Учебник - Котельные установки часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

температурного режима обогреваемой трубы работа этих котлов существенно

различается.

В прямоточном котле процесс генерации пара (испарения воды) от состояния воды (х

= 0) до получения сухого пара (х = 1) происходит в обогреваемых трубах; структура

пароводяного потока непрерывно изменяется по длине канала (см.гл.8), при этом в каком-

то месте трубы происходит кризис теплообмена, связанный с ухудшением теплоотдачи от

стенки к жидкости и сопровождающийся более или менее значительным возрастанием

температуры стенки трубы.

В барабанных котлах в испарительной поверхности превращается в пар только часть

воды и пароводяная смесь с массовым паросодержанием х

поступает в барабан или

выносной циклон, где происходит отделение пара от воды. Пар направляется в

пароперегреватель, а вода снова поступает в контур циркуляции, где частично испаряется,

и т.д.

Кратность циркуляции воды в контуре К

связана с х

зависимостью

(10.14)

Следовательно, воздействуя на кратность циркуляции в испарительном контуре

барабанного котла, можно в определенных границах изменять паросодержание х

Таким образом, при докритическом давлении прежде всего следует установить

параметры, при которых может возникнуть кризис теплообмена, с тем, чтобы в

барабанных котлах избежать его, а в прямоточных котлах свести к допустимым пределам

его отрицательные последствия.

Термин кризис теплообмена (кризис теплоотдачи, кризис кипения, ухудшенный

теплообмен) объединяет ряд процессов, которые приводят к ухудшению теплоотвода от

стенки к двухфазному потоку водного теплоносителя и к повышению температуры

поверхности трубы.

Кризис теплообмена в трубах может возникнуть при разных режимах течения

двухфазного потока в зависимости от теплового потока q.

На (рис.10.3) показаны основные режимы течения, истинное паросодержание φ и

тепловой поток q по длине канала (при массовом паросодержании х), приводящие к

кризису теплообмена.

При больших значениях теплового потока q

(рис.10.3) поверхностное кипение воды

начинается при х<0, т.е. когда поток жидкости недогрет до температуры кипения.

Пузырьки пара конденсируются только в пристенном слое, в этом слое истинное

паросодержание φ

ст

максимально.

По мере увеличения температуры жидкости t

и массового паросодержания от х

вх

до

интенсивность конденсации паровых пузырей уменьшается, отвод пара от стенки

снижается. Это приводит к увеличению доли паровой фазы на стенке, передача теплоты

происходит не к воде, а к пару, коэффициент теплоотдачи при этом резко снижается,

температура стенки скачкообразно растет. Таким образом, в сечении I-I возникает кризис

теплоотдачи. Значения теплового потока q

и массового паросодержания х

в сечении

трубы, где возникает кризис, называются критическими и обозначаются q

кр

и х

кр

При заданных значениях массовой скорости ρw, давления р и диаметра трубы d

вн

между q

кр

и х

кр

существует взаимосвязь. На (рис.10.3,) для больших тепловых потоков

соотношение между q

кр

и х

кр

обозначено точкой а.

Кризис теплообмена в случае (рис.10.3) характеризуется при высоком тепловом

потоке малым коэффициентом теплоотдачи к пару, что может привести к недопустимо

высокому значению температуры стенки.

Понижение теплового потока приводит к тому, что кризис теплообмена наступает

при более высоком значении массового паросодержания. При прогреве ядра потока до

температуры кипения пузырьки пара, уносимые потоком от стенки, не конденсируются и

заполняют все сечение трубы (пузырьковый режим течения, х > 0). Паровые пузырьки

расположены неравномерно по сечению трубы. На самой поверхности стенки имеется

слой жидкости. В любой момент времени часть поверхности занята образующимися

пузырьками пара и у поверхности стенки φ > 0 (рис.10.3).

Достигнув определенных размеров, пузырьки пара отрываются от стенки и движутся

в сторону ядра потока. Из ядра потока к стенке движется жидкость для восполнения ее

потерь. Встречное движение жидкости и паровых пузырьков затрудняет их взаимное

перемещение в двухфазном пограничном слое. Замедленное удаление паровых пузырьков

из этого слоя приводит к увеличенному паросодержанию в слое. Пройдя через

двухфазный слой, паровые пузырьки попадают в ядро потока, где их концентрация

(истинное паросодержание) уменьшается. Таким образом, максимальное значение φ

находится в двухфазном пограничном слое (рис.10.3, сечение 1-1).

При движении пароводяной смеси внутри обогреваемой трубы массовое

паросодержание увеличивается, истинное паросодержание в пограничном слое растет

(рис.10.3, сечение 1-1), подток жидкости к стенке уменьшается. В результате при высоком

интенсивном паросодержании в пограничном слое устойчивость пограничного слоя

нарушается, жидкость из ядра потока к стенке через него не поступает, возникает кризис

теплообмена (рис.10.3, сечение 1-1), балансовое массовое паросодержание x

). Имевшаяся

до этого пленка жидкости на стенке испаряется, и образуется паровая пленка с

существенно меньшим коэффициентом теплоотдачи.

Рассмотренные два случая кризиса теплообмена (в области недогретой жидкости, в

области малого паросодержания при пузырьковом режиме течения) имеют общую

физическую основу:

нарушение устойчивости двухфазного пограничного слоя, когда движущийся от стенки

поток пара препятствует поступлению жидкости к стенке, в результате чего на стенке

вместо слоя жидкости образуется паровая пленка. Такой тип кризиса теплообмена

называется кризисом теплообмена первого рода.

Дальнейшее снижение теплового потока приводит к тому, что кризис теплообмена

не возникает вплоть до образования дисперсно-кольцевого режима течения потока.

На (рис.10.1) через х

д.к

обозначено массовое паросодержание, при котором

происходит переход к дисперсно-кольцевому режиму. Этот режим течения двухфазного

потока характерен тем, что часть жидкости течет по стенке трубы в виде пленки, а

остальная жидкая фаза находится в виде капель в паровом потоке (рис.10.1, c). Между

жидкой пленкой на стенке и паровым потоком существует достаточно четкая граница

раздела.

Основным механизмом отвода теплоты от стенки является не образование на стенке

паровых пузырей и их отвод, а испарение жидкости с поверхности пленки. Поэтому по

мере утонения жидкой пленки значение φ в пленке стремится к нулю. Утонение пленки

происходит также за счет механического уноса капель воды паровым потоком с гребней

волны, образующейся на поверхности пленки.

С другой стороны, из ядра потока часть водяных капель падает на поверхность

пленки, т.е. орошают ее. За счет орошения масса жидкой пленки растет.

Рассмотрим возникновение кризиса теплообмена при дисперсно-кольцевом режиме

течения (рис.10.3, c) тепловой поток q

). Толщина жидкой пленки при течении вдоль

стенки постепенно уменьшается за счет испарения с поверхности, образования паровых

пузырьков и механического уноса. Орошение пленки каплями воды потока не

учитывается. В сечении 1-1 на стенке трубы происходит полное испарение жидкой

пленки, дальше стенка омывается потоком пара - наступает кризис теплообмена, который

называется кризисом теплообмена второго рода без орошения.

Для кризиса второго рода без орошения характерно то, что в зоне своего

существования по тепловому потоку (от q

до q

(рис.10.3) кризис наступает при одном и

том же значении массового паросодержания x

гр

, которое называют граничным

паросодержанием.

При орошении жидкой пленки каплями воды увеличивается масса пленки и кризис

наступает при граничном паросодержании х

гр

, более высоком, чем , причем х

гр

зависит от

кр

(пунктирная кривая BE, (рис.10.3). Такой кризис называется кризисом теплообмена

второго рода с орошением.

При тепловом потоке q

(рис.10.3) до сечения I-I стенка трубы, не имеющая

жидкой пленки, орошается каплями воды из ядра, которые испаряются на стенке и

охлаждают ее. Когда капли воды начинают испаряться в потоке пара, орошение стенки

прекращается. Возникает кризис орошения стенки, и ее температура значительно

увеличивается.

Таким образом, всю область зависимости q

кр

= q

можно разделить на следующие

зоны (рис.10.3): АВ - зона кризиса первого рода; BD - зона кризиса второго рода без

орошения;

BE - зона кризиса второго рода с орошением; D(E)F - зона кризиса орошения. При

хорошем (интенсивном) орошении обогреваемой стенки кризис теплообмена второго рода

выражен не столь явно (кривая ВС), приближаясь по своим характеристикам к кризису

первого рода.

На (рис.10.4) приведена зависимость q

кр

от недогрева воды ∆t

нед

- t

р.ср

паросодержания х для разных значений массовой скорости ρw при постоянном давлении р

= 16 МПа. Пунктиром показаны минимальные значения граничного паросодержания. При

ρw = 750 кг/(м

∙с) и ρw = 1000 кг/(м

∙с) имеется четкая граница перехода кризиса

теплообмена первого рода в кризис теплообмена второго рода при x

гр

= 0,35…0,32. Для р

= 16 МПа зона кризиса второго рода по q

кр

составляет от 0,8 МВт/м

и менее. С

повышением массовой скорости r

≥1500 кг/(м

∙с) граничное паросодержание

уменьшается, но носит более условный характер, так как резкого перелома в зависимости

кр

от х не наблюдается.

Влияние массовой скорости пароводяной смеси в трубе на параметры кризиса

теплообмена неоднозначно, в области недогретой жидкости и при малом паросодержании

(х до 0,2…0,25) увлечение массовой скорости существенно увеличивает q

кр

и смещает х

кр

(при q = const) в область более высоких значений х. При х > 0,20…0,25 влияние массовой

скорости смеси на q

кр

и х

кр

мало.

При постоянном значении ρw с ростом давления значение q

кр

снижается. С

уменьшением диаметра (при d < 20 мм) значение q

кр

растет, а с увеличением диаметра

свыше 20 мм изменяется мало.

Заметное снижение q

кр

происходит при потере устойчивости расхода в поверхностях

нагрева. Пульсация расхода среды в параллельных трубах вызывает пульсацию

паросодержания и давления в них (см. гл.9). При одинаковых средних значениях ρw и х в

пульсационном режиме q

кр

может быть в 5 раз меньше, чем в устойчивом,

беспульсационном режиме. Поэтому конструкции и режимы работы экранных панелей не

допускают возникновения пульсации расходов в трубах.

Коэффициент запаса до кризиса теплообмена k

представляет собой отношение

критической плотности теплового потока q

кр

к выбранному расчетному значению q

(10.15)

Уменьшение коэффициента запаса (k

≈ 1) за счет увеличения расчетного теплового

потока q

приводит к уменьшению поверхности нагрева, затрат материалов и стоимости

котла. С другой стороны, растет вероятность наступления кризиса теплообмена в

отдельных трубах поверхности, при этом может произойти разрыв труб. На (рис. 10.5)

представлена зависимость скачка температуры стенки в момент кризиса теплообмена от

массовой скорости пароводяной смеси и плотности теплового потока. Видно, что скачок

температуры составляет десятки и даже сотни градусов. Уменьшить его можно за счет

снижения теплового потока, т.е. перехода в зону кризиса второго рода, но поверхность

нагрева при этом возрастает. Второй путь снижения скачка температуры - переход на

более высокую массовую скорость смеси ρw ≈ (3…6)∙10

кг/(м∙с), что приводит к

снижению экономичности работы котла, так как возникает дополнительный расход

энергии на преодоление гидравлического сопротивления труб.

Для определения коэффициента запаса до кризиса теплообмена по заданным

значениям р и ρw на основе данных из справочников по теплообмену строится

зависимость q

кр

от х

кр

(линия АBС, (рис. 10.6).

Расчет ведется по допустимому значению теплового потока q

доп

(кривая A'B'C), выше

которого наступает кризис теплообмена:

(10.16)

где σ

- среднеквадратическая погрешность экспериментальных данных по значению q

кр

Для конкретной поверхности нагрева строится кривая KLMN, характеризующая

соотношение тепловой нагрузки q

и массового паросодержания х по длине трубы от х

вх

до х

вых

Изменение паросодержания смеси от х

вх

до х (М) в произвольной точке М составит

∆x

. При увеличении теплового потока в n раз, Δx также изменится в n раз. При

определенном значении n кривая KLMN касается кривой А` В` С в точке М``, где

максимальное значение теплового потока q

max

равно допустимому значению q

доп

. Расчет

коэффициента запаса до кризиса теплообмена ведется не по значению q

max

в точке М``, а

по тепловому потоку q

max

-3σ

(точка М`), и коэффициент запаса до кризиса теплообмена

составляет

(10.17)

где q

принимается в точке М (рис.10.6).

Минимальный коэффициент запаса k

min

можно представить как произведение

коэффициентов запаса k

, учитывающих возможные отклонения параметров работы или

конструкции элемента поверхности от средних расчетных значений:

(10.18)

При расчете испарительных поверхностей нагрева паровых котлов учитывается

следующие факторы:

1. неравномерность температуры воды на входе в отдельные трубы поверхности

нагрева из раздающего коллектора ввиду неполного перемешивания поступающей

воды из предыдущей поверхности нагрева (k

=1,01…1,03).

Особенно опасно, если в раздающий коллектор поступает пароводяная смесь, что

приводит к неравномерному расходу по трубам экранов воды и пара и перегреву

отдельных труб. В тепло-напряженные поверхности нагрева прямоточных котлов

(НРЧ) из раздающих коллекторов в трубы экрана должна поступать только вода,

недогретая до кипения примерно на 150…170 кДж/кг (на 40°С). На всем

испарительном тракте нижней радиационной части (по крайней мере до х = 0,7) по

той же причине не устанавливаются промежуточные коллекторы;

2. неравномерность тепловосприятия (см. 10.2) в топочной камере между стенками

топки (k

= η

ст

= 0,95…1,1), по высоте топки (k

= η

= 0,6…1,5) пo ширине стены (k

= η

= 1,0…1,4). Если расчет температурного режима элемента ведется по q

max

, то

коэффициенты запаса k

и k

в общем коэффициенте запаса k

мин

не учитываются;

3. неравномерность расхода среды по трубам (гидравлическая разверка) k

= 1,1…1,2

и конструктивная нетождественность труб (различие длин) k

=1,05…1,20

рассматриваются в гл.9;

4. погрешности, вызванные неточностью расчета, изготовлением и эксплуатацией

парового котла и его элементов:

 погрешности расчета (k

= 1,1);

 отклонение фактического тепловосприятия поверхности нагрева от расчетного (k

= 1,1);

 отклонение реальной мощности парового котла от расчетной (k

=1,04…1,05);

 отклонение мощности парового котла из-за колебаний нагрузки на турбогенераторе

= 1,03).

Как видно, в наибольшей мере коэффициент запаса определяется неравномерностью

тепловосприятия (k

≈ 2,0…2,3), остальные факторы требуют запаса порядка 1,5…1,6.

Полное значение коэффициента запаса (с учетом всех факторов) составляет k

мин

= 3,0…

3,8.

Общая характеристика возможности возникновения кризиса теплообмена в паровых

котлах может быть сделана по графикам типа (рис. 10.4), построенным для давления 16

МПа (для других давлений строятся аналогичные графики).

В барабанных паровых котлах вода в подъемные обогреваемые трубы поступает с

небольшим недогревом до кипения. Массовая скорость среды в подъемных трубах

контура естественной циркуляции невысока и составляет 750…1000 кг/(м

∙с). При таком

значении ρw граничное паросодержание x

гр

= 0,33…0,35 (рис. 10.4). Для предотвращения

кризиса теплообмена второго рода, паросодержание на выходе из подъемной трубы х

вых

должно быть не более 0,20…0,25, что соответствует минимальной кратности циркуляции

4…5. Принимая х

вых

= 0,20…0,25 и ρw = 750 кг/(м

∙с), коэффициент запаса k

мин

= 3,5,

оцениваем по (рис. 10.4) в качестве примера допустимые значения плотности теплового

потока (на внутреннюю поверхность трубы при диаметре трубы 60х50 мм, β = 1,2): в

верхней части топки q

вн

= 300 кВт/м

, в средней части q

ср

= 430 кВт/м

, в нижней части

= 500 кВт/м

. При этом в области максимума тепловыделения в топке воспринятый

тепловой поток (по наружному диаметру трубы) должен быть не более 350…400 кВт/м

В прямоточных паровых котлах вода в нижнюю радиационную часть (НРЧ)

поступает, как указано ранее, с недогревом до кипения порядка 30…40°С, а на выходе из

НРЧ паросодержание должно быть х

вых

=0,70…0,75. Такое паросодержание соответствует

дисперсному режиму течения, и, следовательно, можно организовать равномерную

раздачу пароводяной смеси в трубы последующей поверхности нагрева. Для того чтобы

избежать в этих условиях в НРЧ кризис теплообмена второго рода, приходится принимать

более высокую массовую скорость ρw = 1500…2500 кг/(м

∙с).

Работа трубы в области ухудшенного теплообмена разрешается, если разность между

температурой стенки и рабочей средой не превышает 80°С.

На (рис. 10.7) показано соотношение между массовой скоростью ρw и тепловым

потоком на внутреннюю поверхность q

вн

обеспечивающее разность температур 80°С. Из

рисунка видно, что при ρw = 1500…2000 кг/(м

∙с) и р = 14,7 МПа тепловой поток q

вн

≤

480…550 кВт/м

, а при пересчете на наружную поверхность (диаметр трубы 38х29 мм, β =

1,31) - q

= 370…420 кВт/м

. Если принять коэффициент запаса k

= 3,5, то допустимый

тепловой поток q

= 105…120 кВт/м

, что в 3 раза меньше, чем для барабанных котлов.

Для обеспечения допустимого температурного режима трубы в этих условиях

необходимо проектировать топочные камеры с невысокой тепловой нагрузкой на экраны,

что возможно для пылеугольных котлов, либо уменьшать неравномерность

тепловосприятия и гидравлическую разверку, а при необходимости увеличивать массовую

скорость среды в трубах.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к водному теплоносителю α

, имеет разные

значения в зависимости от соотношения температуры потока t

, стенки t

ст

и температуры

насыщения t

. По длине трубы можно выделить следующие зоны, отличающиеся методом

расчета α

Зона подогрева (экономайзерная) - вода нагревается от температуры потока на входе

в участок tвх до температуры начала кипения у стенки tн.к (рис. 8.8). Коэффициент

теплоотдачи α

, определяется по формулам конвективного теплообмена для однофазной

жидкости

(10.19)

где μ - коэффициент динамической вязкости, Па∙с.

Нижний индекс “п” указывает, что теплофизические величины принимаются по

средней температуре потока.

Для водного теплоносителя при ρw = 500…1500 кг/(м

∙с) коэффициент теплоотдачи

= 5…12 кВт/(м

∙с). Разность температуры стенки и среды составит для экономайзерного

участка НРЧ при q

вн

= 400 кВт/м

и ρw = 1500 кг/(м

∙с)

∆t = t

ст

- tп = q

вн

/ α

= 400/10 = 40°С.

В экономайзере, расположенном в конвективной шахте при невысоких тепловых

потоках (q < 30 кВт/м

), ∆t составит всего несколько градусов.

Зона поверхностного кипения - зона кипения воды вблизи стенки, когда в центре

(ядре) потока вода недогрета до температуры кипения. Образующиеся на стенке пузыри

пара переходят в ядро потока, где конденсируются. Эффективность теплообмена при этом

возрастает. На теплообмен при поверхностном кипении оказывают влияние плотность

теплового потока, давление, недогрев потока до температуры кипения, скорость потока.

Коэффициент теплоотдачи в этой зоне можно рассчитать по формуле

(10.20)

где α

- коэффициент теплоотдачи при развитом кипении в объеме неподвижной воды:

(10.21)

- коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении однофазной жидкости,

определяется по формуле (10.19).

При р = 15 МПа значение α

≈ 20q

0,7

. Если принять q = 400 кВт/м

, α

= 10 кВт/(м

∙К),

- t

)/q <<1/α

, то получим α

≈ α

≈ 20q

0,7

(400 000)

0,7

= 167∙10

Вт/(м

∙К) = 167 кВт/(м

∙К).

Таким образом, в зоне поверхностного кипения коэффициент теплоотдачи α

увеличивается от значения около 10 кВт/(м

∙К) в зоне подогрева до 160 кВт/(м

∙К), а

разность температур Δt уменьшается до 2…5°С (Δt ≈ 400/160 = 2,5°С). Следовательно,

температура внутренней поверхности стенки трубы в зоне поверхностного кипения мало

отличается от температуры потока, а в конце участка - от температуры насыщения t

Зона развитого кипения - от температуры в ядре потока t

до сечения, где наступает

кризис теплообмена. В этой зоне массовое паросодержание непрерывно увеличивается,

изменяются режимы течения: пузырьковый, снарядный, эмульсионный, дисперсно-

кольцевой (кольцевой). При высоких тепловых потоках и давлении коэффициент

теплоотдачи α

можно оценить по упрощенной зависимости

(10.22)

Для р = 15 МПа и q = 400 кВт/м

коэффициент теплоотдачи α

≈ 150 кВт/(м

∙К), т.е. в

зоне развитого кипения температура стенки будет выше t

, всего на несколько градусов.

Зона ухудшенного теплообмена (закризисная зона) - от сечения кризиса

теплообмена до конца испарительного участка трубы. В трубе за сечением начала кризиса

двухфазный поток имеет дисперсионную структуру (капли жидкости распределены в

потоке пара). Теплота от стенки отводится движущимся около нее паром, причем пар

перегревается. Поступая в ядро потока, пар охлаждается, отдавая теплоту испаряющимся

каплям жидкости.

При ρw > 700…800 кВт/(м

∙К) коэффициент теплоотдачи в зоне ухудшенного

теплообмена рассчитывается по формуле