Учебник - Котельные установки часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

При падении давления в опускных трубах возможно вскипание воды за счет

теплоты, аккумулированной металлом труб, их изоляцией и водой. Кипение воды не

допускается при скорости потока менее 0,8 м/с. Если скорость потока более 0,8 м/с, то

кипение воды допускается в пределах, не приводящих к застою и опрокидыванию

циркуляции в подъемных трубах. Дело в том, что при вскипании воды в опускных трубах

сопротивление Δp*

ОП

увеличивается, увеличивается и действительное значение S

ПОЛ

КОНТ

запас на застой и опрокидывание в слабообогреваемой трубе уменьшается (при

постоянных S

ПОЛ

ЗАСТ

и S

ПОЛ

оп) (рис.9.52).

9.3. Организация сепарации влаги и пара в барабанных котлах

9.3.1.Барабан - сепарационное устройство барабанного котла

В современных паровых барабанных котлах основным сепарационным устройством

является барабан. В некоторых случаях дополнительно используются выносные циклоны.

Барабан в паровых котлах выполняет роль емкости, разделяющей пароводяной тракт

на экономайзерный, испарительный и перегревательный участки; является устройством

для сепарации влаги от пара: входит как элемент в контур естественной или

принудительной циркуляции.

Барабан парового котла представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд с

внутренним диаметром до 1600…1800 мм и длиной до 15…20 м и более, зависящих от

паропроизводительности котла. В барабан подается вода или пароводяная смесь из

экономайзера (рис.9.53).

При подаче воды над уровнем в барабане и падении ее на поверхность водяного

объема образуется большое количество водяных капель, поднимающихся в паровое

пространство барабана. Если же ввод воды производить под уровень, то слой воды

частично погасит энергию струи, но будет недостаточен для полного ее гашения. Поэтому

образуются сложные линии тока в объеме воды, волнообразование и выброс капель в

паровое пространство. Отсюда первое требование к внутрибарабанным устройствам -

гашение кинетической энергии водяной или пароводяной струи из труб после

экономайзера.

Из барабана часть воды направляется в опускные трубы контура циркуляции. При

анализе работы опускных труб (см.§ 9.2) возникает второе требование - организация

плавного входа воды в опускные трубы, с малым сопротивлением входа, и организация

устройств, предотвращающих воронкообразование и захват (снос) пара опускающейся

водой. Для того, чтобы высота уровня воды над входом в опускные трубы была

максимальной, опускные трубы необходимо выводить из барабана как можно ближе к

нижней его образующей.

В барабан из контура циркуляции по отводящим трубам поступает пароводяная

смесь с большой скоростью. Если организовать сосредоточенный ввод отводящих труб

под уровень воды, то за счет большой кинетической энергии струи и значительного

объема паровой фазы уровень воды, насыщенной паровыми пузырями, будет значительно

выше среднего, т.е. произойдет набухание уровня. При прохождении пара через границу

вода - пар будет образовываться большое количество водяных капель, поднимаемых

потоком пара.

Отсюда третье требование - организация равномерного по длине и сечению

барабана ввода пароотводящих труб и гашение энергии поступающей пароводяной струи,

обеспечение равномерности распределения паровой фазы по сечению барабана, снижение

интенсивности образования капель и их выброса в паровое пространство.

Насыщенный пар, поступивший в барабан, поднимается в верхнюю часть барабана и

отводится через трубы в пароперегреватель. Ясно, что эти трубы должны быть

расположены вдоль верхней образующей барабана, иначе может образоваться застойная

зона. Поток пара, направляющийся к сосредоточенному отводу, плохо заполняет сечение

барабана, скорость пара в средней части при этом существенно увеличивается. Поток пара

может унести часть капель воды из парового пространства в отводящие трубы и дальше в

пароперегреватель. Так как унос капель по массе невелик, то эта влага на условия

теплообмена в пароперегревателе не влияет. Если произойдет заброс влаги, т.е. большой

ее унос с паром, то вода, попадая на стенки труб пароперегревателя, вызовет резкое

охлаждение их и термическое растрескивание металла. Но и малое количество уноса

влаги может привести к нарушению работы пароперегревателя - в каплях воды

содержатся примеси, которые при испарении воды на стенке пароперегревателя образуют

отложения с низкой теплопроводностью, а при испарении в потоке перегретого пара

примеси переходят в пар и уносятся в турбину.

Четвертое требование - организация равномерного заполнения потоком пара

верхней части барабана, при снижении скорости пара, и улучшении сепарации пара от

воды.

При высоком давлении насыщенный пар, барботирующий через слой воды в

барабане, содержит значительное количество примесей, и тогда возникает пятое

требование - организация промывки пара внутри барабана.

9.3.2.Гидродинамические процессы в барабане парового котла

Прежде чем рассматривать конструктивное выполнение внутрибарабанных

устройств, необходимо провести анализ процессов барботажа и уноса влаги внутри

барабана.

Барботаж пара через воду - подъем паровой фазы в жидкости, приведенная

скорость направленного движения которой (жидкости) мала или равна нулю. Барботаж

пара имеет место в барабанах котлов, в подъемных трубах контура циркуляции при

образовании свободного уровня, застоя или опрокидывания циркуляции, в

парогенераторах и реакторах атомных электростанций, испарителях и многих других

аппаратах ряда отраслей промышленности. В общем случае аппарат, в котором

происходит процесс барботажа пара через слой жидкости, называется барботером.

Для равномерного распределения паровой фазы по сечению барботера (в том числе и

в барабане) и выравнивания скоростей пара в барботажном слое устанавливается

распределительное устройство. Обычно применяется погруженный в слой жидкости

дырчатый лист с соответствующим образом рассчитанным количеством отверстий

выбранного диаметра d

. Правильно рассчитанные дырчатые листы гасят также

кинетическую энергию пароводяных струй.

Режим работы дырчатого листа зависит от расхода паровой фазы и диаметра

паровых пузырьков и отверстия в листе (рис.9.54). При небольших расходах пара и малом

диаметре (d

< d

) пузырьки свободно проходят через отверстия в виде отдельных

пузырьков, не сливаясь (рис.9.54а). Если d

> d

, то паровой пузырек втягивается в

отверстие, разделяясь на две части (рис.9.54б). На часть пузырька, находящуюся над

листом, действуют подъемная сила и конвективные токи, стремящиеся оторвать ее от

листа.

Пока над листом будет формироваться новый пузырек, оставшиеся под листом части

пузырька могут слиться в единую паровую подушку. Следовательно, для данного

давления в системе и диаметра отверстия в листе существует скорость пара в отверстиях

, при повышении которой под дырчатым листом образуется устойчивая паровая

подушка.

Средняя скорость пара в отверстиях дырчатого листа определяется по формуле

(9.132)

где f

ОТВ

- суммарное сечение отверстий, м

В паровых котлах, парогенераторах, испарителях и подобных элементах

применяются погруженные дырчатые листы с диаметром отверстий 8…12 мм и более,так

как в пароводяной смеси может находится шлам(взвеси,чешуйки оксидов железа с

внутренних поверхностей труб),и он будет забивать мелкие отверстия.

С увеличением диаметра отверстий паровая подушка под дарчатым листом

образуется при более высоком расходе паровой фазы. В этом случае через отверстия листа

будет проходить пар в виде сплошного потока. При барботировании струя пара

разбивается на отдельные пузырьки.

Для того чтобы пар не обходил по бокам дырчатый лист, выполняется отбортовка

(рис. 9.55).

При дальнейшем увеличении расхода пара (при скорости пара w

МАКС

) отдельные

струи пара могут сливаться вблизи дырчатого листа, образуя над ним сплошной паровой

слой, отделяющий дырчатый лист от вышележащей жидкости. Это явление называется

кризисом барботажа.

После выхода из отверстий дырчатого листа пар барботирует через слой жидкости.

Слой пароводяной смеси, в котором происходит барботаж пара, называется

динамическим двухфазным слоем.

На рис.9.56 показано изменение истинного паросодержания по высоте барабана. На

выходе из пароотводящих труб истинное паросодержание равно паросодержанию

пароводяной смеси φ

ПВС

после испарительной поверхности, затем из - за смешания с водой

в барабане уменьшается. В паровой подушке φ

ПОД

= 1. На выходе из отверстий дырчатого

листа паросодержание равно относительной площади сечения отверстий φ

ДЛ

В динамическом двухфазном слое по высоте можно выделить три зоны.

В первой зоне, высотой Н

= 30…40 мм над дырчатым листом, движение пузырей

происходит под действием нивелирного напора, создаваемого под листом, и подъемной

силы. На этом участке происходит формирование устойчивых паровых пузырьков

(объединение мелких и дробление крупных паровых струй), скорость паровой фазы

уменьшается, паросодержание увеличивается.

Вторую зону называют зоной стабилизированных значений паросодержания, на этом

участке паросодержание постоянно и равно φ

СТАБ

БАРБ

. В этой зоне высотой H

= H

СТАБ

паровые пузырьки движутся под действием подъемной силы - силы Архимеда.

Третья зона переходная (Н

III

= H

П.З

). При подходе к поверхностным слоям движение

пузырей затормаживается действием силы поверхностного натяжения, вследствие чего φ

= 1 (рис.9.56). Унос влаги составляет доли процента и на гидродинамику парового потока

не влияет.

Физический уровень пароводяной смеси H'

ФИЗ

определяется от начала первого

участка до середины переходной зоны. Вся высота динамического слоя Н

Д.СЛ

равна сумме

высоты физического уровня Н'

ФИЗ

и половины высоты переходной зоны Н

П.З

(9.133)

Уровень воды в барабане определяется с помощью водомерного стекла,

соединенного с паровым и водяным объемами барабана. В водомерном стекле в жидкой

фазе нет паровых пузырьков, плотность воды близка к плотности ρ'.

Физическая высота двухфазного слоя в барабане H'

ФИЗ

больше, чем уровень столба

жидкости (весовой уровень) в водомерном стекле H'

ВЕС

на ∆Н

(9.134)

При низких давлениях ρ'' << ρ', тогда

(9.135)

Истинное паросодержание φ

БАРБ

зависит от скорости (расхода) пара, давления,

концентрации и состава примеси воды. Обычно принимают не действительную скорость

пара w

, а приведенную w"

м/с, определяемую через расход пара G

, кг/с:

= G

/ (ρ"f

БАР

), (9.136)

где f

БАР

- горизонтальное сечение барабана или, в общем случае, барботера, м

Сечение барабана f

БАР

изменяется по высоте пароводяного объема, поэтому значение

зависит не только от расхода среды, но и высоты. Принято рассчитывать w"

по

сечению барабана на границе между пароводяным и паровым объемами. Эту границу

называют зеркалом испарения. Сечение барабана на зеркале испарения f

З.ИСП

. Тогда

приведенная скорость пара w"

(9.137)

Объемный расход пара G

/ ρ'', отнесенный к площади зеркала испарения f

З.ИСП

= 1м

называется объемной нагрузкой зеркала испарения R

, м

/(с·м

)

(9.138)

или R

, м

/(ч·м

)

= 3600w"

. (9.139)

Аналогично определятся массовая нагрузка зеркала испарения R

, кг/(с·м

)

(9.140)

или R

, кг/(ч·м

)

= 3600w"

ρ"

. (9.141)

Объемная и массовая нагрузки зеркала испарения R

и R

характеризуют

интенсивность внутрибарабанных процессов. Например, для действующего котла

известны его паропроизводительность D, кг/с (или т/ч), диаметр (внутренний) барабана d

м, и его длина l

, м. Определяем массовую нагрузку зеркала испарения R

кг/(с·м

считая, что зеркало испарения находится в середине (по высоте) барабана

= D / d

. (9.142)

По этой величине находим w"

и другие характеристики двухфазного слоя.

При проектировании парового котла по заданной паропроизводительности D, кг/с,

определяем геометрию барабана и погруженного дырчатого листа, задаемся величиной

и R

, определяем сечение зеркала испарения f

З.ИСП

, по типовому диаметру барабана

находим длину барабана. Наметив место вывода опускных и ввода пароотводящих труб

контура циркуляции, находим размеры дырчатого листа. По R

находим расход пара

через дырчатый лист. Диаметр отверстий в дырчатом листе 8…12 мм.

При расчете дырчатого листа два взаимосвязанных параметра неизвестны: скорость

пара w

" и сечение отверстий. Скорость пара в дырчатом листе имеет два ограничения:

- для организации паровой подушки, по возникновению явления кризиса

барботажа; отсюда возникает условие

С увеличением приведенной скорости w"

растет количество барботируемого пара,

который движется в виде цепочки пузырей, а при дальнейшем увеличении w"

сливается в

паровые струи. Пар увлекает за собой часть воды, которая, поднявшись на определенную

высоту, затем опускается, т.е. происходит циркуляция жидкой фазы. При малом расходе

пара циркуляция жидкой фазы происходит в пределах небольшого участка стабилизации.

С увеличением w"

доля сечения, по которому проходит жидкая фаза (I - φ

БАРБ

уменьшается, высота зоны циркуляции непрерывной струи жидкости снижается,

следовательно, высота Н

СТАБ

падает. Структура поверхностного слоя разрушается - все

большая часть жидкой фазы за счет скоростной энергии пара дробится на отдельные

крупные и мелкие капли, образуется пароводяная эмульсия, возрастают размеры

переходной зоны. Это явление называют набуханием уровня. Увеличение высоты

переходной зоны приводит к росту общего уровня динамического двухфазного слоя и,

соответственно, к снижению высоты парового пространства.

Паропромывочные устройства с точки зрения гидродинамики представляют собой

барботажные системы (химические процессы - см. гл.12), выполняются двух типов:

погруженного, когда паропромывочный дырчатый лист находится в объеме жидкой фазы

(рис.9.57а), и подвешенного, находящегося в паровом объеме, над зеркалом испарения

(рис. 9.57б).

На паропромывочное устройство подается питательная вода (в парогенераторах и

барабанах паровых котлов), которая растекается по дырчатому листу, образуя слой воды

высотой Н

ВЕС

, и сливается по периферии листа. Толщина слоя промывочной воды

определяется высотой бортиков Н

БОРТ

.Пар направляется с помощью отбортовок (щек) под

промывочный лист, проходит через отверстия, барботирует через слой промывочной воды

и уходит на паросепарационные устройства. Проходящий через отверстия листа пар

препятствует протеканию через них жидкости. Скорость пара в отверстиях дырчатого

листа должна быть выбрана такой, чтобы жидкость удерживалась на промывочном листе

и сливалась только по периферии листа или по специальным сливным линиям - такой

режим называется беспровальным.

Высота бортиков Н

БОРТ

составляет 40…60 мм (эту высоту называют также высотой

перелива Н

ПЕР

). Действительный уровень H

ВЕС

превосходит уровень перелива на 5…10 мм,

т.е.

ВЕС

= H

ПЕР

+ (5…10)мм.

При дроблении жидкости на капли, при возмущении зеркала испарения пароводяной

струей или при выходе парового пузыря из водяного объема в паровой происходит унос

влаги паром.

В современных барабанах устанавливаются системы гашения кинетической энергии

струй воды и пароводяной смеси, поступающих в барабан, и равномерной раздачи по

сечению барабана. В этих условиях определяющим генератором капель воды в паровой

объем является разрыв пузырей пара (рис.9.58).

Всплывающий пузырь пара подвержен воздействию силы внутреннего давления,

стремящегося разорвать жидкую пленку вокруг пузыря, и силы поверхностного

натяжения этой пленки.

В начальный момент выхода пузыря из объема жидкости (рис.9.58в) вода с пленки

стекает, пленка утоняется и разрывается (рис.9.58г). Пар выходит через образовавшееся

отверстие, разрушает верхнюю часть пленки и превращает ее в мелкие капли воды.

Остатки жидкой пленки опускаются вниз, заполняют образовавшуюся после выхода пара

лунку в воде. Соударение движущихся потоков воды в центре лунки приводит к выбросу

крупных капель воды в паровой объем (рис. 9.58д).

На каплю воды диаметром d

в паровом пространстве действуют две силы:

сила Архимеда (направленная вниз)

(9.143a)

сила динамического напора пара (направленная вверх)

(9.143б)

где ξ - коэффициент сопротивления.

При равенстве этих сил капля воды будет витать в потоке пара. Скорость пара, при

которой наблюдается витание, называют скоростью витания, ее можно определить из

равенства F

= F

(9.144)

Скорость витания w

ВИТ

зависит от давления и диаметра капель: при р = 10 МПа и d

1 мм, w

ВИТ

= 0,6 м/с; d

= 0,2 мм, w

ВИТ

= 0,15 м/с; d

= 0,1 мм, w

ВИТ

= 0,07 м/с. Для d

= 0,1

мм и р = 1 МПа, w

ВИТ

=0,25 м/с. С увеличением давления скорость витания уменьшается,

т.е. при равной скорости пара унос капель увеличивается.

Капли диаметром d

, для которых скорость витания меньше скорости пара w"

уносятся потоком пара; капли с w

ВИТ

> w"

оседают в водяной объем. Скорость оседания

капель воды

ос

= w

ВИТ

- w"

Унос влаги паром характеризуется его влажностью ω, %, которая определяется как

отношение массы водяных капель m

к массе влажного пара

(9.145)

где m

- масса паровой фазы.

Таким образом, влажность пара определяется забросом капель воды в

пароотводящие трубы и уносом капель потоком пара. При малых высотах парового

пространства основную роль играет прямой заброс водяных капель, а при больших

высотах - унос влаги. Поэтому ω сильно зависит от высоты парового пространства

(рис.9.59), особенно до высоты 0,8…1 м.

Зависимость влажности пара от его скорости w"

сложная и имеет вид

ω = С(w"

)

. (9.146)

Это связано с распределением капель воды по размерам по скорости их витания (рис.

9.60а).

При малой скорости пара, условно - до w

(рис. 9.60б), показатель степени n < 2; с

увеличением скорости пара уносятся паром все более крупные капли, показатель степени

увеличивается до 4…5; при скорости пара w"

приближающейся к w

ВИТ

СР

(рис. 9.60), резко

возрастают количество и масса унесенных капель воды, влажность возрастает с

показателем степени n > 5…6.