Основы внутрикотловых процессов

Внутри поверхностей нагрева протекают различные процессы, называемые внутрикотловыми – подогрев, испарение воды, перегрев полученного пара. Этим процессам сопутствуют:

- выделение из воды растворенных газов – кислорода, азота, двуокиси углерода;

- выпадение из воды солей магния и кальция (образование накипи), коррозионные разрушения металла поверхностей нагрева;

- выделение из воды солей с образованием шлама.

Для предотвращения или сведения к минимуму влияния каждого из указанных явлений необходимы специальные мероприятия или устройства, например:

- для смыва со стенок пузырьков газа выбираются достаточно высокие скорости воды;

- воду перед подачей в котел подвергают химводоочистке и деаэрации;

- для удаления шлама применяют периодическую продувку.

Перечисленные выше процессы называются внутрикотловыми и, хотя они протекают совместно, рассматривают их отдельно, особо выделяя естественную циркуляцию.

Естественной циркуляцией называется движение теплоносителя по замкнутому контуру, состоящему из обогреваемых и необогреваемых труб, барабана и коллектора. Контуры естественной циркуляции бывают простые и сложные. В простом контуре все звенья включены последовательно. Сложный контур состоит из нескольких простых, в которых некоторые элементы являются общими.

Рис. 8.1. Схема работы контура естественной циркуляции

В контуре естественной циркуляции весовой расход воды в опускных трубах равен весовому расходу смеси в обогреваемых трубах.

Показатели работы контура естественной циркуляции. Скорость циркуляции – скорость, которую имела бы вода, если бы двигалась с тем же весовым расходом, что и пароводяная смесь.

Кратность циркуляции – отношение расхода воды на входе в контур к количеству образовавшегося в этом контуре пара.

Движущий напор, вызывающий естественную циркуляцию, определяется разницей веса столба жидкости в опускных и подъемных трубах.

В конструкциях современных котлов величинами и можно пренебречь и .

Движущий напор затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений как подъемных, та и опускных труб.

Разница между движущим напором и сопротивлением подъемных труб называется полезным напором.

Конечной целью расчетов циркуляции является оценка надежности работы парогенерирующих труб, входящих в контур естественной циркуляции. Эта задача сложна, так как работа контура естественной циркуляции зависит не только от его конструкции, но и от условий эксплуатации.

Предельно допустимое значение кратности циркуляции (K > 3-4). При малых величинах K (увеличенном паросодержании) возможен переход на ухудшенный режим теплообмена.

Застой и опрокидывание циркуляции. При некоторых режимах работы испарительных поверхностей нагрева па­роводяная смесь в обогреваемых подъемных трубах может остановиться или пойти вниз, а не вверх.

Режим медленного движения воды вверх или вниз, а па­ра вверх, при котором возможен застой паровых пузырей отдельных участках трубы –отводы, гибы и пр., называется застоем циркуляции. В испарительной трубе, выведенной в паровое пространство барабана, при прекращении движения воды вследствие недостаточности полезного давления (напора) может образоваться свободный уровень воды, выше которого медленно движется насыщенный или перегретый пар. Движение пароводяной смеси вниз в подъемной трубе называется опрокидыванием циркуляции. При этом появ­ляется скопление в трубе пара, который не может преодо­леть динамическое воздействие движущегося вниз потока воды и увлекается вместе с ним, не выходя в верхний ба­рабан или коллектор.

Надежность движения потока в опускных трубах. Нор­мальное поступление воды в опускные трубы может нарушиться при захвате вместе с водой пара из барабана, по­явлении в трубах пара вследствие образования вихревых воронок над их входными сечениями, а также при вскипании воды в обогреваемых опускных трубах. Наличие пара в опускной системе уменьшает массу среды в ней и может рассматриваться как дополнительное сопротивление цир­куляционного контура.

Определяющим фактором захвата пара из барабана яв­ляется скорость воды. При наличии в барабане перегоро­док, разделяющих подъемные и опускные трубы, если скорость воды в барабанесоставляет0,2 м/с при давлении 10МПа, захват вара имеет место при 0,05( –среднее напорное паросодержание в опускныхтрубах).Захват пара в опускные трубы при присоединении их к нижним барабанам котла, а также к верхним барабанам многобарабанных котлов, в которые пароводяная смесь вводится в небольшом количестве, практически не имеет места.

На входе воды из барабана в опускную трубу при большой скорости может образоваться воронка, глубина которой сравняется с уровнем воды в барабане, результате чего пар будет захватываться в опускные трубы. Для пре­дотвращения образования такой воронки скорость воды на входе в опускные трубы должна удовлетворять условию w_оп < 0,4 м/с.

Нагретая в экономайзере питательная вода имеет энтальпию, близкую к энтальпии насыщения при данном давлении в барабане, поэтому возможно вскипание (кавита­ция) в месте ввода воды в трубы. Кавитация наступает, когда давление во входном сечении опускной трубы становится меньше, чем давление пара в барабане. Для предотвращения кавитации необходимо, чтобы соблюдалось условие р_вх < р_б;это будет иметь место при давлении, соз­даваемом уровнем воды над опускной трубой, большем, чем потеря давления на сопротивлении входа воды в трубу при данной скорости.

Способы повышения надежности циркуляции:

- секционирование экранов;

- увеличение диаметра опускных труб;

- поддержание необходимого уровня воды в барабане;

- увеличение высоты контура;

- обогрев (необогрев) опускных труб.

В обогреваемых трубах структура потока определяется не толькоработой гидродинами­ческихсил, но и сил, связанных с процессом парообразования. Приатом суммарный эффект от действия всех сил в

конечном счете скажется навеличине средних по сечению значений плотности теплоносителя,коэффициента трения, коэффициента теплоотдачи др.

Рис. 8.2. Схема парообразующей трубы.

1 – область начального подогрева воды; 2 – область поверхностного кипения – пристенный слой воды перегрет по отношению к температуре кипения, а остальная масса воды недогрета; 3 – область развитого кипения – образовавшийся в пограничном слое пар переходит в центр потока; 4 – переходная зона – заканчивается процесс парообразования и отлагаются соли; 5 – область влажного пара; 6 – область перегретого пара.

Из рисунка видно, что вдоль парогенерирующей трубы (включающей водоподогревательную и парообразующую зоны) можно рас­положить пять областей с качественно различным механизмом тепло и массообмена.

В первой области происходит начальный подогрев воды. Это область конвективного те­плообмена. Первая область заканчивается, когда температура внутренней поверхности трубы несколько превышает температуру на­сыщения.

Во второй области пристенный, слой несколько перегрет по отношению к температу­ре кипения, а вся масса жидкости недогрета ло кипения. Перегрев жидкости в пограничном слое создает условия для зарождения паровых пузырьков и их роста. Однако пузырьки пара по мере их движения в центр потока попадают а сравнительно холодную жидкость и конденсируются в ней. Таким образом, кипение в этой области происходит только на по­верхности. В связи с этим она называется областью поверхностного кипения. Эту область справа ограничивает сечение, в кото­ром вся жидкость достигает температуры кипения.

В третьей области коэффициент теплоотда­чи высок. Эта область развитого (ядерного) кипения. Образовавшийся в пограничном слое пар переходит в центр потока. Третья область закончивается паросодержанием, называемым первым граничным. Далее за ней температура стенки резко возрастает.

Четвертая область, лежащая правее первого граничного паросодержания, называется переходной. Коэффициент теплоотдачи по ее длине резко падает. Эта область справа огра­ничена паросодержанием, называемым вторым граничным.

В пятой области коэффициент теплоотдачи по длине несколько возрастает. Это область влажного пара с конвективным теплообменом

Параллельно включенные трубы никогда не бывают абсолютно одинаковыми. Одни имеют несколько больший обогрев, у других может быть иная величина шероховатости и соответственно коэффициента гидравлического сопротивления. В результате неодинакового обогрева и расхода рабочего тела через параллельные трубы энтальпия среды на выходе из них может сильно отличаться от среднего значения.

Отклонение приращения энтальпии в отдельных трубах по отношению к средней величине называется тепловой разверкой. При этом особую роль играют те трубы, в которых имеет место максимальное приращение энтальпии, так как они в первую очередь определяют надежность работы данной поверхности нагрева.

Среднее расчетное приращение энтальпии в трубе равно разности энтальпии среды на выходе и входе в данную поверхность нагрева.

Наибольшее возможное приращение энтальпии в трубе обозначим тогда тепловая разверка будет выражена отношением:

Отношение тепловых нагрузок показывает величину тепловой неравномерности, в расходов среды – гидравлической неравномерности:

Рис. 8.3. Схема работы параллельно включенных труб.