Внутрикотловая циркуляция и гидродинамика

 

Внутри поверхностей нагрева протекают процессы подогрева и испарения воды, перегрева пара.

Этим процессам сопутствуют: выделение из воды растворенных газов – воздуха, кислорода, азота и диоксида углерода; выпадение из воды солей кальция и магния (накипеобразователей), коррозионное разрушение кислородом и диоксидом углерода внутренних поверхностей, изготовленных из стали с образованием оксидов железа; выделение из воды кристаллизовавшихся солей жесткости и образование вместе с продуктами коррозии на внутренних поверхностях нагрева отложений – накипи и шлама.

Для предотвращения или сведения к минимуму влияния каждого из указанных сопутствующих явлений необходимы их учет и применение специальных мероприятий или устройств. Так, например, при нагревании воды для обеспечения смыва со стенок труб пузырьков газа или пара скорость движения воды выбирают достаточно высокой, а воду до подачи в котельный агрегат освобождают от растворенных в ней газов в специальных устройствах, называемых деаэраторами.

Для предупреждения образования отложений на обогреваемых стенках в специальных аппаратах-фильтрах вода подвергается механической и химической очистке от примесей и солей жесткости. Содержание в котловой воде растворенных солей и шлама регулируется путем их удаления с частью котловой воды – продувкой.

Режим парообразования, требуемый по условиям надежности работы металла и обеспечивающий отвод теплоты и удаление с обогреваемой поверхности образовавшихся пузырьков пара, достигается обеспечением соответствующих скоростей движения воды, пароводяной смеси и пара. Необходимые величины скоростей можно получить, применяя принудительное движение теплоносителя с помощью насоса (принудительная циркуляция), или за счет естественной циркуляции, правильно выбрав сечения всех подводящих и отводящих труб к экранам или пучкам кипятильных труб. Распределение расходов среды по отдельным трубам и элементам в соответствии с получаемым ими количеством теплоты обеспечивают применением формы коллекторов, правильным расположением на них подводящих и отводящих труб, применением обогреваемых труб одинаковой длины и имеющих равное гидравлическое сопротивление и проведением ряда других мероприятий конструктивного характера.

Для лучшего отделения воды от пара (сепарации) в верхнем барабане или вне его устанавливают специальные приспособления для осушки пара. В некоторых случаях для защиты турбин, арматуры и труб пароперегревателя от отложений применяют устройства для промывки пара питательной водой.

Для удаления накапливающегося при работе котлоагрегата шлама в соответствующих элементах агрегатов устанавливают устройства для продувки. Воздух и газы, выделяющиеся из воды, удаляются через воздушники.

Перечисленные выше процессы принято называть внутрикотловыми, и хотя они протекают совместно, их рассматривают раздельно, выделяя процессы образования отложений, шлама, удаления газов. Условия надежного охлаждения рабочим телом обогреваемых поверхностей – принудительное движение жидкости и циркуляцию – рассматривают отдельно.

Естественной циркуляцией называется движение теплоносителя по замкнутому контуру, состоящему из обогреваемых и необогреваемых труб и коллекторов.

Движение теплоносителя возникает из-за разности плотностей теплоносителя в обогреваемой и необогреваемой частях контура. Уменьшение плотности теплоносителя в подъемной части контура по сравнению с его плотностью в опускных трубах возникает за счет обогрева. При дальнейшем нагреве теплоносителя часть его превращается в пар. Плотность пароводяной смеси значительно меньше плотности исходного теплоносителя, что интенсифицирует движение в контуре.

Кроме того, пузырьки пара всегда легче жидкости, и поэтому они стремятся занять верхнее положение, поднимаются и увлекают за собой нагреваемую жидкость.

Упрощенная схема контура с естественной циркуляцией теплоносителя показана на рис. 4.1. Питательная вода поступает в барабан 1 и смешивается с находящейся внутри барабана котловой водой. При этом питательная вода нагревается, но температура воды, поступающей в опускные трубы 2, будет немного ниже температуры насыщения, соответствующей давлению в барабане. Вода, дойдя до нижнего коллектора 3, распределяется по обогреваемым экранным трубам 4, сечение которых в несколько раз больше сечения опускных труб. До момента закипания – точки начала парообразования – вода только подогревается. Затем начинается процесс образования пара на стенках обогреваемых труб. Отрывающиеся от стенки пузырьки сначала небольшого объема (рис. 4.1, а), поднимаясь вверх, соединяются, образуют так называемый снарядный поток (рис. 4.1, б); затем отдельные пузыри-снаряды сливаются, образуя в центре труб стержень (рис. 4.1, в) и оставляя на стенках обогреваемых труб слой воды, насыщенный солями. Если достигается предельная концентрация для каких-либо солей или их смесей, то они будут выпадать, образуя на стенках отложения.

Поскольку парообразование связано с увеличением объема, скорость пароводяной смеси возрастает, и с некоторого момента пленка воды будет срываться со стенок труб в виде капель, которые за счет турбулентности потока распределяются по всему объему (рис. 4.1, г). При таком характере движения пароводяной смеси температура металла труб будет зависеть от количества капель жидкости, попадающих и испаряющихся на стенке. Температура металла может стать значительной по достижении определенной степени сухости пара, при низких его скоростях и высоких тепловых нагрузках.

 

Рис. 4.1. Упрощенная схема контура естественной циркуляции и структура потока пароводяной
смеси в трубах: а – пузырьковая структура; б – снарядная структура; в – стержневая структура;
г – эмульсионная структура; 1 – барабан; 2 – опускные или подводящие трубы; 3 – нижний коллектор; 4 – обогреваемые подъемные трубы; 5 – верхний коллектор; 6 – отводящие трубы

 

Из труб 4 пароводяная смесь поступает в верхний коллектор 5 и по отводящим трубам 6 направляется в барабан. Отделившаяся в барабане 1 вода смешивается с подаваемой питательной водой и снова поступает в опускные трубы 2, а пар отводится из барабана к потребителю непосредственно или через пароперегреватель.

Скорость поступления воды в обогреваемые трубы называют скоростью входа, или скоростью циркуляции. Количество воды G, циркулирующей по контуру, обычно значительно больше количества образовавшегося в нем пара D.

Отношение за единицу времени количества циркулирующей воды к количеству полученного в контуре пара, кг воды/кг пара, называют кратностью циркуляции:

. (4.1)

Значение величины кратности циркуляции зависит от конструкции контура, давления в контуре, тепловой нагрузки обогреваемых труб и некоторых других факторов. В экранах кратность циркуляции составляет от 4 до 20; в контурах, состоящих из барабанов, соединенных пучками кипятильных труб, от 10 до 100.

Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в трубах контура обеспечивает отвод теплоты от обогреваемых стенок, а перемешивание питательной и котловой воды выравнивает температуры элементов котлоагрегата, снижая уровень температурных напряжений.

Устойчивая естественная циркуляция обеспечивает надежность работы обогреваемых поверхностей.

При расчете естественной циркуляции в контурах котлоагрегатов используются для установившихся режимов два основных положения:

· равенство массовых расходов воды и пароводяной смеси в опускной 2 и подъемной 4 – 6 части контура (рис. 4.1);

· равенство сопротивлений контура движущим силам, возникающим из-за разности плотностей жидкости в опускной части контура и пароводяной смеси – в подъемной.

 

 

Первое положение может быть записано из условия:

, (4.2)

где w – скорость воды или смеси, м/с; f – сечение труб, м²; r – плотность воды или смеси, кг/м³; G – массовый расход воды или смеси, кг/с.

Второе положение может быть записано в виде

, (4.3)

где – суммарный полезный напор контура; – общее сопротивление опускной части контура, кПа или кгс/м².

Полезный напор любой части контура определяется как разность между движущим напором р_дв и его гидравлическими сопротивлениями D р_под:

, (4.4)

, (4.5)

, (4.6)

где Н и h – высоты контура и его частей, м, показанные на рис. 4.1; r' – плотность воды в опускной части контура, кг/м³; – средняя плотность смеси в обогреваемых или отводящих трубах, кг/м³; D р_местн – потери напора в местном сопротивлении, кПа или кгс/м²; D р_тр – потери напора на трение в трубах, кПа или кгс/м².

Принудительное движение рабочего тела имеет место в котлоагрегатах с принудительной и в части поверхностей нагрева – водяных экономайзерах и пароперегревателях котлоагрегатов с естественной циркуляцией. Например, в котлах-утилизаторах движение пароводяной смеси в элементах происходит за счет напора, создаваемого специальным насосом. В том случае, когда движение воды и пароводяной смеси в контуре осуществляется насосом, циркуляцию называют принудительной. Циркуляция может быть многократной или однократной, если вода в контуре полностью превращается в пар. В последнем случае кратность циркуляции равна единице, а рабочее тело движется в одном направлении (от входа только к выходу), т. е. прямотоком, котлоагрегаты с таким движением теплоносителя называются прямоточными.

Применение принудительного движения теплоносителя в поверхностях нагрева позволяет располагать их не только вертикально, но и горизонтально и обеспечивать как подъемное, так и опускное движение, применять трубы с меньшим внутренним диаметром (большим сопротивлением).

В том случае, когда теплоноситель не изменяет агрегатного состояния, расчет гидродинамики состоит из определения суммы потерь напора в местных сопротивлениях и потерь напора на трение. Потери напора в местных сопротивлениях складываются из падения давления в запорных задвижках, коллекторах, гибах труб, переходах, где изменяются скорости и направления потока.

Потери напора в местном сопротивлении, кПа или кгс/см², определяют по формуле

или , (4.7)

где w – скорость за местным сопротивлением, м/с; r – плотность, кг/м³; x – коэффициент местного сопротивления, определяемый по справочникам к гидравлическим расчетам;
v – удельный объем среды, м³/кг; g – ускорение силы тяжести, м/с².

 

Потери напора на трение, кПа или кгс/м², определяют по формуле Дарси – Вейсбаха:

, (4.8)

где l – коэффициент трения, зависящий при турбулентном движении от шероховатости, а при ламинарном и переходном – от числа Рейнольдса ; l и d_вн – длина и внутренний диаметр труб.

Для расчетов пользуются приведенным к диаметру коэффициентом трения l = l/d_вн, который связан с величиной шероховатости труб.

В экранных трубах стальных водогрейных котлов часто применяют не только подъемное, но и опускное движение воды. Тогда в общий перепад давлений между коллекторами, кроме потерь напора на трение и в местных сопротивлениях, следует включить величину так называемого нивелирного напора, поскольку его значение сопоставимо с другими потерями, кПа или кгс/м²:

, (4.9)

где h – геодезическая высота между коллекторами, м.

В этих случаях падение давления в экранах с подъемными и опускными участками труб составит:

. (4.10)

При движении воды вверх D р_нив принимается со знаком плюс, при опускном – со знаком минус, т. е. при положительном нивелирном напоре перепад между коллекторами возрастает и, наоборот, при отрицательном – уменьшается.