Режим, структура і характеристика потоку робочого тіла

Середовищем, яка нагрівається, в елементах котла є вода, пароводяна суміш, пар і повітря, яке використовуване для горіння палива. В процесі експлуатації котла змінюються його навантаження і характеристики потоків вказаних середовищ. При сталому режимі в межах допустимих навантажень котла має місце турбулентний режим течії води, пароводяної суміші і пари, який характеризується значенням числа Рейнольдса Rе>5∙10³. Швидкість однофазного потоку води в економайзері при незмінній площі прохідного живого січення труб визначається її масовою витратою, тобто навантаженням котла. При русі пароводяної суміші у випарних поверхнях нагріву і тиску нижче критичного її швидкість залежить від паровмісту в двофазному середовищі і тиску, а значить, від теплового навантаження і організації гідродинаміки потоку. З збільшенням паровмісту при незмінному прохідному січенні випарної поверхні швидкість потоку збільшується пропорційно підвищенню питомого об'єму пароводяної суміші. При надкритичному тиску швидкість середовища визначається лише її масовою витратою. В пароперегрівачі при незмінному прохідному січенні швидкість пари зростає по мірі підвищення її температури і зниженні тиску.

Зовнішній обігрів випарної поверхні нагріву приводить до нагріву води і утворення в ній пари. Пароутворення починається на ділянці труби, де ентальпія води в шарі, який прилягає до стінки, досягає значення при якому вода закипає при даному тиску. Парові бульбашки, які виникають на стінці труби, спочатку залишаються в контакті з стінкою, а потім, досягнувши діаметру 1- 2 мм, відриваються від неї. При значній швидкості води відрив бульбашок від стінки відбувається головним чином під дією динамічного напору потоку.

Залежно від структури утвореного двофазного потоку пароводяної суміші змінюються умови охолодження внутрішньої поверхні труби, відповідно і значення α₂ і t_ст.

Структура потоку пароводяної суміші. Залежно від паровмісту, швидкості і тиску структура рухомої пароводяної суміші може мати різний характер (рис. 5).

Бульбашкова структура, при якій дрібні бульбашки пари відносно рівномірно розподілені по січенню труби, виникає при невеликому паровмісті і малій швидкості пароводяної суміші у вертикальній трубі.

Снарядна структура, при якій утворюються великі парові бульбашки, які займають середню частину січення труби і відокремлені один від одного і стінки тонким шаром води, нестійка і виникає при збільшенні паровмісту і низькому тиску. При тиску більше 10 МПа снарядна структура не спостерігається.

Рис. 5. Структура пароводяної суміші в трубі:

а) бульбашкова; б) снарядна; в) стрижнева; г) емульсійна; д) розшарованого потоку в горизонтальній трубі

Стрижнева структура, при якій в середньому січенні труби рухається суцільний потік пари з зваженими в ньому краплями води. По стінці при цьому рухається шар рідини, товщина якого зменшується з зростанням паровмісту і швидкості потоку.

Емульсійна структура, при якій основна маса води зривається з стінки і несеться у вигляді крапель в потоці пари. На стінці залишається тонка водяна плівка. Така структура виникає при паровмісті більше 90 %, великій швидкості пари і високому тиску.

З вказаних режимів течії пароводяної суміші найкращі умови охолодження стінки забезпечуються при бульбашковій структурі потоку, яка обумовлює стабільну роботу поверхні нагріву при високих теплових навантаженнях. В трубах котла в турбулентному потоці профіль швидкостей в поперечному січенні характеризується великим градієнтом біля стінки. Крива профілю швидкостей для ізотермічної однофазної рідини при Re<100 000 міняється згідно з законом:

де r і r_в - відстань від стінки і внутрішній радіус труби.

Наявність пароутворення ускладнює профіль швидкостей. При підйомному русі пара обганяє воду, оскільки при докритичному тиску густина пари ρ^//, якщо тиск постійний, менше густини води ρ^/. Пар, який обганяє воду при підйомному русі, прискорює ядро потоку в порівнянні з периферійними шарами січення. При опускному русі пароводяної суміші вода опускається з більшою швидкістю, ніж пар, і профіль швидкостей потоку прогинається в місцях зосередження пари по січенню труби.

Характеристики потоків робочого тіла. В гідравлічній системі котла, яка складається з з’єднаних між собою труб, колекторів, барабанів і ряду додаткових пристроїв, рухається вода, пароводяна суміш і пар. При вивченні руху в'язкої рідини воду вважають нестискаємою. При русі пароводяної суміші, коли температура води і пари однакові і тиск майже незмінюється, явище стискання також можна не враховувати. Пар за умови невеликих змін тиску і температур можна також розглядати як нестискаєму рідину. При вказаних допущеннях для характеристики потоку робочого тіла в елементах котла використовуються наступні основні величини.

Масова швидкість потоку, кг/(м²∙К)

(3)

де G - масова витрата робочого тіла в елементі (трубі), кг/год; F - площа січення елементу (труби), м²; ρ - густина робочого тіла, кг/м³.

Середня швидкість потоку в даному елементі (трубі), м/с

(4)

де v - середній по січенню питомий об'єм середовища, м³/кг.

Для пароводяної суміші зручно користуватися приведеними швидкостями води і пари, які є відношенням об'ємної витрати води або пари до повного січення труби, м/с

(5)

(5а)

Витрата пароводяної суміші, яка протікає в трубі G=G^/+G^//.

Швидкість циркуляції, тобто швидкість, яку мала б вода при температурі насичення, якби вона протікала через дане січення труби при масовій витраті, яка рівна витраті пароводяної суміші, м/с:

(6)

До початку паротворення ця швидкість дорівнює швидкості води.

Паровміст - відношення маси пари в пароводяній суміші до маси суміші

(7)

Середні значення паровмісту на даній ділянці труби

.

Швидкість пароводяної суміші можна виразити через приведені швидкості води і пара або швидкість циркуляції. З (5) і (6) видно, що , питомий об'єм суміші:

(8)

Підставляючи значення ω і v в формулу (4), після перетворень отримуємо

(9)

Об'ємний паровміст - відношення об'ємної витрати пари до об'ємної витрати пароводяної суміші:

(10)

після перетворення

(11)

Напірний паровміст

де f_п – січення труби, зайняте парою, м²; f - повний переріз труби, м²; - дійсна швидкість пари, м/с.

Характер зміни β, φ і х по довжині труби, яка рівномірно обігрівається, показаний на рис. 6.

Рис. 6. Характер зміни х, β і φ по довжині труби, яка рівномірно обігрівається