза дымовой трубы. Принципиальная схема воздушно-газового тракта, приведенная на рис. 6.1, может быть использована и в том случае, когда воздух от вентилятора подводится не непосредственно к воздухоподогревателю, а в двойную обшивку котла. Для главных и вспомогательных котлов морских судов HДТ = 20 - 25 м ее выбирают в соответствии с общей характеристикой судна.
Современные судовые котлы всегда имеют искусственное дутье. У таких агрегатов самотяга компенсирует в основном сопротивления газового тракта полностью (если газовые сопротивления
исамотяга равны) или частично (если газовые сопротивления больше самотяги). Реже газовые сопротивления оказываются меньше самотяги. В таком случае самотяга компенсирует полностью сопротивления газового тракта и частично - воздушного. Последний случай встречается сравнительно редко, так как современные морские котлы имеют высокий КПД, что требует снижения температуры уходящих газов до минимально допустимого значения (примерно до 125 - 160 °С при нормальной нагрузке). В этих условиях самотяга, как правило, не превышает 10даПа.
Основное требование, предъявляемое к вентилятору, состоит в том, чтобы он развивал подачу
исоздавал напор, достаточный для преодоления сопротивлений воздушного тракта на всех режимах работы. У котла с мазутным отоплением, для работы которого устанавливают, как правило, только вентилятор, сопротивление по газовой стороне может оказаться больше самотяги (особенно, если конструкцией воздухоподогревателя предусмотрено горизонтальное расположение труб). В этом случае напор вентилятора расходуется на преодоление сопротивлений воздушного тракта и на создание избыточного давления в топке, равного разности газовых сопротивлений и самотяги. Избыточное давление в топке может достигать 30 - 75 даПа, а иногда и более.
Изложенные соображения по самотяге следует учитывать при выполнении аэродинамического расчета и выборе тягодутьевых устройств.
Сопротивления в воздушном и газовом трактах. При движении воздуха и газов возникают два вида сопротивлений: сопротивления трения и местные.
Вгазовом тракте общие сопротивления трения обусловливаются непосредственным трением движущихся газов о стенки поверхностей нагрева, а местные сопротивления вызываются изменением направления движения газов (на рис. 6.1 повороты I-IV). В воздушном тракте сопротивления трения создаются вследствие трения воздуха о стенки труб воздухоподогревателя и воздухоподводящих каналов.
Местные сопротивления обусловливаются изменением формы воздушных каналов и направления движения воздуха. Кроме того, к местным сопротивлениям воздушного тракта относится сопротивление топочного устройства, которое оказывает существенное влияние на эффективность работы и зависит в основном от совершенства воздухонаправляющих устройств. Для морских котлов ВНУ топочных устройств с высоким сопротивлением мало пригодны в связи с тем, что в этом случае повышается расход энергии на работу вентилятора и снижается общая экономичность энергетической установки судна. При проектировании эти величины выбирают на основании опытных данных по топочным устройствам, проверенным длительной эксплуатацией.
Для определения сопротивления трения используют расчетные зависимости двух основных типов, которые обусловливаются характером смывания (поперечного или продольного) поверхностей потоком воздуха и газов.
Сопротивления при поперечном омывании трубчатых поверхностей. Расчетные зависимости, необходимые для определения сопротивлений, устанавливают экспериментальным путем с использованием теории подобия. Для данного случая в лабораторных условиях зависимость между
критериями Эйлера ЕИ = pw∆p2 = pwh 2 и Рейнольдса Re = wdv .
Eu = C Ren |
(6.3) |
или |
|
h = C Ren pw2 |
(6.4) |
где ∆p = h - сопротивление пучка труб, Па;
р - плотность потока газов или воздуха, кг/м3; w - средняя скорость потока, м/с;
С, п - определяемые экспериментально коэффициенты, характеризующие компоновку пучка;
d - наружный диаметр труб,м.
Формула (6.4) одинаково справедлива для всех компоновок пучков, составленных как из гладких труб, так и из труб с ребрами и плавниками. Для перечисленных пучков различными будут лишь коэффициенты С и n, которые зависят от геометрических параметров пучка: относительных
шагов σ1 |
= |
s1 |
и σ2 |
= |
s2 |
числа рядов труб z2 и их расположения в пучке (шахматного или кори- |
|
d |
d |
||||||
|
|
|
|
|
дорного). Для пучков, составленных из труб с ребрами, коэффициенты С и n зависят также от высоты ребер и расстояния между ними. Значения коэффициентов в формуле (6.4) определяют опытным путем.
Расчетные формулы для различных элементов парового котла выводят в основном по данным отечественных исследователей В. М. Антуфьева, Л. С. Козаченко, Н. В. Кузнецова и др. На основе этих исследований выполнена работа "Аэродинамический расчет котельных установок (Нормативный метод)", которая позволяет составить расчетные зависимости применительно к судовым котлам.
Для случая поперечного обтекания пучка труб формула (6.4) может быть представлена в виде
|
n |
|
w2 |
w2 |
|
|
h = 2C Re |
|
pПОТ |
|
= ξpПОТ |
|
(6.5) |
|
2 |
2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
где pПОТ - плотность движущейся среды (газов или воздуха), отнесенная к температуре потока tПОТ, кг/м3;
ξ - коэффициент сопротивления пучка (ξ = 2CRen);
w - средняя скорость потока газов или воздуха в сжатом сечении пучка, м/с.
Таким образом, для использования формулы (6.5) при аэродинамическом расчете необходимо выбрать коэффициент ξ, значение которого зависит от расположения и числа рядов труб в пучке, критерия Рейнольдса. Для расположения труб в пучке коридорного и шахматного получим соот-
ветственно |
|
ξ = ξ0 z2 ; ξ = ξ0 (z2 +1) |
(6.6) |
где ξо - коэффициент сопротивления одного ряда пучка; z2 - число рядов труб в пучке.
Коэффициент сопротивления одного ряда труб ξо зависит от числа Рейнольдса и геометрических характеристик пучка труб σ1, σ2 и φσ, определяемых по формуле (5.30).
Для шахматного расположения труб в пучке
ξ |
0 |
= C |
S |
Re −0,27 |
|
|
(6.7) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
При 0,14 < фσ < 1,7 и σ < 2 поправочный коэффициент |
|
|
|
|||||
CS = 3,2 + (4,6 − 2,7φσ )(2 −σ1 ) |
|
|
(6.8) |
|||||
при σ1 > 2 величина Cs = 3,2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при 1,7 < фσ < 5,2 (тесный пучок) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CS = 0,44(φσ +1)2 |
−1) |
(6.9) |
||||
Для коридорного расположения труб в пучке при σ1 ≤ σ2 и 0,12 ≤φ = |
(σ |
|
||||||
1 |
≤1 |
|
||||||
(σ2 − 2) |
|
|||||||
ξ0 =1,52(σ1 −1)−0,5φ−0,2 Re−0,2 |
|
|
(6.10) |
|||||
при σ1 < σ2 и 1,0 < φ ≤ 8 |
|
|
0,2 |
|
−0,5 |
−0,68 |
− |
|
|
Re |
φ2 |
(6.11) |
||
ξ0 = 0,32(σ1 −1) |
(φ −0,9) |
|
|
Если поток омывает трубный пучок под углом менее 900 (косое смывание), то полученные по уравнению (6.5) результаты увеличивают на 10 %. Для гладкотрубных шахматных пучков по уравнениям (6.5), (6.6) построены номограммы и графики поправочных коэффициентов СЗ и Cd (см. приложение, рис. П. 2.1, о-в и П. 2.2, а, б), что позволяет определить сопротивление h, Па.
Сопротивления при продольном смывании трубчатых поверхностей. Этот вид сопротивления возникает при движении воздуха или газов в трубах воздухоподогревателей и в воздушных каналах. В общем случае сопротивление трения при продольном смывании
h = λТР |
l |
pПОТ |
w2 |
(6.12) |
dЭ |
2 |
|
где l - длине трубы или канала, м; dЭ - эквивалентный диаметр, м
Для круглых труб dЭ = dBH, для каналов, имеющих прямоугольное поперечное сечение,
d"Э = |
4F |
= |
2ab |
|
u |
a +b |
|||
|
|
где F - площадь живого сечения, м2;
u - полный периметр сечения канала, м; а, b - поперечные размеры канала, м
Коэффициент сопротивления трения при движении среды в каналах зависит от числа Рей-
|
dЭ |
|
|
|
|
нольдса потока и степени шероховатости k стенок: λТР Re Ж , |
k |
|
|
|
Влияние шероховатости k на λТР проявляется при различных режимах течения среды по - разному. Обычно различают четыре режима течения: ламинарный (ReЖ ≤ 2300); гладкостенный тур-
булентный (4000 < ReЖ < 20 dkЭ ); доквадратичный турбулентный ( 20 dkЭ < ReЖ < 500 dkЭ ); квад-
ратичный турбулентный (ReЖ > 500 dkЭ ).
При ламинарном и гладкостенном турбулентном режимах коэффициент сопротивления трения не зависит от шероховатости и определяется соответственно:
λТР = |
64 |
; |
λТР = |
0,316 |
(6.13) |
|
0,316 |
||||||
Re Ж |
||||||
|
|
|
Re Ж |
|
При доквадратичном турбулентном режиме течения коэффициент сопротивления трения зависит от числа Re и шероховатости:
|
k |
|
68 |
|
0,25 |
|
+ |
|
(6.14) |
||
λТР = 0,11 |
|
|
|
|
|
dЭ |
|
Re Ж |
|
||
В автомодельной области (квадратичный турбулентный режим) течения коэффициент сопротивления трения не зависит от числа Re
|
|
k |
|
0,25 |
|
λ = |
|
|
(6.15) |
||
|
|||||
ТР |
0,11 |
|
|
|
|
|
dЭ |
|
|||
Формулы (6.13) - (6.15) получены на основе обобщения результатов многочисленных экспериментов. В научной литературе приводятся и другие эмпирические зависимости для λТР которые позволяют с большей или меньшей точностью определять коэффициент сопротивления трения в
тех или иных диапазонах изменения Re и k. Все эти зависимости получены в условиях изотермических процессов. В случае теплообмена между стенкой и потоком в уравнения (6.13) - (6.15) вво-
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
дят дополнительный множитель |
|
|
|
.Так как загрязнения поверхностей нагрева увели- |
|
|
|
0,5 |
|
||
|
|
ТСТ |
|
|
|
|
|
|
|
+1 |
|
|
|||||
|
ТЖ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
чивают их сопротивление, то в формулу (6.12) вводят множитель 1,3.
Для расчета h при движении воздуха или газов в трубах воздухоподогревателя удобнее пользоваться номограммой (см. приложение, рис. П. 2.3, а, б) для определения сопротивления длины l трубы.
Местные сопротивления. Обусловлены сопротивления деформациями потока в сужениях и расширениях каналов, на входе и выходе потока из каналов, в клапанах, диафрагмах, тройниках, при поворотах потока и т. п. Определяют местные сопротивления по общей формуле (6.5) независимо от того, имеется теплообмен или нет. Коэффициент сопротивления здесь ξ обозначается ξМ. Коэффициенты местных сопротивлений определяют только на основе специальных экспериментов. В справочной литературе по гидравлическим расчетам, а также в нормативном методе аэродинамического расчета котельных агрегатов приводятся в виде таблиц и графиков данные по ξМ для различных видов местных сопротивлений. Здесь приведем лишь данные по коэффициентам сопротивления поворотов каналов и ВНУ. Так, при повороте каналов на 180, 90 и 450 соответственно ξПОВ = 2; 1 и 0,5. Сопротивление топочных устройств обычной конструкции колеблется в пределах 50-150 даПа в зависимости от их технического совершенства и размеров котлов.
По приведенным формулам можно разработать алгоритм аэродинамического расчета с использованием вычислительной техники. Для выполнения расчетов вручную более удобно использовать номограммы, построенные по уравнениям (6.5), (6.6), (6.12) с учетом (6.8) - (6.15). Номограммы приведены в нормативах.
Суммарное сопротивление воздушно-газового тракта. Рассчитанные по соответствующим формулам сопротивления трения и местные сопротивления позволяют определить суммарное полное аэродинамическое сопротивление воздушно-газового тракта котла с жидким отоплением и полное газодинамическое сопротивление утилизационного котла.
Аэродинамическое сопротивление необходимо для выбора номинального напора вентилятора. Кроме того, зная аэродинамическое сопротивление, можно оценить разрежение либо избыточное давление в топке (для обычных агрегатов без наддува), а также в любой другой точке воздушногазового тракта, где это необходимо. Полное аэродинамическое сопротивление hK обычно определяют для всего воздушно-газового тракта (с учетом самотяги hc). Оно должно преодолеваться за счет напора, создаваемого вентилятором.
Расчетная формула для этого сопротивления
hk = hB + hr − hc |
(6.16) |
где hB и hг - суммарные аэродинамические сопротивления соответственно воздушного и газо вого трактов;
hc - самотяга
Избыточное давление в топке hT возникает при hr - hc > 0, т. е. hT = hr - hc а разрежение hPT бу-
дет, если hr - hc < 0, т.е. hPT = hc - hr.
Если рассчитанное значение hT получается значительным, необходимо либо выполнить иную компоновку поверхностей нагрева и газоходов, чтобы уменьшить сопротивление газового тракта hr, либо предусмотреть установку дымососа, который должен развивать полезный напор (разреже-
ние) hКД, достаточный для преодоления сопротивления, |
(6.17) |
hКД = hr − hc + hPT |
Если в топочное устройство входят форсунки с вращающимся распылителем, при нормальной нагрузке сопротивление hPT, должно составлять менее 10 даПа, чтобы обеспечивать необходимые условия при чистке распылительного стакана.
Для электродвигателей вспомогательных механизмов современных транспортных судов применяют переменный ток. Это позволяет повысить КПД электродвигателей и уменьшить их размеры и массу. Однако в этом случае для механизмов, требующих по условиям работы широкого диапазона регулирования мощности, необходимо применять электродвигатели с несколькими ступенями скорости (частотой вращения). К таким механизмам относятся и вентиляторы, электродвигатели которых выполнены с двумя или (реже) тремя ступенями скорости. Подачу вентиляторов на промежуточных нагрузках между отдельными ступенями скорости регулируют с помощью дроссельных заслонок, устанавливаемых в воздушном тракте со стороны всасывания или нагнетания вентилятора.
В современных установках эти дроссельные заслонки обычно связаны с серводвигателем воздушного дутья системы автоматического регулирования процесса горения. Регулирующие заслонки размещают обычно на стороне всасывания вентилятора, что способствует снижению мощности вентилятора примерно на 15 - 20 % по сравнению с расположением их на стороне нагнетания. Такой эффект объясняется тем, что регулирующие заслонки создают оптимальное направление потока воздуха, поступающего во всасывающую часть лопаток рабочего колеса вентилятора.
Заслонки, устанавливаемые во всасывающей части вентилятора (12 - 18 шт.) являются основным элементом регулирующего аппарата. Число вентиляторов для судовой установки обычно равно числу котлов.
Обслуживание установки и автоматизация процесса горения упрощаются в случае независимого включения вентилятора на каждый котел. При этом всегда предусматривают возможность работы каждого из установленных вентиляторов на любой котел.
Иногда в установках с двумя котлами устанавливают три вентилятора, из которых в нормальных условиях эксплуатации в работе находятся два, а третий - резервный. В некоторых установках для одного главного котла предусматривают два вентилятора -рабочий и резервный.
Мощность, развиваемая двигателем вентилятора, зависит от нагрузки котла, которая определяет требуемые давление и расход воздуха. Мощность, определяющая расход энергии на работу вентилятора для любой заданной установившейся нагрузки котла,
NB = |
H |
B |
BαV 0 |
|
t |
B |
+ 273 |
(6.18) |
|
|
ηB |
|
|
|
273 |
||
|
|
|
|
|
|
|
где HB - шпор вентилятора, расходуемый на преодоление сопротивления воздушно-газового тракта и соответствующий сопротивлению согласно формуле (6.17);
В - расход топлива, кг/с;
ηB - полный КПД вентилятора (в соответствии с данными практики для современных типов судовых вентиляторов равен 0,75 - 0,8);
tB - действительная температура воздуха, всасываемого вентилятором, °С.
Номинальную мощность двигателя вентилятора рассчитывают исходя из условия обеспечения требуемых давления и расхода воздуха при максимальной нагрузке котла, а также с учетом необходимых эксплуатационных запасов. Для определения этой мощности можно использовать формулу, аналогичную (6.18):
NHB = |
kУТ k p H НВQHB |
(6.19) |
|
ηB |
|||
|
|
где кУТ = 1,05 - 1,1 - коэффициент, учитывающий утечки воздуха от вентилятора до топочного устройства;
kp = 1,15 - коэффициент, учитывающий увеличение мощности для обеспечения дроссельного регулирования подачи вентилятора при максимальной нагрузке котла;
HHB = hkmax - номинальное давление вентилятора, расходуемое на преодоление сопротивления воздушно-газового тракта при максимальной нагрузке котла (рассчитывают по тем же формулам, что и hк). кПа;
QHB - номинальная подача вентилятора, соответствующая максимальной нагрузке котла, м 3/с.
В некоторых случаях номинальную мощность вентилятора NHB приходится оценивать по данным аэродинамического расчета или изменений, произведенных во время эксплуатации или теп-
лотехнических испытаний при нормальной нагрузке котла. В этом расчете NB определяют по формуле (6.18), в которую будут входить HB, В и α, соответствующие рассматриваемой нормальной нагрузке котла. Номинальная мощность вентилятора в этом случае
N |
H |
= k 3 k |
k |
p |
N |
B |
(6.20) |
|
B УТ |
|
|
где kB = Вшах/B - коэффициент, учитывающий перегрузку и равный отношению расходов топлива соответственно при максимальной и нормальной нагрузках котла (обыч-
но kB = 1,3 - 1,45).
Номинальные значения мощности NHB напора HHB и подачи QHB а также значения ηB являются исходными параметрами для выбора вентилятора. При этом должны быть обеспечены оптимальные характеристики его при нормальной нагрузке котла, которая соответствует обычному режиму работы пароэнергетической установки.
В утилизационных котлах газодинамические сопротивления их элементов преодолеваются за счет избыточного давления отработавших газов дизеля или ГТУ.
Полное газодинамическое сопротивление утилизационных котлов hТД необходимо рассчитывать в связи с тем, что оно лимитируется условиями эксплуатационной эффективности дизеля или ГТУ по их выпускному газовому тракту.
6.2. ПРОЦЕССЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ И ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В КОТЛЕ
Общие сведения. Большинство процессов в работе котла в той или иной степени характеризуют его экономичность. Естественная циркуляция отличается от остальных процессов тем, что она не влияет на экономичность, а характеризует только надежность котла (точнее - устойчивость рабочего процесса котла). Отсюда вытекает основное требование к процессу естественной циркуляции - во всем диапазоне возможных нагрузок котла должно обеспечиваться надежное охлаждение парообразующих элементов (т. е. температура металла элементов должна поддерживаться в пределах, допустимых из условий прочности). Эта задача не имеет промежуточных решений, она должна быть выполнена хорошо либо не решена совсем. Методы решения задачи базируются на результатах экспериментов и теоретических исследований. Наибольшие успехи в этой области достигнуты в ЦКТИ имени И. И. Ползунова, где разработаны метод проверки работоспособности котла и рекомендации по расчету циркуляции и оценке факторов, определяющих надежность циркуляции.
Процесс естественной циркуляции неразрывно связан с процессом парообразования, характеристики которого определяют показатели надежности циркуляции.
Процесс парообразования. Кипение - процесс образования пара внутри объема жидкости.. Для поддержания процесса парообразования к воде подводится теплота через твердую стенку. Различают кипение в большом объеме (или кипение на твердой поверхности в условиях свободного движения жидкости в неограниченном пространстве) и кипение при вынужденном течении в трубах. Первый вид характерен для огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов, в которых основное количество пара образуется при кипении на поверхностях жаровых труб, топочных камер, огневых патрубков и камер, а также дымогарных труб.
При кипении в большом объеме в зависимости от поверхностной плотности теплового потока q могут наблюдаться два режима кипения: пузырьковый и пленочный. Это стационарные режимы, протекающие при q = const. Им всегда сопутствуют два переходных режима: в начале парообразования наблюдается режим поверхностного кипения, а в момент перехода от пузырькового к пленочному кипению - переходный режим. Оба эти режима кратковременны и при кипении в большом объеме не играют существенной роли.
Механизм парообразования представляется следующим. Так как температура воды непосредственно у твердой поверхности выше, чем в объеме, то при подводе теплоты она достигает температуры кипения раньше, чем прогреется вся вода. Образующиеся пузырьки пара отрываются от поверхности и попадают в воду с температурой ниже температуры насыщения tS где они конденсируются, отдавая теплоту воде. При этом резко возрастает коэффициент теплоотдачи α2. После прогрева всей воды образовавшиеся пузырьки пара уже не конденсируются и при q = const режим
кипения становится пузырьковым с достаточно высоким значением α2.
При повышении поверхностной плотности теплового потока количество пузырьков, образующихся на единице площади поверхности, возрастает. Они начинают сливаться, образуя сначала большие плоские пятна пара на стенке, а затем и сплошную паровую пленку, отделяющую воду от поверхности. Наступает пленочный режим кипения, при котором резко снижается коэффициент теплоотдачи α2. Это явление называется кризисом кипения, а соответствующая началу пленочного кипения тепловая нагрузка q - критической плотностью теплового потока qKP. При резком снижении α2 охлаждение поверхности ухудшается настолько, что возможны перегрев и разрушение металла стенки.
При проектировании котлов обязательно должно выполняться условие: на всех режимах работы котла (с учетом возможного накипеобразования) должно быть обеспечено q < qKP. При кипении чистых жидкостей, нагретых по всему объему до температуры tS, на вертикальной плоской поверхности больших размеров и вертикальной цилиндрической поверхности средняя критическая плотность, Вт/м2,
qKP = 0,1r(pП )0,5 [σg(pЖ − pП )]0,25 |
(6.21) |
где r - теплота парообразования, Дж/кг; рп, рж - плотности пара и воды, кг/м3;
σ - коэффициент поверхностного натяжения воды, Н/м.
По формуле (6.21) проверяют кризис кипения в жаровых трубах, топочных камерах, огневых патрубках и камерах огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов.
Кипение при вынужденном течении в трубах по физической сущности не отличается от кипения в большом объеме. В трубах также возможен кризис кипения (здесь он называется кризисом I рода) при увеличении тепловой нагрузки до qKP!, когда пузырьковый режим кипения переходит в пленочный. Экспериментальные данные по значению qKP1 для труб диаметром 8 мм табулированы в зависимости от давления и массовой скорости потока и приводятся в справочной литературе. Здесь важно отметить, что судовые водотрубные котлы проектируют таким образом, что тепловые нагрузки Q поверхностей нагрева самых теплонапряженных труб обычно в 1,5 - 2 раза меньше qKP1 при любых режимах работы котла в нормальных условиях эксплуатации. Однако даже при таких тепловых нагрузках в трубах котла возможны кризисные явления, связанные с режимами течения пароводяной смеси, которые отрицательно влияют на надежность котла.
Механизм кипения в вертикальных и слабонаклонных обогреваемых трубах представляется следующим. В трубу входит вода, недогретая до кипения. На начальном участке (называемом экономайзерным) происходит подогрев воды до кипения. При больших тепловых нагрузках в конце экономайзерного участка возникает поверхностное кипение, которое достаточно быстро переходит в пузырьковое. Пузырьки пара, имея меньшую плотность, чем вода (р' < р") всплывают, увлекая за собой воду. В этом физическая сущность естественной циркуляции
Основными характеристиками вынужденного движения пароводяной смеси в трубах являются: плотность воды р' и пара р", массовое расходное паросодержание х, представляющее собой отношение массового расхода пара к массовому расходу пароводяной смеси, скорость циркуляции w0 равная скорости воды на входе в трубу, и истинные скорости пара w" и воды w' (или их отноше-
ние, называемое фактором скольжения).
Взависимости от паросодержания х, которое возрастает по длине трубы, в вертикальных трубах могут наблюдаться четыре режима течения пароводяной смеси.
Вначале участка пузырькового кипения пузырьки пара диаметром 1 - 3 мм всплывают каждый
вотдельности, не сливаясь (рис. 6.2, а). При этом скорости пузырьков пара и массы воды практически одинаковы. Этот режим течения, называемый пузырьковым, наблюдается при малых паросодержаниях (х ≤ 0,15).
Сувеличением паросодержания до 0,3 - 0,4 отдельные пузырьки в центре трубы сливаются в крупные пузыри ("снаряды"), скорость движения которых несколько больше скорости воды (имеет место проскальзывание). Этот режим течения называют снарядным.
При дальнейшем возрастании х и, следовательно, скорости пароводяной смеси "снаряды" могут распадаться на пузыри диаметром 3 - 10 мм и равномерно смешиваться с водой (пароводяная эмульсия), обусловливая так называемый эмульсионный режим течения.
При паросодержании х > 0,45 - 0,5 вторичные пузырьки снова сливаются, и пар занимает все ядро потока, а вода движется в виде пленки у стенки трубы и одиночных капель в паре. Этот ре-
жим течения называют дисперсно-кольцевым (или стержневым).
Следует отметить, что переход от снарядного режима к стержневому возможен и без промежуточного эмульсионного режима: "снаряды" удлиняются, сливаются и естественным образом появляется паровой стержень.
Рис. 6.2. Режимы течения пароводяной смеси в трубах
а – вертикальных (I – пузырьковый, II – снарядный, III – эмульсионный, IV – дисперсно-кольцевой, V – дисперсный)
б – горизонтальных (I – расслоенный, II – волновой, III – пузырьковый, IV – снарядный, V – эмульсионный, VI – поршневой, VII – дисперсно-кольцевой, VIII – дисперсный).
Скорость движения пара в стержневом режиме значительно превышает скорость воды в пленке. При этом на поверхности водяной пленки образуются и растут волны, гребни которых срываются потоком пара и уносятся в виде капель воды. Во всех этих режимах течения коэффициент теплоотдачи α2 очень большой и по длине трубы (т. е. от режима к режиму) изменяется незначительно.
При дальнейшем движении пароводяной смеси вдоль обогреваемой трубы и увеличении паросодержания до х = 0,6 - 0,8 водяная пленка настолько утончается, что стенка трубы начинает высыхать и режим течения становится дисперсным, при котором вода распределена в виде малых капель (тумана) в паровой фазе. Начало высыхания водяной пленки называют кризисом II рода, при котором резко снижается коэффициент теплоотдачи α2 и возрастает температура металла трубы, что может привести к ее перегреву и разрушению. Характеристикой кризиса II рода является
граничное паросодержание xrp0 значение которого может быть оценено по эмпирической формуле:
xrp0 =10,4 p0,15 (pw)−0,42 |
(6.22) |
Формула справедлива для давлений 0,6 < р ≤ 5 МПа и массовых скоростей pw = 500 - 2000 кг/(м2·с) для труб диаметром 6 - 20 мм. Значения xrp0 для других условий можно найти в справоч-
ной литературе.
Более сложными являются режимы течения в горизонтальных и наклонных (под малым углом к горизонту) трубах (рис. 6.2, б). Специфика течения в горизонтальном канале состоит в том, что здесь всегда наблюдается значительная несимметричность в распределении фаз (воды и пара) по сечению трубы. В горизонтальных трубах, кроме характерных для вертикальных труб режимов течения, наблюдаются еще поршневой (перемежающийся), волновой и расслоенный режимы течения пароводяной смеси. Как и в вертикальных трубах, в горизонтальных также наблюдается
кризис II рода, но при меньших значениях xrp0 Последнее делает кризис II рода более опасным
прежде всего для утилизационных котлов с принудительной циркуляцией и прямоточных котлов и парогенераторов. Кроме того, для горизонтальных труб опасными являются поршневой, расслоенный и волновой режимы течения. При расслоенном режиме температура металла в районе верхней
образующей трубы намного (на 30 - 80 °С) выше температуры металла в нижней части (вследствие худшего теплообмена между паром и стенкой в верхней части трубы). Это обусловливает появление дополнительных постоянно действующих температурных напряжений в металле трубы, что может стать причиной ее разрушения. При поршневом и волновом режимах течения внутренняя поверхность трубы поочередно омывается водой и паром, вследствие чего в оксидной пленке на поверхности металла появляются знакопеременные термические напряжения, вызывающие ее растрескивание и, как результат, интенсификацию коррозии с водяной стороны.
Сложность явлений, обусловливающих формирование режимов течения в горизонтальных трубах, не позволяет установить четкие границы. их возникновения, поэтому на практике обычно
используют эмпирические данные по xrp0 для тех или иных конкретных условий кипения в трубах
(эти данные приводятся в справочной литературе). Для качественной оценки режимов течения в горизонтальных трубах часто используют диаграмму Шихта.
Рис. 6.3. Схема циркуляционных контуров экрана и конвективного пучка труб.
Взаключение следует отметить, что в водотрубных котлах с естественной циркуляцией возникновение кризиса II рода возможно только в случаях нарушения циркуляции, так как в нормальных условиях эксплуатации паросодержание на выходе из парообразующих труб не превы-
шает х = 0,05 - 0,1.
Процесс естественной циркуляции. Основополагающими понятиями при рассмотрении процесса циркуляции являются: контур циркуляции, движущий и полезный напоры, кратность и скорость циркуляции, недогрев до кипения, застой, опрокидывание циркуляции.
Всоответствии с современными требованиями к циркуляции в котле ее надежность может быть обеспечена выполнением следующих условий: непрерывное покрытие стенок парообразующих труб водяной пленкой, отсутствие отложений со лей .на стенках этих труб, нормальный подвод воды к ним. В обычном водотрубном котле температура питательной воды и способ ее подвода в барабан также оказывают определенное влияние на процесс циркуляции.
Непрерывное движение воды и пара (пароводяной смеси) по замкнутому контуру, в который входят опускные и подъемные трубы, а также соединяющие их барабаны (водяные и пароводяные), называется естественной циркуляцией. На рис. 6.3 показаны два контура циркуляции: экрана (индекс "э") и конвективного пучка (индекс "п") труб. В опускных трубах (длина труб обо-
значена lОП) движется только вода, не содержащая паровых пузырьков. Эти трубы могут быть обогреваемыми и необогреваемыми. Из водяного коллектора вода поступает в подъемные трубы,
где она вначале догревается до кипения. Этот участок труб, называемый экономайзерным, характеризуется высотой hЭК (hПОЛ - полезная высота).
Верхний большой участок подъемной трубы, в котором происходят парообразование и восходящее движение воды и пара, характеризуется высотой паросодержащей части hПАР.
Таким образом, в результате теплообмена между дымовыми газами, омывающими поверхность нагрева труб, и водой, находящейся в трубах, происходит парообразование, следствием чего и является естественное движение воды и пароводяной смеси в трубах котла (естественная циркуляция). Пар генерируется только в паросодержащей части подъемных труб. В барабанах нет парообразования, так как в них отсутствует подвод теплоты от дымовых газов. В пароводяном барабане происходит лишь отделение пара от воды, которая вместе с питательной водой вновь поступает в опускные трубы контуров циркуляции котла.
Движущий напор в подъемной трубе любого диаметра и различным образом наклоненной к
вертикали может быть определен по формуле, аналогичной (6.2): |
|
PДВ = hПАР (p'−pCM )g |
(6.23) |
где pM' , pCM - плотность волы и пароводяной смеси., кг/м3.
Под действием движущего напора вода перемещается в опускных трубах, а пароводяная смесь - в подъемных. При установившемся режиме
PДВ = ∆PОП + ∆PПОД |
(6.24) |
где ∆РОП1, ∆Рпод - сопротивления опускных и подъемных труб.
Сопротивление ∆РОП рассчитывают по общей формуле (6.5), которую можно записать в виде:
∆P |
=ξp' |
w2 |
(6.25) |
ОП |
|
||
|
|
||
ОП |
2 |
|
|
|
|
||
где ξ - суммарный коэффициент сопротивления опускной трубы; won - скорость воды, м/с.
В подъемных трубах сопротивление ∆PПОД можно также определить по формуле (6.25), но с учетом движения двухфазной жидкости.
Полезным напором называется избыточная часть движущего напора, остающаяся после компенсации внутренних сопротивлений подъемных труб. Полезный напор расходуется на преодоление внешних сопротивлений, т. е. сопротивлений, возникающих в опускных трубах. В соответствии с таким определением полезный напор
PПОД = PДВ − ∆PПОД |
(6.26) |
Вкаждом ряду подъемных труб и в отдельном контуре развиваются определенные движущий
иполезный напоры. В результате этого количество воды, проходящей через поперечное сечение звена каждого циркуляционного контура, во много раз больше количества пара, которое в нем генерируется. В связи с этим вводится понятие кратности циркуляции некоторого циркуляционного контура:
k = |
GЦ |
(6.27) |
|
G" |
|||
|
|
где GЦ - количество воды, проходящей через циркуляционный контур, кг/с; G" - количество пера, генерирующегося в атом контуре, кг/с.
Существует аналогичное понятие средней кратности для отдельного ряда, а также для всего котла в целом:
k = |
∑GЦ |
(6.28) |
|
DK |
|||
|
|
где ΣGЦ - общее, или суммарное, количество воды, циркулирующей во всех трубах котла, кг/с; DK - полная паропроизводительность котла, кг/с
Физический смысл кратности циркуляции состоит в том, что она показывает, сколько раз
должна пройти по контуру определенная масса воды, пока она не превратится полностью в пар. Примерные значения средней кратности циркуляции при нормальной нагрузке судовых котлов
следующие.
Основной пучок труб, |
|
|
образующих конвективную поверхность нагрева |
60 |
- 100 |
Экранные поверхности нагрева |
20 |
- 50 |
В целом котел |
60 |
- 80 |
Скоростью циркуляции w0 называется скорость входа воды в подъемные трубы. Ее значение выше у тех элементов, которые .воспринимают больше теплоты от. продуктов сгорания. В судовом котле для конвективного пучка труб w0 = 0,3 - 0,9 м/c, для экранных труб 0,8 - 1 ,5 м/с.
Недогрев до кипения (нехватка до кипения) ∆i измеряется в единицах энтальпии - кДж/кг.
Недогрев до кипения возможен в барабанах, опускных трубах и на экономайзерном участке подъемных труб. Оценку этой величины ∆iвб можно сделать, например, для пароводяного барабана. Для этого необходимо составить уравнение теплового баланса пароводяного барабана, отнесенное к 1 кг воды (рис. 6.4):
iЭВ + (k −1)i' = kiвб |
(6.29) |
||||
откуда |
|
|
i'−iЭВ |
|
|
∆iвб |
= i −iвб |
= |
(6.30) |
||
k |
|||||
|
|
|
|
||
где i’, iвб, iЭВ - энтальпии воды соответственно кипения при рабочем давлении, в пароводяном барабане и на выходе из экономайзера (при входе в барабан); для судовых котлов
∆iвб = 5 - 12 кДж/кг.
Явления застоя и опрокидывания циркуляции возникают в основном из-за неравномерного обогрева труб, расположенных в одном и том же ряду. Трубы обогреваются неравномерно по нескольким причинам: вследствие различной освещенности, неодинакового характера смывания, различной степени загрязнения и т. д.
Рис. 6.4. Схема для определения недогрева до кипения в пароводяном барабане.
В одном звене - ряду могут оказаться трубы с разной тепловой нагрузкой, что часто приводит к изменению сопротивления опускных труб. При постепенном увеличении сопротивления опускных труб может наступить такой момент, когда в наименее обогреваемой трубе рассматриваемого звена скорость воды будет весьма близка нулю. Пузырьки пара, образовавшиеся в такой трубе, легко всплывают в неподвижной воде. Они могут непосредственно соприкасаться со стенкой трубы, что вследствие малой скорости пара вызовет ее перегрев. Такое явление носит название застоя. В трубе, воспринимающей меньше теплоты, чем остальные трубы ряда, возможен и другой характер движения пароводяной смеси, когда пузырьки пара поднимаются при одновременном опускном
движении воды. Наличие восходящего и нисходящего потоков смеси в подъемных трубах является неустойчивым движением, что резко снижает интенсивность теплообмена. Такое изменение нормального направления циркуляционного потока называется опрокидыванием циркуляции.
Застой и опрокидывание - явления сопутствующие. Они являются случаями нарушения нормального движения пароводяной смеси в подъемных трубах, поэтому их появление в рабочих условиях котла недопустимо.
Кавитация. Надежный подвод требуемого количества воды к подъемным трубам обеспечивается при отсутствии кавитации и кипения воды в опускных трубах. Кавитация (вскипание) может появиться в том случае, если статическое давление во входном сечении опускных труб из-за сопротивления при входе воды со скоростью won станет меньше давления в паровом пространстве барабана. Во время кавитации происходят образование паровых пузырьков и последующая их конденсация, вызывающая малые гидравлические удары, которые могут привести к появлению трещин в опускных трубах на некотором расстоянии от их входного сечения.
Для предотвращения кавитации необходимо обеспечивать подпор на входе в опускные трубы, создаваемый путем поддержания в пароводяном барабане необходимой высоты уровня воды над верхней кромкой их входного сечения (для судовых котлов) hy = 50 мм:
hy ≥ ξВХ p' |
w2 |
|
|
ОП |
(6.31) |
||
2 |
|||
|
|
где ξВХ - коэффициент гидравлического сопротивления (с некоторым запасом равный 1,5); р' - плотность воды при давлении в пароводяном барабане, кг/и3
Расчет циркуляции. Для обеспечения необходимых количественных характеристик, определяющих надежность естественной циркуляции, производят ее расчет при нагрузках, характеризующих эксплуатационный режим котла. Применительно к главному судовому агрегату достаточно полно характеризуют процесс естественной циркуляции три основные расчетные нагрузки, которые соответствуют работе пароэнергетической установки с полной мощностью, при стояночном режиме судна, при работе с перегрузкой. Для определения характеристик процесса циркуляции необходимо располагать результатами теплового расчета котла на указанных нагрузках, а также знать все его конструктивные элементы.
Особенность используемого для расчета циркуляции метода ЦКТИ состоит в том, что расчет выполняют путем последовательных приближений. Определяющим критерием для расчета является условие сходимости материального баланса, т. е. равенства расходов воды, протекающей через опускные и подъемные трубы. Кроме того, в соответствии с этой методикой давление в таких общих точках циркуляционных контуров, как барабаны и коллекторы, следует принимать одинаковым для всех включенных в него звеньев. Оба эти фактора позволяют установить количество воды, протекающей через циркуляционные контуры, методом графического сопоставления полученных расчетов циркуляционных характеристик подъемных звеньев и сопротивлений водоподводящих труб. В современных судовых главных котлах вода подводится по необогреваемым опускным трубам большого диаметра. Основная цель расчета циркуляции - определить требуемое число опускных труб, т. е. достаточную площадь их проходного сечения. Количественной оценкой такого определения являются кратность и скорость циркуляции, а также недогрев до кипения в пароводяном барабане.
Поскольку расчет выполняют путем последовательного приближения необходимо сначала выбрать кратность циркуляции, которая позволит затем определить недогрев до кипения по формуле (6.30) и построить циркуляционные характеристики подъемных рядов (звеньев) парообразующих труб.
Для предварительной оценки соотношений между площадями живых сечений опускных FОП и подъемных FПОД труб можно воспользоваться данными практики, взяв за образец построенные котлы, имеющие надежную циркуляцию при всех эксплуатационных нагрузках. Эти соотношения зависят от типа циркуляционного контура и прежде всего от того, будут опускные трубы обогреваемыми или нет.
Для контуров с необогреваемыми опускными трубами (в том числе экранами) следует принимать FОП / FПОД = 0,2 - 0,5, а для контуров с обогреваемыми опускными трубами 0,4 - 0,7. Затем проверяют условие сходимости материального баланса для котла в целом. При этом по методике
ЦКТИ расхождение между значениями, предварительно выбранными и расчетными, не должно быть выше допустимого. В противном случае требуется повторить расчет, изменив число опускных труб так, чтобы скорость циркуляции в подъемных трубах составляла не менее 0,25 м/с.
После того как основной расчет циркуляции выполнен, следует оценить надежность циркуляционного режима. Эта оценка сводится главным образом к проверке невозможности явлений застоя и опрокидывания циркуляции в подъемных трубах, а также явлений кавитации и закипания воды в опускных трубах, так как наличие таких явлений может стать причиной нарушения нормального подвода требуемого количества воды к подъемным трубам
6.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ВОДЯНОГО И ПАРОВОГО ТРАКТОВ КОТЛА
Компоновка котла. Пароводяной тракт в пределах котла состоит из пароперегревателя, экономайзера, арматуры и соединительных трубопроводов. Гидравлические сопротивления этих элементов оказывают существенное влияние на экономичность пароэнергетической установки. Сопротивление экономайзера определяет требуемый напор питательного насоса, на работу которого приходится довольно заметный удельный расход энергии по сравнению с другими вспомогательными механизмами, обслуживающими установку. Кроме того, завышенный напор при прочих равных условиях ухудшает конструкцию насоса и усложняет схему его включения в магистраль питательной воды. В связи с этим при компоновке котла поверхность экономайзера, включая арматуру и другие его элементы, необходимо выполнять так, чтобы сопротивление водяного тракта было по возможности уменьшено.
Гидравлическое сопротивление парового тракта оказывает более существенное влияние на экономичность установки, так как оно непосредственно определяет уменьшение располагаемого теплоперепада в главном двигателе. Стремление максимально использовать возможности двигателя по начальным параметрам пара может привести к неоправданному возрастанию рабочего давления в пароводяном барабане, если его паровой тракт имеет завышенное гидравлическое сопротивление. Такое условие является важным фактором и для вспомогательных пароэнергетических установок с утилизационными турбогенераторами.
Таким образом, при компоновке парового тракта следует принимать меры для предотвращения неоправданного завышения его гидравлического сопротивления.
На основании рассмотренных основных требований, которые предъявляют к гидродинамическим характеристикам пароводяного тракта, можно заключить, что компоновать эту часть агрегата следует на основе тщательного расчета с использованием опытных данных по лучшим судовым котлам.
Приведем только основные принципиальные рекомендации, необходимые для определения гидравлических сопротивлений экономайзера, пароперегревателя и трубной части утилизационного котла.
Прежде всего необходимо отметить, что в данном случае, как и при определении сопротивлений других рассмотренных элементов, расчет производится по известным гидравлическим зависимостям. В связи с этим можно использовать расчетные зависимости типа (6.25), т. е. для случая движения однофазной жидкости, с учетом особенностей схемы, по которой выполнены водяной и паровой тракты котла.
Водяной тракт. Основным элементом водяного тракта является экономайзер, в трубах которого возникают гидравлические сопротивления трения и местные - при входе воды в трубы и выходе ее и при поворотах в змеевико-вых элементах. Экономайзер является элементом хвостовой поверхности главных, вспомогательных и утилизационных (с глубокой утилизацией) котлов.
Кроме того, сопротивления возникают при движении воды в соединительных трубах (одной или нескольких) и в клапанах. В связи с этим полное гидравлическое сопротивление водяного тракта
∆pВТ = ∆pВЭ + ∆pTC + ∆pКЛ |
(6.32) |
В этой формуле сопротивления в трубах экономайзера ∆рВЭ, соединительных трубах ∆pTC и
клапанах ∆pКЛ находят по зависимости (6.25), в которой р', w и ξ выбирают отдельно для каждого рассчитываемого элемента.
В утилизационных котлах с принудительной циркуляцией формулу (6.32) используют также для определения напора циркуляционного насоса. В этом случае ∆pВЭ =∆pП будет сопротивление труб парообразующей части, ∆pTC - сопротивление трубопроводов от насоса до водяного коллектора и от котла до сепаратора.
Паровой тракт. В пределах агрегата паровой тракт состоит из трех элементов: пароперегревателя, главного стопорного клапана и пароперепускной трубы, по которой насыщенный пар поступает из пароводяного барабана или из сепаратора утилизационной установки в перегреватель. Таким образом, в данном случае полное гидравлическое сопротивление также может быть рассчитано, как сумма трех величин, т. е. по формуле, аналогичной (6.32):
∆pПТР = ∆pПЕР + ∆pПТ + ∆prk |
(6.33) |
Сопротивления в трубах пароперегревателя ∆pпер, пароперепускной трубе ∆рпт и главном стопорном клапане ∆ргк определяют по формулам, подобным зависимости (6.25), которая для движения парового потока будет иметь вид
wП2 |
|
∆p = ξpП 2 |
(6.34) |
где ξ - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления;
рп и wn - соответственно плотность, кг/м3, и скорость, м/с, пара в рассчитываемом элементе. Для обеспечения минимального сопротивления парового тракта не магистрали между пароводяным барабаном и пароперегревателем разобщительный клапан не устанавливают. По этой же
причине скорость пара в перепускной трубе составляет примерно 30 - 40 м/с.
Весь паровой тракт должен быть выполнен таким образом, чтобы суммарное его сопротивление ∆pПТР было возможно меньшим. При нормальной нагрузке это значение должно составлять не более 5 - 10 % рабочего давления пара рК.
Гидравлическое сопротивление в системе с пароохладителями может быть определено также по формуле (6.34), в которую необходимо подставить величины, характеризующие параметры охлаждаемого пара и геометрические элементы системы
6.4. ПРОЦЕСС ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ. ТЕПЛОВАЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ
Парообразующие поверхности котлов, работающих по принципу принудительной циркуляции, обычно образованы большим числом параллельно включенных элементов (труб, петель, змеевиков), по которым движутся вода и пароводяная смесь, а в прямоточных парогенераторах - и пар. В отличие от котлов с естественной циркуляцией, в которых вода по трубам распределяется пропорционально движущим напорам, а следовательно, и тепловым нагрузкам q, в котлах с принудительной циркуляцией в связи с большим гидравлическим сопротивлением естественные движущие напоры относительно малы и не оказывают заметного влияния на закон распределения воды по параллельным виткам. Надежную работу элементов в этом случае обеспечить трудно, так как вследствие особенностей их гидравлических характеристик возможны неодинаковые расходы воды через отдельные элементы и периодически повторяющиеся колебания этих расходов, т. е. возможна межвитковая пульсация.
Гидравлической характеристикой элемента (часто - витка) называется зависимость его гидравлического сопротивления от расхода среды при постоянных тепловой нагрузке и энтальпии воды на входе в виток.
Количество теплоты, Вт, необходимое для нагрева воды до кипения, и паропроизводительность элемента, кг/с, соответственно
QЭК = G(i'−iВХ ) |
(6.35) |
DЭЛ = |
Q −G(i'−iВХ ) |
(6.36) |
||
r |
|
|||
|
|
|||
где G - расход среды, кг/с;
I’, IВХ - соответственно энтальпии воды на линии насыщения и на входе в элемент, Дж/кг; Q - общее количество теплоты, подводимое к элементу (тепловой поток) в единицу време-
ни, Вт; г - теплота парообразования, Дж/кг.
Так как длина элемента l неизменна, то при Q = const увеличение расхода G вызывает пропор-
циональное увеличение длины экономайзерного участка lЭК. В этом случае QЭК = QllЭК , и паро-
производительность элемента снижается вследствие сокращения длины парообразующего участка lП. Поскольку гидравлическое сопротивление элемента зависит от скоростного напора и удельного объема пароводяной смеси, изменяющихся по длине парообразующей части, то его гидравлическая характеристика будет неоднозначной.
Рис. 6.5. Гидродинамические характеристики витка (1), дроссельной шайбы (2) и витка с шайбой (3).
Без вывода запишем уравнение гидравлической характеристики элемента в виде
∆pB = AG3 + BG 2 +CG |
(6.37) |
где А, В, С - постоянные коэффициенты, не зависящие от расхода среды и являющиеся сложными функциями характеристик физических свойств среды и геометрических размеров элемента.
Рис. 6.6. Изменение расходов среды на входе (1), на выходе (2) и гидравлического сопротивления витка (3), работающего в режиме межвитковой пульсации.
Уравнению (6.37) соответствует графическое изображение гидравлической характеристики 1 (рис. 6.5), где хорошо видно, что при одном и том же сопротивлении элемента возможны три значения расхода воды. Такая характеристика является неустойчивой. Исследование уравнения (6.37) позволяет найти условие устойчивости характеристики
γ"−λ' |
i'−iBX |
≤ 7,46 |
(6.38) |
|
r |
||||
γ' |
|
из которого следует, что характер гидравлической характеристики ∆p(G) определяется только давлением и недогревом до кипения при входе в элемент. Расчеты показали, что характеристика становится устойчивой при р > 16 МПа и любых iвх или при tBX > > 190 °С и любых давлениях. Во всех других случаях условие (6.38) при определенных сочетаниях расходов G и тепловых нагрузок q может не выполняться.
Если условие (6.38) не выполняется, то для обеспечения устойчивой характеристики необходимо на входе в элементы устанавливать дроссельные шайбы. В этом случае резко возрастает гидравлическое сопротивление экономайзерного участка, которое будет компенсировать падение гидравлического сопротивления парообразующего участка (т. е. на участке перегиба характеристики). Установка дроссельной шайбы изменяет гидравлическую характеристику так, что она становится устойчивой (кривая 3, см. рис. 6.5).
Вторым нежелательным явлением, возникающим в параллельно включенных элементах при определенных гидравлических и тепловых характеристиках, является межвитковая пульсация - периодические колебания расхода воды и пара в отдельных элементах. Например, при увеличении расхода пара расход воды, поступающей в элемент, уменьшается и даже может стать отрицательным, что убедительно иллюстрируется рис. 6.6, построенным по результатам испытаний. Как следует из рисунка, изменения расхода среды на входе в элемент (вода) и на выходе из него (пар) сдвинуты по фазе на ≈ 180°, т. е. противоположно направлены. Такой характер колебаний расходов воды и пара возможен только в том случае, если предположить, что давление внутри элемента по каким-то причинам колеблется с таким же периодом.
Физическую сущность этого явления объясняют следующим образом. В области начала кипения в верхней части сечения горизонтальной трубы паровые пузыри (см. рис. 6.3) движутся с меньшей скоростью, чем поток воды. Причем скорость пузырей тем меньше, чем меньше скорость воды (т. е. при малых расходах). Заторможенный полностью или медленно движущийся паровой пузырь продолжает расти и перекрывает сечение трубы, давление в пузыре возрастает. В этот момент наблюдаются наименьшее поступление воды в элемент и наибольший выход из него пара. Иногда давление в пузыре может превысить давление в раздающем коллекторе, тогда вода с экономайзерного участка выбрасывается в коллектор. В результате увеличения расхода пара давление в пузыре падает ниже давления в раздающем коллекторе, что вызывает увеличение расхода воды и уменьшение расхода пара. Процесс повторяется. Так как расходы среды и тепловосприятия по отдельным элементам неодинаковы, то пульсации в них сдвинуты по фазе. Это приводит к тому, что происходит колебание расходов между элементами, когда в одном расход минимальный, а в другом -максимальный (т. е. межвитковая пульсация).
Главная опасность межвитковой пульсации состоит в изменении температуры стенки трубы в начале парообразующего участка, что вызывает термоусталостные трещины и разрушение металла труб. Установлено, что для обеспечения отсутствия пульсаций должно быть выполнено условие ∆pЭК/∆pПО > 0,5 (где ∆pЭК, ∆pПО - гидравлические сопротивления соответственно экономайзерного и парообразующего участков). Для выполнения этого условия обычно предусматривают либо установку дроссельных шайб на входе, либо ступенчатый парообразующий участок, либо установку дыхательных коллекторов в конце экономайзерного участка (последние предназначены для выравнивания давлений по элементам путем перетечек воды).
Тепловая и гидравлическая неравномерности поверхностей нагрева, имеющих параллельное включение элементов (труб, петель, змеевиков и т. п.), оказывают существенное влияние на надежность котлов и парогенераторов.
Конструктивно все поверхности нагрева с параллельно включенными элементами должны быть выполнены так, чтобы приращение энтальпии нагреваемой среды в каждом элементе было
по возможности одинаковым. В реальных условиях обеспечить это требование исключительно трудно из-за неодинакового обогрева и неравномерного распределения среды по отдельным элементам. Количественной характеристикой общей неравномерности является коэффициент тепловой разверки данной поверхности нагрева, представляющий собой отношение приращения энтальпии нагреваемой среды в наиболее теплонапряженном элементе к среднему по поверхности нагрева приращению энтальпии, т. е.
φ |
= |
∆iЭЛ |
(6.39) |
Т |
|
∆i |
|
|
|
ЭЛ |
|
Как следует из уравнений теплопередачи и теплового баланса (5.17) - (5.19), приращение эн-
тальпии нагреваемой среды определяется поверхностной плотностью теплового потока q = BQH ,
Вт/м2 и площадью поверхности нагрева H, м2 , расходом самой среды G, кг/с, т. е. соответственно среднее приращение энтальпии для элемента и приращение для разверенного (наиболее теплонапряженного) элемента:
|
|
= |
qH ЭЛ |
|
|
|
(6.40) |
|
|
∆iЭЛ |
|||||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
GЭЛ |
|
||||
∆i = |
qЭЛ HЭЛ |
(6.41) |
||||||
|
ЭЛ |
|
|
GЭЛ |
|
|||
|
|
|
|
|
||||
Подставив данные (6.40) и (6.41) в (6.39), получим
φТ = |
qЭЛ |
|
|
|
H ЭЛ |
|
|
GЭЛ |
|
(6.42) |
|
|
|
|
|
GЭЛ |
|
||||
|
qЭЛ |
|
|
|
H ЭЛ |
|
|
|
|
Отношение kIII = qЭЛ , принято называть коэффициентом неравномерности тепловосприятия
qЭЛ
по ширине поверхности нагрева, отношение kK = H ЭЛ - коэффициентом конструктивной нетож-
H ЭЛ
дественности, характеризующим различие отдельных элементов по диаметру труб, длине, шеро-
ховатости, полноте смывания и т. п., отношение kr = GЭЛ - коэффициентом гидравлической не-
GЭЛ
равномерности (иногда - разверки). Именно об этой неравномерности шла речь при анализе устойчивости гидравлической характеристики и рассмотрении межвитковой пульсации. Таким образом, выражение (6.42) можно записать в виде
φ = |
kIII kK |
(6.43) |
Т kr
Тепловая разверка имеет особое значение для поверхностей нагрева котлов с принудительной циркуляцией и прямоточных парогенераторов (см. ранее), а также для змеевиковых пароперегревателей котлов с естественной циркуляцией (при tnep > 500 °С).
В элементах с принудительной циркуляцией существует тесная связь между неравномерностью тепловос-приятия и гидравлической разверкой. Так, наиболее обогреваемый элемент имеет наименьший расход среды, т. е. здесь kIII > 1, a kr < 1. При kK ≈ 1 и невозможности устранить неравномерность тепловосприятия следует так подобрать расходы среды, чтобы φT = 1, т. е. влияние неравномерности тепловосприятия компенсируют гидравлической неравномерностью (kr < 1), и наоборот.
Если при kK = 1 изменением kIII и kr не удается обеспечить условие фT = 1, то следует использовать решения по изменению конструктивной нетождественности (kK <> 1) нужным образом. При решении этих задач применяют установку дроссельных шайб (после специальных расчетов), из-
меняют площадь поверхности элемента (ступенчатые трубы, различная длина труб и т. п.), выбирают соответствующую конструкцию и место расположения трубного пучка в газоходе, установку газонаправляющих щитов и другие технические решения, диктуемые конкретными обстоятельствами.
Контрольные вопросы и задания
1.Пояснить сущность явления самотяги.
2.Указать основные составляющие сопротивления газовоздушного тракта.
3.От каких факторов зависит сопротивление каналов при продольном смывании?
4.С какой целью определяют сопротивление газовоздушного тракта котла?
5.Дать определение понятия "гидравлическая характеристика трубопровода".
6.Пояснить сущность пузырькового и пленом него режимов кипения.
7.Назвать возможные режимные движения пароводяной смеси в трубах котла.
8.Дать определение понятий "контур циркуляции", "кратность циркуляции" и "скорость циркуляции".
9.Пояснить сущность явлений застоя и опрокидывания циркуляции.
10.Как влияет неравномерность тепловосприятия на надежность процесса циркуляции?