Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал Санкт-Петербургского государственного морского

технического университета

СЕВМАШВТУЗ

Кафедра Океанотехники и энергетических установок

Болдырев О.Н.

Гидравлический расчет и оценка надежности

естественной циркуляции в паровых котлах

Методическое пособие

Северодвинск

2007

Болдырев О.Н. Гидравлический расчет паровых котлов с естественной циркуляцией.

Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию.

Северодвинск: Севмашвтуз, 2007. – 63 с.

Ответственный редактор: Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой

№ 7 Севмашвтуза

Рецензенты: Кондрашов Ю.В., Главный инженер ФГУП «ПО «Севмаш»;

Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой № 7

Севмашвтуза;

В пособии приведена методика расчета естественной циркуляции, приведена методика расчета естественной циркуляции в паровых котлах и парогенераторах, а также методика оценки показателей надежности естественной циркуляции.

Пособие предназначено для использования в качестве руководства при выполнении курсового проекта по теме «Основы гидродинамики паровых котлов с естественной циркуляцией» студентами механических специальностей, изучающими курс «Судовые энергетические установки».

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД. № 01734 от 11 мая 2000 г.

Isbn5-7723-0403-8 © Севмашвтуз, 2007 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 4

Основные понятия и определения естественной циркуляции 5

Критерии надежности естественной циркуляции 11

Исходные данные для гидравлического расчета котла 16

Определение тепловосприятий по рядам труб 19

Расчет и построение гидравлических характеристик подъемной и опускной частей контура циркуляции 29

Проверка правильности выполненного гидравлического расчета котла 42

Оценка полученных значений показателей надежности естественной циркуляции 43

Оформление курсовой работы 47

ПРИЛОЖЕНИЕ: Табличные и графические материалы 48

ДЛЯ ЗАМЕТОК 60

ДЛЯ ЗАМЕТОК 61

ДЛЯ ЗАМЕТОК 62

ДЛЯ ЗАМЕТОК 63

Литература 64

Предисловие

В методическом пособии кратко изложены основы теории естественной циркуляции в котлах и парогенераторах, приведена методика проведения гидравлического расчета котлов с естественной циркуляцией и оценки показателей надежности естественной циркуляции. В приложении пособия приведены графики, таблицы и номограммы, необходимые для выполнения курсовой работы. Для проведения расчетов необходимо наличие теоретического чертежа корпуса котла, поэтому в состав приложения включен чертеж корпуса высоконапорного котла типа КВН-98/64 (КВГ-3).

Необходимость выпуска данного методического пособия обусловлена тем, что в литературе, описывающей принципы и методы расчета паровых котлов, излагаются только общие принципы проведения расчетов ЕЦ, без описания самой методики расчета.

При написании пособия за основу была принята методика расчета естественной циркуляции, изложенная в учебнике Индейкина А.И., Александровского Ю.В. и др. «Корабельные паровые котлы. Основы теории и расчетов», издательства Ленинградского Высшего Военно–морского инженерного училища им. В.И. Ленина (ныне Военно-морской инженерный институт) и основанная на методике расчета, разработанной Центральным котлотурбинным институтом, г. Санкт-Петербург. В пособии методика расчета приведена в табличную форму, более удобную для работы студенческой аудитории.

Выполнение курсовой работы по гидравлическому расчету парового котла позволит более полно понять суть физических процессов, происходящих при работе парового котла, и их зависимость от различных факторов.

Основные понятия и определения естественной циркуляции

При работе современных паровых котлов и сжигании жидкого топлива в топках паровых котлов образуются газы, имеющие высокую температуру порядка 2000 ^оС. При прохождении через поверхности нагрева котла в процессе теплообмена с нагреваемой средой температура газов снижается до значений 350 – 500^оС на выходе из котла. Удельные тепловые потоки, воздействующие на поверхности нагрева, исчисляются сотнями тысяч килоджоулей на квадратный метр в час.

Каждая марка стали имеет предельно допустимую температуру, при превышении которой длительная надежная работа трубы становится невозможной. При повышении температуры стенки трубы увеличивается интенсивность протекания коррозионных процессов (окалинообразование) и происходит снижение прочности материала. Чем больше превышена температура стенки трубы сверх допустимой, тем скорее произойдет ее разрушение. Повреждение может произойти также в том случае, если температура стенки трубы не превышает предельно допустимой, но имеют место колебания ее со значительной амплитудой и большим количеством смен циклов тепловых нагрузок. Возникающее при этом разрушение носит усталостный характер, имеет вид продольных трещин и носит название тепловой или коррозионной усталости.

В сложных температурных условиях, возникающих в топках и газоходах паровых котлов, работа поверхностей нагрева котла возможна только при организованной циркуляции рабочего тела и интенсивном теплоотводе от стенок труб, омываемых горячими газами. При хорошо организованной циркуляции температура наружных стенок труб поверхностей нагрева лишь на несколько градусов превышает температуру среды, протекающей внутри них. При ухудшении условий циркуляции снижается интенсивность теплообмена, увеличивается вероятность возникновения кризисов теплообмена как первого, так и второго рода, и сопутствующее им повышение температуры металла наружной стенки труб. Иначе говоря, надежная работа поверхностей нагрева котла определяется температурным режимом металла труб.

Движение воды и пароводяной смеси в трубах испарительной части котла может быть организовано следующими способами:

− за счет воздействия внешних сил (напора питательного или специального циркуляционного насоса);

− за счет разности удельных весов воды и образующейся при ее испарении пароводяной смеси.

По описанным способам организации движения воды и пароводяной смеси все паровые котлы и парогенераторы можно разделить на две большие группы: котлы и парогенераторы с принудительной циркуляцией, и котлы и парогенераторы с естественной циркуляцией.

Схема простейшего циркуляционного контура котла с естественной циркуляцией показана на рис. 1. Простейший циркуляционный контур состоит из парового коллектора, водяного коллектора и соединяющих их обогреваемой и необогреваемой труб. При подведении теплоты к обогреваемой трубе происходит испарение находящейся внутри нее воды. Образовавшаяся пароводяная смесь заполняет обогреваемую трубу и, имея плотность меньшую, чем плотность воды, поднимается из водяного коллектора вверх в паровой коллектор. Вода в необогреваемой трубе опускается вниз из парового коллектора в водяной. Трубы котла, по которым пароводяная смесь поднимается вверх, называют подъемными. Трубы, по которым вода опускается вниз, называютопускными. Движение рабочей жидкости, возникающее вследствие разности удельных весов (плотностей) воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах, называютестественной циркуляцией, а замкнутая гидравлическая система, состоящая из последовательно включенных подъемных и опускных труб, соединенных коллекторами, называетсяконтуром естественной циркуляции.

Рис. 1. Схема простейшего контура естественной циркуляции

Вода в контур циркуляции (в подъемные трубы) поступает с температурой меньшей, чем температура кипения воды при рабочем давлении в котле. Разность температур характеризуется величиной недогрева до кипения – Δi, которая представляет собой разницу энтальпии воды при температуре насыщения и энтальпии воды в конкретной точке контура циркуляции. При движении вверх по обогреваемой трубе вода нагревается и в точке А ее температура достигает температуры насыщения. Эта точка называется точкой закипания. Та часть подъемной трубы, по которой движется недогретая до кипения вода, называется экономайзерной частью. Она характеризуется длиной – l_эк и высотой – h_эк экономайзерного участка. Остальная часть подъемной трубы, по которой движется пароводяная смесь, называется паросодержащей частью. Она характеризуется длиной - l_пар и высотой – h_пар паросодержащей части. Опускная часть контура также характеризуется длиной - l_оп и высотой - hоп опускного участка.

Разность между давлениями столба воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе носит название движущего напора естественной циркуляции:

[Па] (1)

Если выразить давления столбов рабочих тел в подъемной и опускной частях контура циркуляции через удельные веса (плотности) воды и пароводяной смеси, то выражение для движущего напора можно переписать в следующем виде:

или [Па] (2)

где:

- удельный вес (плотность) воды в контуре, принятый равным удельному весу (плотности) воды при температуре кипения для данного рабочего давления в паровом котле – p_к;

- удельный вес (плотность) сухого насыщенного пара для данного рабочего давления в паровом котле – p_к;

- доля объема паросодержащей трубы, занятая сухим насыщенным паром.

Из выражения (2) видно, что движущий напор естественной циркуляции зависит от высоты паросодержащей части подъемной трубы и от разности удельных весов (плотностей) воды и пароводяной смеси.

Движущаяся по подъемной трубе пароводяная смесь состоит из нагретой до температуры кипения воды и сухого насыщенного пара. По мере движения смеси по подъемной трубе количество насыщенного пара изменяется от нулевого значения в точке А до максимального в выходном сечении трубы. Отношение веса находящегося в смеси сухого насыщенного пара к весу всей смеси называется весовым паросодержанием или степенью сухости пара - х. Отношение веса воды - G, вошедшей в подъемную трубу контура, к весу образовавшегося в ней за это же время пара - D, называется кратностью иркуляции - К.

(3)

Кратность циркуляции является величиной, обратной весовому паросодержанию в выходном сечении подъемной трубы.

В отличие от рассмотренного простейшего контура циркуляции, состоящего из одной подъемной и одной опускной трубы и соединяющих их коллекторов, контуры циркуляции реальных паровых котлов состоят из множества параллельно включенных испарительных (подъемных) и опускных труб. При этом паровой котел может иметь как один контур циркуляции (например, контур циркуляции двухколлекторного котла), так и несколько связанных или не связанных друг с другом простых или сложных контуров циркуляции (например, контуры циркуляции экрана и основного испарительного пучка труб для трехколлекторных котлов типа КВГ-25).

Для двухколлекторного парового котла типа КВГ-3, рассматриваемого в данном пособии, контур естественной циркуляции состоит из подъемных труб, включающих один ряд труб экрана и девять рядов конвективного испарительного пучка, и четырех рядов опускных труб, расположенных в необогреваемой части котла за экранным пучком труб.

Подъемные трубы, расположенные в различных рядах, получают неодинаковое количество тепла. Вследствие этого в каждом ряду труб генерируется различное количество пара, и каждый ряд труб имеет свою величину кратности циркуляции. В этом случае, для того, чтобы определить кратность циркуляции для всего циркуляционного контура котла, вводят понятие средней кратности циркуляции контура. Под средней кратностью циркуляции контура понимают отношение веса воды, поступившей во все подъемные трубы контура, к весу сухого насыщенного пара, сгенерированного за то же самое время в контуре (т.е. к суммарной паропроизводительности контура котла):

(4)

Из формулы для определения движущего напора естественной циркуляции (2) видно, что для того, чтобы найти движущий напор, необходимо определить высоту паросодержащей части подъемной трубы и истинное паросодержание. Обычно при этом принимают следующие допущения:

• все трубы каждого конкретного ряда воспринимают одинаковое количество теплоты;

• тепловая нагрузка равномерно распределена по высоте испарительной трубы.

Движущий напор естественной циркуляции затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений движению рабочей среды в опускных и подъемных трубах:

[Па] (5)

Разность между движущим напором и сопротивлением подъемных труб контура называется полезным (избыточным) напором естественной циркуляции:

[Па] (6)

Таким образом, полезный напор естественной циркуляции затрачивается на преодоление сопротивления опускного участка контура, а условием установившейся естественной циркуляции в контуре является равенство полезного напора сопротивлению опускного участка:

[Па] (7)

При нарушении равенства полезного напора сопротивлению опускного участка контура существует либо избыточная движущая сила, либо повышенное сопротивление. Под воздействием этих двух сил режим циркуляции изменяется, уменьшаются или увеличиваются скорости циркуляции до тех пор, пока не наступит новое равенство.