Учебник - Котельные установки часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

Давление среды по ходу движения ее (сверху вниз) растет за счет нивелирного

напора и уменьшается за счет сопротивления трения:

Δp = Δp

ТР

-Δp

НИВ

; (9.61)

ВЫХ

= p

ВХ

- Δp = p

ВХ

+ Δp

НИВ

-Δp

ТР

; (9.62)

Соответственно, энтальпия насыщения h'(p) также увеличивается сверху вниз, в

точке закипания h'(p

Т.З.

) = h(l

т.з

), длина экономайзерного участка l

ЭК

= l

Т.З.

Если принять

энтальпию насыщения постоянной по высоте трубы h'(l) = h'(p

ВХ

), то длина

экономайзерного участка будет меньше: (рис.9.15).

Следует обратить внимание на различия в изменении параметров среды при

подъемном и опускном движении:

- при подъемном движении давление и энтальпия насыщения по ходу среды

уменьшаются; следовательно, если в необогреваемую трубу подавать среду с Δh

НЕД

ВХ

= h'(p

ВХ

)), то в ней начнется вскипание воды с энтальпией испарения

Вскипания в необогреваемой трубе не будет, если

- при опускном движении давление и энтальпия насыщения по ходу среды

увеличиваются; поэтому при подаче на вход воды с Δh

НЕД

ВХ

= 0 вскипания воды не будет,

наоборот, появится недогрев

максимален недогрев на выходе из трубы

С учетом недогрева на входе в трубу Δh

НЕД

ВХ

суммарный недогрев на выходе трубы

(внизу)

(9.63)

Таким образом, длины экономайзерного и испарительного участков в вертикальной

трубе практически такие же, что и в горизонтальной трубе. Поэтому гидравлическое

сопротивление трения в вертикальной трубе можно принимать таким же, как и в

горизонтальной, и, следовательно, для его расчета справедливы полученные ранее

зависимости, в том числе и учитывающие влияние местного сопротивления и

сопротивления ускорения.

Нивелирный напор рассчитывается по формуле (8.91)

(9.64)

Для парогенерирующих труб нивелирный напор можно представить как сумму

напоров на экономайзерном и испарительном участках:

где

(9.65а)

(9.65б)

Истинное паросодержание на испарительном участке изменяется от нуля до

максимального значения на выходе из трубы φ

ВЫХ

. В качестве первого приближения

среднеинтегральное значение можно заменить на среднеарифметическое

(9.66)

Проведем графический анализ зависимости Δp

НИВ

от расхода среды G.

На рис.9.16а показана зависимость энтальпия среды от расхода среды. При G →∞, h

→ h

ВХ

. С уменьшением расхода энтальпия растет и достигает значения h' при G

а затем

вода начинает испаряться. При расходе G

энтальпия среды на выходе h = h", насыщенный

пар начинает перегреваться. Таким образом, при G ≥ G

имеем поток однофазной среды,

при G

< G < G

есть экономайзерный и испарительный участки, при G < G

появляется

еще участок перегрева пара. Относительная доля (рис.9.16б) экономайзерного участка l

ЭК

l с уменьшением расхода при G < G

падает, испарительного участка l

ИСП

/l при G = G

…G

растет, а при G < G

- падает; доля участка перегрева при G < G

увеличивается от 0 до 1

(при G = 0).

В соответствии с этим изменением фазового состава потока будет изменяться и

истинное паросодержание : при G > G

= 0; при G < G

непрерывно растет, стремясь

к 1 при G = 0. Нивелирный напор при подъемном движении Δp

НИВ

на участке

однофазного потока (G > G

) равен ρ'gH, а при G = 0 ( = 1) Δp

НИВ

≈ ρ"gh . Между этими

крайними значениями Δh

НИВ

изменяется монотонно и более интенсивно при малых

расходах (рис.9.17).

При опускном движении среды график зависимости Δh

НИВ

ОП

отличается от графика,

симметричного Δh

НИВ

(пунктирная линия на рис.9.17). Это связано с тем, что при

опускном движении коэффициент C > 1 (при подъемном - С < 1), φ

ОП

> φ

при одинаковом

значении х и Δp

НИВ

ОП

по абсолютной величине меньше при одинаковом расходе среды. С

увеличением расхода среды это различие уменьшается.

Полученные графики используем для построения гидравлических характеристик

вертикальных труб.

На рис.9.18 показана зависимость Δp

(для примера взята однозначная зависимость)

и Δp

НИВ

от расхода среды для одноходовой трубы с подъемным движением, а на рис.9.19 -

с опускным движением среды. Видно, что суммарная гидравлическая характеристика при

подъемном движении остается однозначной, а при опускном появляется зона

многозначности (wρ < wρ

МИН

), когда одному перепаду давления Δp соответствуют два

расхода среды. Следовательно, при опускном движении потока нивелирный напор

ухудшает гидравлическую характеристику.

При построении гидравлической характеристики труб с двумя вертикальными

участками (П-, U-образные компоновки панелей) необходимо иметь в виду, что на втором

участке (по ходу среды) энтальпия среды выше, чем на первом.

Следовательно, средняя плотность среды на втором участке ρ

всегда ниже, чем на

первом участке : В зависимости от последовательности ходов (подъемный -

опускной или наоборот) суммарный нивелирный напор будет иметь разный знак. При П -

образной компоновке (рис.9.20) наблюдается подъемно-опускная схема движения потока.

В этом случае нивелирный напор будет равен

Так как то Δp

НИВ

> 0. При G → 0 средняя плотность на обоих участках стремится к

плотности пара, а разность - к нулю. С другой стороны, при G → ∞ в обеих ветвях будет

вода и разность - также стремится к нулю. Следовательно, зависимость Δp

НИВ

= f(G) имеет

максимум при каком-то значении G. Полная гидравлическая характеристика Δp = Δp

+Δ

НИВ

может иметь зону многозначности.

Для U-образной компоновки последовательность движения обратная: схема

опускная-подъемная, нивелирный напор при этом отрицателен

В целом гидравлическая характеристика труб U-образной системы компоновки (рис.9.21)

неоднозначна в широком диапазоне расходов среды.

Таким образом, гидравлические характеристики труб имеют значительный диапазон

неоднозначности, что накладывает существенные ограничения на допустимые значения

расхода среды.

Аналогично можно построить гидравлические характеристики для N-образных и

более сложных компоновок поверхностей нагрева.

9.1.4.Гидравлические характеристики системы труб парового

котла

В предыдущих разделах рассматривалась гидравлическая характеристика одиночной

трубы. Элементы парового котла (поверхности нагрева, соединительные трубопроводы)

выполняются из ряда параллельно включенных труб, а сами элементы могут быть

соединены как параллельно, так и последовательно. В зависимости от схемы соединения

суммирование гидравлических характеристик отдельных труб производится различными

способами. При последовательном включении труб или элементов суммирование

производится при одинаковых расходах среды (рис.9.22а): сопротивление двух или более

последовательно включенных труб равно сумме их сопротивлений (Δр = ΣΔp

при G =

const). При параллельном соединении труб или элементов (рис.9.22а) перепад давления на

них одинаков, но расход равен сумме расходов по отдельным трубам (G = ΣG

, при Δр =

const).

Сравним режим работы одиночной трубы и трубы в элементе (системе труб),

имеющих многозначные гидравлические характеристики (рис.9.23). В одиночной трубе

расход среды может изменяться за счет производительности насоса непрерывно от нуля

до G

, перепад давления на трубе будет изменяться в соответствии с характеристикой 0 - 1

- 2 - 3 - 4 - 5 - 6 (рис.9.23а).

При увеличении расхода среды в элементе будет увеличиваться и расход в каждой из

труб. Считаем, что все трубы элемента имеют аналогичные гидравлические

характеристики (рис.9.23б).

При увеличении расхода до G

расход по всем трубам одинаков. Дальнейшее

повышение расхода (G > G

) в элементе приводит к тому, что расход среды в трубах будет

различным - в ряде труб G

, в других G

. Причем в зависимости от режима работы котла в

одной и той же трубе может быть то G

, то G

, т.е. может возникнуть пульсация расхода

среды в трубах. В трубах с меньшим расходом среды и при режиме пульсации надежность

работы труб и элемента в целом снижается. При достижении среднего расхода в элементе

величины G

трубы элемента опять выходят на устойчивый, однозначный режим работы.

Таким образом, при подъеме нагрузки участок характеристики G

- G

не реализуется, в

этом диапазоне работа элемента носит неустойчивый характер, опасный для надежности

работы труб.

При понижении расхода в элементе на участках 6 - 5 - 4 и 2 - 1 - 0 (рис.9.23б)

наблюдается устойчивая работа труб, а в диапазоне расходов G

- G

- неустойчивый

режим работы, с расходом в разных трубах G

или G

. Опускной участок характеристики 3

- 4 обычно не реализуется, за исключением случаев, когда число параллельных труб не

превышает трех - четырех. При этом расходы среды в трубах соответствуют точкам 8 или

Таким образом, устойчивая работа труб в элементе обеспечивается на подъемных

участках гидравлической характеристики (0 - 1 - 2 - 3 и 4 - 5 - 6). Левая ветвь

характеристики имеет существенно меньший расход среды и, как правило, не может

обеспечить надежный температурный режим труб. Правая ветвь имеет большой расход

среды, температурный режим труб здесь выдерживается.

Устойчивая работа труб в элементе обеспечивается, прежде всего, правильным

выбором расхода среды, массовой скорости в элементе, уменьшением неравномерности

тепловосприятия между трубами, их конструктивной тождественностью, выбором

конструкции элемента. В исключительных случаях выравнивание расхода среды по

трубам добиваются установкой дроссельных шайб.

Неравномерность расхода среды между трубами в элементе котла, вызванную

неодинаковыми гидравлическими характеристиками труб, называют межтрубной

разверкой.

В паровых котлах широко практикуется выполнение поверхностей нагрева (НРЧ,

СРЧ, ВРЧ, контуры циркуляции и т.д.) из отдельных элементов (панелей), которые

соединяются между собой параллельно (рис.9.24). Точки А и Б являются общими для них.

Для каждой из трех панелей вместе с их подводящими и отводящими трубами могут быть

построены гидравлические характеристики. По этим характеристикам рассчитывается

распределение среды по панелям (межпанельная разверка). При неправильном

конструктивном выполнении такой схемы (рис. 9.24а, рис. 9.24б) может случиться, что,

несмотря на однозначную характеристику самой панели, вся система (подводящие трубы -

панель - отводящие трубы) между точками А и Б будет иметь многозначную

характеристику (рис.9.24а соответствует П-схеме; рис.9.24б - U - схеме).

При построении гидравлической характеристики вертикального элемента графики

для зависимостей от расхода среды Δp

, Δp

НИВ

и суммы Δp = Δp

+ Δp

НИВ

строятся так же,

как и для одиночной вертикальной трубы (рис.9.25).

Для отрицательного (обратного) расхода среды в какой-либо трубе рассчитываются

Δp

и Δp

НИВ

и их разность по формулам для опускного движения в вертикальной трубе, но

расход среды принимается с отрицательным знаком.

Графики получаются аналогичными, но повернутыми на 180° относительно центра

осей. Еще одна особенность построения графиков при G < 0: рабочая среда поступает в

трубы с опускным движением из верхнего коллектора, где ее энтальпия выше, чем на

входе в панель. Энтальпия на входе трубы с опускным движением h

ОП

ВХ

близка к

энтальпии на выходе из всего элемента (h

ОП

ВХ

≈ h

ВЫХ

). Следовательно, удельный объем в

такой опускной трубе будет больше (Δp

больше), а плотность среды - меньше (Δp

НИВ

меньше), чем в подъемных трубах.

В отличие от гидравлической характеристики одиночной вертикальной трубы с

подъемным движением (см. рис.9.18), в характеристике системы труб (рис.9.25)

появляется зона неоднозначности (границы ее: по перепаду давления от Δp

до Δp

, по

расходу среды - от G

ОП

МИН

до G

МИН

, где одному перепаду давления отвечают три расхода

среды - два отрицательных и один положительный. Из графика видно, что однозначное

подъемное движение среды будет при G > G

МИН

, а однозначное опускное движение - при

Полная гидравлическая характеристика элемента показывает, что при малых

расходах через него (Δр < Δр

) в некоторых трубах возможно опускное движение среды,

т.е. произойдет так называемое опрокидывание движения среды. Возможны случаи застоя

движения, когда в трубе G = 0. Необходимо иметь в виду, что эти выводы сделаны по

гидравлической характеристике, при построении которой не было ограничений по

давлению (докритическое или сверхкритическое) и по характеру движущих сил

(принудительное движение или естественная циркуляция). Следовательно, застой или

опрокидывание движения среды в вертикальных панелях возможны во всех этих случаях.

9.1.5.Гидравлическая разверка в системе труб парового котла

Расчет гидравлической разверки можно вести по гидравлическим характеристикам,

построенным для элемента, параметры которого соответствуют данным для средней

трубы, и разверенной трубы, находящейся в наиболее опасном температурном режиме.

Гидравлическая характеристика должна учитывать сопротивления трения Δр

тр

, местное

Δр

, от ускорения потока Δр

УСК

, нивелирный напор Δр

НИВ

и сопротивление во входном

Δр

ВХ.К

и выходном Δр

ВЫХ.К

коллекторах

(9.67)

где

С учетом (9.23) перепад давления Δp запишем для элемента

(9.68)

и разверенной трубы

(9.69)

где v

, v

- удельный объем среды в конце и начале трубы, м

/кг. Поскольку средняя

труба и разверенная труба гидравлически имеют общие точки на входе и выходе панели,

то они находятся под одним и тем же перепадом давления, т.е.

Δp

ЭЛ

=Δp

(9.70)

Поэтому после построения гидравлических характеристик Δp

ЭЛ

= f(G) и Δp

=f(G) в

пределах G от 2,5 до 150% от номинального значения определяют Δp

ЭЛ

при G

ЭЛ

= G

ном

(рис.9.26).

По условию Δp

= Δp

ЭЛ

находят значение G

и рассчитывают коэффициент гидравлической

разверки ρ

= G

ЭЛ

Для того чтобы выявить влияние на гидравлическую разверку теплового потока,

конструктивного выполнения труб, высоты панели и других факторов, необходимо

каждый раз строить гидравлические характеристики. Удобнее проводить такого типа

анализ не графически, а аналитически. Для этого приравняем обе зависимости (9.68) и

(9.69).

Получаем

(9.71)

где

(9.72)

Гидравлическая разверка зависит от конструктивного выполнения разверенной и

средней труб (R

, R

ЭЛ

, f), интенсивности их обогрева ,пространственного

расположения труб и направления потока (±p

НИВ

, ± p

НИВ

ЭЛ

), сопротивления в коллекторах

(Δp

КОЛ

, Δp

КОЛ

ЭЛ

На гидравлическую разверку влияют также давление среды, энтальпия потока на

входе в трубу и другие параметры.

Проведем анализ выражения (9.71) по следующим направлениям: горизонтальная

поверхность нагрева; влияние нивелирного напора и сопротивления в коллекторах

(коллекторного эффекта). Для горизонтальной трубы нивелирный напор Δp

НИВ

= Δp

НИВ

ЭЛ

= 0 и соответственно Δp

НИВ

= 0. Для вертикальных труб разность нивелирных напоров

Если принять, что H

≈ H

ЭЛ

= H, то

(9.73)

Из (9.73) видно, что Dp

НИВ

≈ 0, при . Это условие достаточно хорошо

выполняется в некипящих экономайзерах и в выходных пакетах пароперегревателя, где

удельный объем воды или пара мало зависит от температуры.

К этому же случаю можно отнести и многоходовые панели, для которых разность

нивелирных напоров мала по сравнению с гидравлическим сопротивлением.

Примем, что Δp

УСК

ЭЛ

, Δp

УСК

и ∂∆p

КОЛ

малы по сравнению с гидравлическим

сопротивлением ∆p

, тогда формула (9.71) примет простой вид

(9.74)

где η

- коэффициент гидравлической неравномерности, он показывает отношение

коэффициентов сопротивления раверенной R

и средней R

ЭЛ

труб

(9.75)

Для необогреваемых труб (перепускные трубы между поверхностями нагрева котла,

опускные трубы в барабанном котле и т.д.) и гидравлическая разверка зависит от

коэффициента гидравлической неравномерности. Труба, длина которой больше других,

имеющая дополнительные гибы, с большей шероховатостью, у которой больше сварных

соединений, имеет увеличенный коэффициент сопротивления R

> R

ЭЛ

и, соответственно,

у нее η

> 1, а ρ

< 1, т.е. расход среды через такую трубу будет меньше, чем через другие.

При равномерном обогреве (η

= q

/ q

ЭЛ

= 1) и при η

= 1 гидравлическая разверка

отсутствует, т.е. ρ

= 1. Если же в какой-либо трубе η

> 1 (по конструктивному

выполнению, из - за отложения примесей и т.п.), то в ней расход будет меньше (ρ

< 1, D

< D

ЭЛ

), чем в других, это, в свою очередь, вызовет более высокий нагрев среды в трубе (

Δh

> Δh

ЭЛ

, ) и дальнейшее снижение расхода среды до установления равновесия в

системе .(уменьшение расхода в трубе ведет к увеличению в других, т.е. к росту общего