9.3.2.Гидродинамические процессы в барабане парового котла.

Прежде чем рассматривать конструктивное выполнение внутрибарабанных устройств, необходимо провести анализ процессов барботажа и уноса влаги внутри барабана.

Барботаж пара через воду- подъем паровой фазы в жидкости, приведенная скорость направленного движения которой (жидкости) мала или равна нулю. Барботаж пара имеет место в барабанах котлов, в подъемных трубах контура циркуляции при образовании свободного уровня, застоя или опрокидывания циркуляции, в парогенераторах и реакторах атомных электростанций, испарителях и многих других аппаратах ряда отраслей промышленности. В общем случае аппарат, в котором происходит процесс барботажа пара через слой жидкости, называетсябарботером.

Для равномерного распределения паровой фазы по сечению барботера (в том числе и в барабане) и выравнивания скоростей пара в барботажном слое устанавливается распределительное устройство. Обычно применяется погруженный в слой жидкости дырчатый лист с соответствующим образом рассчитанным количеством отверстий выбранного диаметра d₁. Правильно рассчитанные дырчатые листы гасят также кинетическую энергию пароводяных струй.

Режим работы дырчатого листа зависит от расхода паровой фазы и диаметра паровых пузырьков и отверстия в листе (рис.9.54). При небольших расходах пара и малом диаметре (d_П< d₁) пузырьки свободно проходят через отверстия в виде отдельных пузырьков, не сливаясь (рис.9.54а). Если d_П> d₁, то паровой пузырек втягивается в отверстие, разделяясь на две части (рис.9.54б). На часть пузырька, находящуюся над листом, действуют подъемная сила и конвективные токи, стремящиеся оторвать ее от листа.

Пока над листом будет формироваться новый пузырек, оставшиеся под листом части пузырька могут слиться в единую паровую подушку. Следовательно, для данного давления в системе и диаметра отверстия в листе существует скорость пара в отверстиях, при повышении которой под дырчатым листом образуется устойчивая паровая подушка.

Средняя скорость пара в отверстиях дырчатого листа определяется по формуле

(9.132)

где f_ОТВ- суммарное сечение отверстий, м².

В паровых котлах, парогенераторах, испарителях и подобных элементах применяются погруженные дырчатые листы с диаметром отверстий 8…12 мм и более,так как в пароводяной смеси может находится шлам(взвеси,чешуйки оксидов железа с внутренних поверхностей труб),и он будет забивать мелкие отверстия.

С увеличением диаметра отверстий паровая подушка под дарчатым листом образуется при более высоком расходе паровой фазы. В этом случае через отверстия листа будет проходить пар в виде сплошного потока. При барботировании струя пара разбивается на отдельные пузырьки.

Для того чтобы пар не обходил по бокам дырчатый лист, выполняется отбортовка (рис. 9.55).

При дальнейшем увеличении расхода пара (при скорости пара w_МАКС) отдельные струи пара могут сливаться вблизи дырчатого листа, образуя над ним сплошной паровой слой, отделяющий дырчатый лист от вышележащей жидкости. Это явление называетсякризисом барботажа.

После выхода из отверстий дырчатого листа пар барботирует через слой жидкости. Слой пароводяной смеси, в котором происходит барботаж пара, называется динамическим двухфазным слоем.

На рис.9.56 показано изменение истинного паросодержания по высоте барабана. На выходе из пароотводящих труб истинное паросодержание равно паросодержанию пароводяной смеси φ_ПВСпосле испарительной поверхности, затем из - за смешания с водой в барабане уменьшается. В паровой подушке φ_ПОД= 1. На выходе из отверстий дырчатого листа паросодержание равно относительной площади сечения отверстий φ_ДЛ.

В динамическом двухфазном слое по высоте можно выделить три зоны.

В первой зоне, высотой Н₁= 30…40 мм над дырчатым листом, движение пузырей происходит под действием нивелирного напора, создаваемого под листом, и подъемной силы. На этом участке происходит формирование устойчивых паровых пузырьков (объединение мелких и дробление крупных паровых струй), скорость паровой фазы уменьшается, паросодержание увеличивается.

Вторую зону называют зоной стабилизированных значений паросодержания, на этом участке паросодержание постоянно и равно φ^СТАБ_БАРБ. В этой зоне высотой H_II= H_СТАБпаровые пузырьки движутся под действием подъемной силы - силы Архимеда.

Третья зона переходная (Н_III= H_П.З). При подходе к поверхностным слоям движение пузырей затормаживается действием силы поверхностного натяжения, вследствие чего φ = 1 (рис.9.56). Унос влаги составляет доли процента и на гидродинамику парового потока не влияет.

Физический уровень пароводяной смеси H'_ФИЗопределяется от начала первого участка до середины переходной зоны. Вся высота динамического слоя Н_Д.СЛравна сумме высоты физического уровня Н'_ФИЗи половины высоты переходной зоны Н_П.З

(9.133)

Уровень воды в барабане определяется с помощью водомерного стекла, соединенного с паровым и водяным объемами барабана. В водомерном стекле в жидкой фазе нет паровых пузырьков, плотность воды близка к плотности ρ'.

Физическая высота двухфазного слоя в барабане H'_ФИЗбольше, чем уровень столба жидкости (весовой уровень) в водомерном стекле H'_ВЕСна ∆Н

(9.134)

При низких давлениях ρ'' << ρ', тогда

(9.135)

Истинное паросодержание φ_БАРБзависит от скорости (расхода) пара, давления, концентрации и состава примеси воды. Обычно принимают не действительную скорость пара w_П, а приведенную w"₀м/с, определяемую через расход пара G_П, кг/с:

w"0= GП/ (ρ"fБАР),

(9.136)

где f_БАР- горизонтальное сечение барабана или, в общем случае, барботера, м².

Сечение барабана f_БАРизменяется по высоте пароводяного объема, поэтому значение w"₀зависит не только от расхода среды, но и высоты. Принято рассчитывать w"₀по сечению барабана на границе между пароводяным и паровым объемами. Эту границу называютзеркалом испарения. Сечение барабана на зеркале испарения f_З.ИСП. Тогда приведенная скорость пара w"₀

(9.137)

Объемный расход пара G_П/ ρ'', отнесенный к площади зеркала испарения f_З.ИСП= 1м²называетсяобъемной нагрузкой зеркала испаренияR_s^v, м³/(с·м²)

(9.138)

или R_s^v, м³/(ч·м²)

Rs^v= 3600w"0.

(9.139)

Аналогично определятся массовая нагрузка зеркала испаренияR_s^m, кг/(с·м²)

(9.140)

или R_s^m, кг/(ч·м²)

Rs^m= 3600w"0ρ"0.

(9.141)

Объемная и массовая нагрузки зеркала испарения R_s^mи R_s^vхарактеризуют интенсивность внутрибарабанных процессов. Например, для действующего котла известны его паропроизводительность D, кг/с (или т/ч), диаметр (внутренний) барабана d_Б, м, и его длинаl_Б, м. Определяем массовую нагрузку зеркала испарения R_s^mкг/(с·м²), считая, что зеркало испарения находится в середине (по высоте) барабана

Rs^m= D / dБlБ.

(9.142)

По этой величине находим w"₀и другие характеристики двухфазного слоя.

При проектировании парового котла по заданной паропроизводительности D, кг/с, определяем геометрию барабана и погруженного дырчатого листа, задаемся величиной R_s^mи R_s^v, определяем сечение зеркала испарения f_З.ИСП, по типовому диаметру барабана находим длину барабана. Наметив место вывода опускных и ввода пароотводящих труб контура циркуляции, находим размеры дырчатого листа. По R_s^vнаходим расход пара через дырчатый лист. Диаметр отверстий в дырчатом листе 8…12 мм.

При расчете дырчатого листа два взаимосвязанных параметра неизвестны: скорость пара w₀" и сечение отверстий. Скорость пара в дырчатом листе имеет два ограничения:- для организации паровой подушки,по возникновению явления кризиса барботажа; отсюда возникает условие

С увеличением приведенной скорости w"₀растет количество барботируемого пара, который движется в виде цепочки пузырей, а при дальнейшем увеличении w"₀сливается в паровые струи. Пар увлекает за собой часть воды, которая, поднявшись на определенную высоту, затем опускается, т.е. происходит циркуляция жидкой фазы. При малом расходе пара циркуляция жидкой фазы происходит в пределах небольшого участка стабилизации. С увеличением w"₀доля сечения, по которому проходит жидкая фаза (I - φ_БАРБ), уменьшается, высота зоны циркуляции непрерывной струи жидкости снижается, следовательно, высота Н_СТАБпадает. Структура поверхностного слоя разрушается - все большая часть жидкой фазы за счет скоростной энергии пара дробится на отдельные крупные и мелкие капли, образуется пароводяная эмульсия, возрастают размеры переходной зоны. Это явление называют набуханием уровня. Увеличение высоты переходной зоны приводит к росту общего уровня динамического двухфазного слоя и, соответственно, к снижению высоты парового пространства.

Паропромывочные устройства с точки зрения гидродинамики представляют собой барботажные системы (химические процессы - см. гл.12), выполняются двух типов: погруженного, когда паропромывочный дырчатый лист находится в объеме жидкой фазы (рис.9.57а), и подвешенного, находящегося в паровом объеме, над зеркалом испарения (рис. 9.57б).

На паропромывочное устройство подается питательная вода (в парогенераторах и барабанах паровых котлов), которая растекается по дырчатому листу, образуя слой воды высотой Н_ВЕС, и сливается по периферии листа. Толщина слоя промывочной воды определяется высотой бортиков Н_БОРТ.Пар направляется с помощью отбортовок (щек) под промывочный лист, проходит через отверстия, барботирует через слой промывочной воды и уходит на паросепарационные устройства. Проходящий через отверстия листа пар препятствует протеканию через них жидкости. Скорость пара в отверстиях дырчатого листа должна быть выбрана такой, чтобы жидкость удерживалась на промывочном листе и сливалась только по периферии листа или по специальным сливным линиям - такой режим называетсябеспровальным.

Высота бортиков Н_БОРТсоставляет 40…60 мм (эту высоту называют также высотой перелива Н_ПЕР). Действительный уровень H_ВЕСпревосходит уровень перелива на 5…10 мм, т.е.

H_ВЕС= H_ПЕР+ (5…10)мм.

При дроблении жидкости на капли, при возмущении зеркала испарения пароводяной струей или при выходе парового пузыря из водяного объема в паровой происходит унос влаги паром.

В современных барабанах устанавливаются системы гашения кинетической энергии струй воды и пароводяной смеси, поступающих в барабан, и равномерной раздачи по сечению барабана. В этих условиях определяющим генератором капель воды в паровой объем является разрыв пузырей пара (рис.9.58).

Всплывающий пузырь пара подвержен воздействию силы внутреннего давления, стремящегося разорвать жидкую пленку вокруг пузыря, и силы поверхностного натяжения этой пленки.

В начальный момент выхода пузыря из объема жидкости (рис.9.58в) вода с пленки стекает, пленка утоняется и разрывается (рис.9.58г). Пар выходит через образовавшееся отверстие, разрушает верхнюю часть пленки и превращает ее в мелкие капли воды. Остатки жидкой пленки опускаются вниз, заполняют образовавшуюся после выхода пара лунку в воде. Соударение движущихся потоков воды в центре лунки приводит к выбросу крупных капель воды в паровой объем (рис. 9.58д).

На каплю воды диаметром d_Кв паровом пространстве действуют две силы:

сила Архимеда (направленная вниз)

(9.143a)

сила динамического напора пара (направленная вверх)

(9.143б)

где ξ - коэффициент сопротивления.

При равенстве этих сил капля воды будет витать в потоке пара. Скорость пара, при которой наблюдается витание, называют скоростью витания, ее можно определить из равенства F_A = F_Д:

(9.144)

Скорость витания w_ВИТзависит от давления и диаметра капель: при р = 10 МПа и d_К= 1 мм, w_ВИТ= 0,6 м/с; d_К= 0,2 мм, w_ВИТ= 0,15 м/с; d_К= 0,1 мм, w_ВИТ= 0,07 м/с. Для d_К= 0,1 мм и р = 1 МПа, w_ВИТ=0,25 м/с. С увеличением давления скорость витания уменьшается, т.е. при равной скорости пара унос капель увеличивается.

Капли диаметром d_К, для которых скорость витания меньше скорости пара w"₀уносятся потоком пара; капли с w_ВИТ> w"₀оседают в водяной объем. Скорость оседания капель воды

w_ос= w_ВИТ- w"₀.

Унос влаги паромхарактеризуется его влажностью ω, %, которая определяется как отношение массы водяных капельm_Вк массе влажного пара

(9.145)

где m_П- масса паровой фазы.

Таким образом, влажность параопределяется забросом капель воды в пароотводящие трубы и уносом капель потоком пара. При малых высотах парового пространства основную роль играет прямой заброс водяных капель, а при больших высотах - унос влаги. Поэтому ω сильно зависит от высоты парового пространства (рис.9.59), особенно до высоты 0,8…1 м.

Зависимость влажности пара от его скорости w"₀сложная и имеет вид

ω = С(w"0)^n.

(9.146)

Это связано с распределением капель воды по размерам по скорости их витания (рис. 9.60а).

При малой скорости пара, условно - до w₁(рис. 9.60б), показатель степени n < 2; с увеличением скорости пара уносятся паром все более крупные капли, показатель степени увеличивается до 4…5; при скорости пара w"₀приближающейся к w_ВИТ^СР(рис. 9.60), резко возрастают количество и масса унесенных капель воды, влажность возрастает с показателем степени n > 5…6.

В диапазоне скорости пара w₀" и влажности пара ω = 0,01 - 0,1%, в котором работают промышленные агрегаты, расчет влажности можно вести по формуле

(9.147)

Коэффициент С зависит от давления и характеризует физические свойства пара и жидкости (рис.9.61). С увеличением давления коэффициент поверхностного натяжения s снижается, соответственно уменьшается размер капель воды, скорость витания падает, а количество капель увеличивается. Кроме того, увеличивается несущая способность пара за счет роста его плотности. Поэтому при изменении давления от 10 до 16 МПа коэффициент С и влажность пара о изменяются в 5 раз. Отсюда вытекает необходимость снижения приведенной скорости пара у зеркала испарения (нагрузки зеркала испарения) при проектировании парового котла на более высокое давление (рис.9.62), что вызывает увеличение размеров барабана. Второй путь снижения влажности пара - использование сепарационных установок внутри барабана.

Влияние примесей на динамический двухфазный слой и унос влаги определяется наличием в котловой воде (воде барабана и контура циркуляции) поверхностно-активных веществ. Эти вещества концентрируются в жидкой пленке вокруг парового пузыря, увеличивают силы поверхностного натяжения.

При температурах 300…360°С (давление свыше 9 МПа) основную роль в образовании адсорбционных структур в жидкой пленке играют неорганические вещества - продукты коррозии конструкционных материалов, в первую очередь оксиды железа.

Коллоидно-дисперсные частицы гидратов оксидов железа имеют вытянутую форму и при коагуляции образуют пространственную структуру. При низкой концентрации электролитов эти структуры непрочные, распадаются под влиянием других примесей и турбулизации потока. В этом случае поверхностное натяжение s изменяется незначительно, процессы барботажа пара и уноса его практически не претерпевают изменений.

При концентрациях электролитов выше критических С_КРпроисходит упрочнение структуры, в жидкой пленке (поверхностном слое) частицы гидратированных оксидов железа образуют упорядоченную структуру в виде сетки, повышающую вязкость и прочность пленки; поверхностное натяжение резко возрастает.

Упрочнение жидкой пленки, повышение s приводит к тому,что при выходе из погруженного дырчатого листа образуются мелкие пузырьки пара, количество их возрастает. Все это приводит к изменению (увеличению) паросодержания φ_БАРБна стабилизированном участке двухфазного слоя (рис.9.63). При низких концентрациях электролитов в котловой воде С_К.В, мг/кг, паросодержание φ_БАРБне изменяется по сравнению с чистой водой: при концентрации выше критического значения С_КРначинается набухание двухфазного слоя, φ_БАРБувеличивается. При дальнейшем повышении концентрации С_К.В, значения φ стабилизируются на новом, более высоком значении (примерно в 2 раза выше).

Разрушение жидкой пленки вокруг парового пузырька из-за повышения s происходит при меньшей толщине пленки. Замедленное разрушение пузырей пара приводит к их скоплению в переходной зоне двухфазного слоя, в верхней части этой зоны образуется высокодисперсная пароводяная эмульсия (пена), состоящая из паровых пузырей, окруженных тонкой пленкой воды. Доля пара в ней превышает 90…95%. Такое явление называют вспениванием уровня.

На рис.9.64 показано увеличение действительного уровня двухфазного слоя в зависимости от С_К.Вw₀". На рисунке видно, что увеличение уровня достигает 200…300 мм.

С увеличением давления в барабане котла С_КРснижается, т.е. процессы набухания и вспенивания начинаются при более низких концентрациях, следовательно, для их предотвращения требуется более чистая вода.

При разрыве более мелких паровых пузырей с тонкой жидкой пленкой образуется большое количество мелких капель воды, их доля возрастает в потоке капель влаги.

Оба процесса, имеющие место при высокой концентрации примеси (С_К.В> С_КР), уменьшение высоты парового пространства и увеличение доли мелких капель воды - приводят к резкому возрастанию уноса влаги паром.

На рис.9.65,а показана зависимость влажности пара ω от концентрации примеси в воде. Видно, что при С_К.В> С_КРвлажность сильно возрастает. На рис.9.65,б приведен график изменения концентрации примеси в насыщенном паре C_n^УН, поступающей в него с уносимой влагой, ( ω - в %)

C^П_УН= 0,01С_К.Вω

При ω = const концентрация примесей C_n^УНпропорциональна С_К.В, а при С_К.В> С_КРзависит и от ω. Из графиков рис.9.65 можно определить по предельно допустимой концентрации (C^УН_n)_ПРдопустимые значения (С_К.В)_ПРи ω_ПР. Способы воздействия на С_Пи С_К.Врассмотрены в гл.11 и 12. Выполнить условие w ≤ w_ДОПможно за счет ограничения нагрузки на зеркало испарения (R_s^vили R_s^m).

На рис.9.66 показано, что при С_К.В< С_КРнагрузку на зеркало испарения можно поддерживать на высоком уровне, при этом ω = ω_ПР.

При С > С_К.Вдля выдерживания условия ω = ω_ПРнагрузку приходится снижать, при (С_К.В)_ПРполучаем значение (R_s^m)_ПР, обеспечивающее предельно допустимый режим по (C_n^УН)_ПР. Кривая на рис.9.66 разделяет плотность R_s^m- C_К.Вна две части, в которых ω меньше или больше ω_ПР. Влажность пара, уходящего из барабана, можно уменьшить по сравнению с уносом влаги путем организации сепарационных устройств.