Конспект лекций по дисциплине "Котельные установки и парогенераторы". Часть 2 (Требования к чистоте пара и воды. Аэродинамика парового котла. Гидродинамика паровых котлов), страница 5

В заключении гидравлического расчета следует проверить, не превышает ли температура металла наружной поверхности парообразующих труб предельно допустимую температуру в нормальном режиме работы и в режимах ухудшенного теплообмена.

Наибольшее местное значение температуры наружной стенки вычисляется с учетом неравномерности тепловосприятия по периметру топки и периметру сечения трубы, растечки теплоты по стенке, гидравлической и конструктивной нетождественности труб. Для указанных условий температура наружной стенки трубы определяется из выражения

.

Расчет  начинается с определения средней температуры рабочей среды  (для парообразующих труб – это температура насыщения пара при заданном давлении в контуре); далее определяется конструктивный коэффициент трубы: , где  и  - наружный и внутренний диаметры трубы; толщина стенки трубы ; затем определяется превышение температуры среды в разверенной трубе над средней в участке . Тепловую нагрузку в точке максимального тепловыделения можно вычислить по формуле

,

где ,

        – лучистое тепловосприятие топочных экранов, кДж/кг;

        –тепловосприятие ширм за счет излучения из топки, кДж/кг;

        – полная поверхность стен топки, м²;

        – поверхность плоскости ширм, ограничивающих топочную камеру, м².

Температура наружной поверхности труб не должна достигать температуры окалинообразования или температуры изменения структуры металла.

При расчете температурного режима обогреваемых труб определяется возможность появления в них режима ухудшенного теплообмена. Условия и области ухудшенного теплооьмена определяются критическим паросодержанием х_кр (при кризисе I рода) и граничным паросодержанием х_гр (при кризисе II рода). Предельные паросодержания, при которых наступают кризисы теплообмена в парообразующих вертикальных трубах при равномерном их обогреве по периметру сечения, определяются по формулам. Полученные в результате расчета предельные паросодержания сравниваются с найденными при расчете циркуляции паросодержаниями в соответствующих сечениях.

Если предельное паросодержание больше расчетного, то ухудшение теплообмена в расчетном режиме не произойдет. Следует помнить, что расчет на обеспечение нормального температурного режима выполняется только для котлов с давлением выше 11 МПа или при весьма больших тепловых потоках (q_max≥400 кВт/м²). При давлениях и тепловых потоках меньше указанных нормальный температурный режим даже самой разверенной трубы обеспечивается, если кратность циркуляции К>4.

Гидродинамика прямоточных парогенераторов.

Движение потока воды, смеси и пара в трубах прямоточного котла описывается общим уравнением гидродинамики. Гидродинамическая характеристика движения потока в трубе прямоточного котла приведена на рисунке.

                         Δр    Па                                              Δр_с

                                                                                             Δр_s

                Δр_ш

           Δр_к

                                                                       D

                                                          D_а         D_в         D_с                              кг/ч

При некотором перепаде давлений между коллекторами, объединяющими трубы котла, равном Δр_к, кривая Δр_s=f(G) пересекается с прямой Δр_к=const в трех точках. Соответственно расходы жидкости через трубы равны G₁; G₂; G₃.

Разные расходы рабочего тела при одном и том же перепаде давлений в трубах Δр_к возможны только при различных удельных объемах рабочего тела . Наименьший расход G₁ соответствует наибольшему удельному объему _пар; наибольший расход G₃ соответствует протеканию среды с наименьшим удельным объемом _вод. Расходу G₂ соответствует пароводяная смесь. Гидродинамическая характеристика, при которой через отдельную трубу может протекать пар, смесь и вода, является неустойчивой. При небольшом расходе полости трубы могут быть перегреты. Для обеспечения надежной работы гидродинамическая характеристика должна быть выровнена так, чтобы каждому значению Δр соответствовало только одно значение G.

Выравнивание гидродинамической характеристики может быть достигнуто путем установки дроссельных шайб на входе воды в трубы.

Складывая перепады в трубе и дроссельной шайбе, получим суммарную кривую Δр_с=Δр+Δр_ш. При этом можно выбрать такое сопротивление шайбы, при котором характеристика движения среды в трубе будет устойчивой.

В прямоточных котлах часто применяют вертикальные экранные трубы с подъемно-опускным движением потока при подводе воды снизу и с выходом пароводяной смеси сверху. Для обеспечения устойчивой характеристики движения потока при двух- и трехходовом подъемно-опускном движении необходимы большие скорости потока. При докритическом давлении массовая скорость должна быть ωρ>1500 кг/м²·с. При закритическом давлении характеристика устойчива только на участках при h_вх>2300 кДж/кг.

Прямоточные котлы имеют большое число параллельно включенных витков  выполняются с двумя и более независимыми потоками среды, количество которой на поток составляет 120 кг/с и более. При этом ширина витков в каждом потоке становится значительной, возникает тепловая неравномерность в отдельных трубах, оцениваемая коэффициентом тепловой неравномерности

η_в=.

Для радиальных поверхностей нагрева η_в=1…1,25, для конвективных η_в≈1,3.

Снижается η_в шайбированием труб в месте входа в них воды.

Гидродинамика прямоточных котлов

докритического давления.

Движение среды в экранах прямоточных котлов обеспечивается питательными насосами.

На вход в экраны НРУ подается вода, недогретая до насыщения на 120…170 кДж/кг.

Гидравлической характеристикой экрана является зависимость полного перепада давлений Δр между входным и выходным коллекторами экрана от расхода D среды; в общем случае

Δр=Δр_гид+Δр_нив+Δр_уск,

где Δр_гид – гидравлическая составляющая потерь напора;

      Δр_нив – нивелирная составляющая перепада давлений, Δр_нив=glsinα;

      Δр_уск – перепад давлений на ускорение потока, Δр_уск=ρω(ω_к–ω_н);

       – средняя плотность среды;

      l – длина экрана;

      α – угол наклона между горизонталью и вектором скорости;

      ω_к и ω_н – скорость среды на входе и выходе из экрана.