1.3.6. Гидродинамика и температурный режим поверхностей нагрева. Гидравлический расчет

1.3.6. Гидродинамика и температурный режим поверхностей нагрева. Гидравлический расчет

[1].C. 138... 162; [2],с. 142...178; [5]

Гидродинамика и надежность работы элементов котла. Основные уравнения гидродинамики к теплообмена водонапорного тракта. Характеристика потоков рабочих тел, их режим и структура. Классификация испарительных систем котлов. Кризисы теплообмена в парообразующих трубах. Температура стенки трубы и её зависимость от различных условий обогрева. Гидродинамика испарительных систем котлов с принудительной циркуляцией. Гидродинамическая устойчивость потока в трубах. Гидравлическая характеристика многотрубных систем. Тепловая и гидравлическая разверка. Пульсация потока и меры по её устранению. Гидродинамика испарительных систем котлов с естественной циркуляцией. Методика расчета, гидравлические характеристики простого к сложного контуров циркуляции.

Обеспечение надежности естественной циркуляции. Гидродинамика водогрейных котлов, экономайзеров и пароперегревателей. Порядок гидравлического pасчета котлов с естественной и принудительной циркуляцией.

Вопросы для самопроверки

===================================================================

1. Приведите выражение для определения температуры стенки поверхности нагрева и поясните его.

_____________________________________________________________________________

Температура наружной поверхности стенки разваренной трубы:

t_ст = t + dt_т +bmq_макс*10³_*(2d/[l_м*(1+b) + 1/a₂) ^oC. (8-02)[8]

где:

t - средняя для элемента температура среды в расчетном сечении, °С; находится по п. 8-05 [8];

dt - превышение температуры среды в разверенной трубе над средней в элементе в

расчетном сечении. °С; определяется по п. 6-07[8]. Для испарительных

поверхностей котлов докритического давления принимают dt_т = 0;

m - коэффициент растечки тепла; определяется по п. 8-19[8]. Для кипятильных

труб котлов докритического давления m = 1;

d - толщина стенки трубы, м;

b = d/d_вн = d/(d - 2d) - отношение наружного диаметра трубы к внутреннему.

====================================================================

3. Что такое ухудшенный теплообмен? Поясните условия его возникновения.

____________________________________________________________________________

На основании данных расчета циркуляции необходимо провести оценку надежности работы контура. Проверку надежности проводят: а) по обеспечению нормального температурного режима обо­греваемых труб (ухудшенный теплообмен, расслоенное движение паро­водяной смеси); б) по образованию свободного уровня, застоя и опро­кидывания циркуляции; в) по неустойчивому режиму опускной системы, г) по надежности циркуляции при нестационарных режимах.

Ухудшенный теплообмен, создающий большое повышение темпера­туры стенки трубы при естественной циркуляции не вызывает опасности при кратности более четырех. Опасность возникновения кризиса теплообмена может возникнуть лишь при давлениях более 11 МПа и высоких удельных потоках q > 500 кВт/м² и большом значении х > 0,3, что в обыч­ных паровых котлах не встречается. „Qn.

Во избежание расслоения потока пароводяной смеси в горизонталь­ных трубах необходимо иметь значительные скорости циркуляции. Так, для р = 11 МПа и d = 40 мм необходимо w₀ ³ l,3 м/с, что трудно обеспе­чить поэтому для всех случаев при естественной циркуляции горизонтальные трубы с пароводяной смесью не должны обогреваться.

Расслоение потока возможно также и в наклонных трубах, но при значении минимальной массовой скорости существенно меньшей, а именно: при наклоне к горизонту на g = 30°, (rw)^гор_мин, а при g > 60^о расслоение вообще не происходит.

В котлах параллельно включено много труб и всегда имеются трубы с ухудшенным обогревом по сравнению со средним для панели. Это будут так называемые разверенные трубы. При естественной циркуляции необходимо выделить трубы с наименьшим обогревом. Различная интенсивность обогрева зависит от ряда факторов, как конструктивных, так и эксплуатационных. Большую роль играет расстояние поверхности нагрева от ядра факела. Наименее обогреваемые трубы экранов располагаются по углам топочных камер и у стен газоходов.

Для оценки различия в обогреве участка панели служит коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине. [2].

====================================================================

4. Как протекает теплообмен в горизонтальной парогенерирующей трубе? - в гибах труб?

_____________________________________________________________________________

[8]

Теплообмен на участках парогенерирующих труб интенсифицируется за счёт кипения. На участках гибов труб теплообмен ухудшается по причине расслоения пароводяного потока под действием центробежной силы.

====================================================================

5. От чего зависят и как изменяются скорости воды, пароводяной смеси и пара в паровом котле?

_____________________________________________________________________________

Согласно Нормам гидравлического расчета котлов приняты следу­ющие понятия для скорости движения пароводяной смеси: средняя ско­рость пароводяной смеси в рассматриваемом сечении w_см, приведенная скорость воды w'₀ и пара w”₀ скорость циркуляции w₀.

Средняя по сечению трубы скорость пароводяной смеси представляет собой отношение объемного расхода к полному сечению:

w_см = Dv_см/ f, (13.19) [2]

где: D - расход массы смеси (пара и воды); v_см - средний по сечению удельный объем пароводяной смеси, f – площадь сечения трубы.

Приведенная скорость получается как отношение объемно­го расхода воды или пара к полному сечению трубы, т. е.:

w’₀ = D’v’/ f, w”₀ = D”v”/ f, (13.20) [2]

где:

D’, D" - массовый расход воды, пара; v’, v" - удельный объем воды, пара. При этом массовый расход смеси в трубе D = D’ + D".

Широкое распространение получило понятие - скорость циркуляции w₀, т. е. отношение суммарного массового расхода при удельном объеме воды к полному сечению трубы:

w₀ = (D’ + D”)v’/ f, (13.21)[2]

Удобство применения w₀ для изучения движения потока в парообразующих трубах заключается в том что до начала парообразования эта скорость равна скорости воды w_в (рис.5) и ее легко рассчитать.

Рис. 13.5. Начальный участок Рис. 13.6. Эпюры скоростей парово­дяного

парообразова­ния в вертикальной потока: а - для подъемного движения пароводя­ной

трубе смеси при пузырьковой структуре; б - для

подъемного движения пароводя­ной смеси при

стержневой структуре; в - для опускного движения

пароводяной смеси при стержневой структуре

Поскольку плотность пара r" всегда значительно меньше плот­ности воды r', то пар в воде будет всплывать. Происходит скольжение пара относительно воды: пар обгоняет воду при подъемном движении и отстает при опускном. Распределение скоростей пара и воды при подъ­емном движении смеси в трубе с учетом скольжения для пузырькового и стержневого режима течения потока и при опускном - для стерж­невого дано на рис. 13.6.[2]

====================================================================

6. Опишите режимы движения пароводяной смеси в обогреваемой трубе.

_____________________________________________________________________________

Вода, протекающая в трубах, смачивает стальные стенки, и поэто­му значительная часть воды протекает в виде непрерывного слоя вдоль стенки трубы. Средняя часть трубы занята пароводяной смесью или влажным паром. Различают четыре основных режима потока: а) пу­зырьковый; б) снарядный; в) дисперсно-кольцевой (стержневой); г) эмульсионный (рис.3).

Пузырьковое движение характеризуется наличием в воде отдель­ных пузырьков пара небольших размеров. По мере роста массы пара пузырьки могут объединяться и образовывать большие соединения в виде снаряда. Паровые снаряды могут слиться в сплошной стержень из влажного пара, занимающий всю среднюю часть поперечного сечения трубы. При возрастании скорости потока происходит движение большого количества мелких пузырей пара в несущем потоке жидко­сти, это будет эмульсионный режим течения.

Установление того или иного режима течения потока пароводяной смеси для трубы зависит от паросодержания, скорости движения, фи­зических констант жидкости и состояния поверхности стенок. Увели­чение паросодержания и соответственно скорости потока при прочих равных условиях заставляет пароводяную смесь последовательно прой­ти все структуры режима течения потока от пузырьковой до эмульси­онной.

Рис. 3. Режимы течения потока Рис.4. Изменение истинного паросодержания по

паров одной смеси: высоте поперечно­го сечения горизонтальной трубы:

а - пузырьковый; б - снарядный; 1 - при b = 0,40; 2 - при b = 0,88. Приме­чание:

в -стержневой; г - эмульсионный ось у направлена вертикально па диаметру трубы.

При подъемном движении пароводяной смеси в трубах влажный пар всегда занимает центральное положение. Наиболее правильная симметрия потока получается в вертикальных трубах. Для горизон­тальных труб при больших скоростях потока получается аналогичная картина, только ось парового стержня смещается вверх от оси трубы. При малых скоростях пароводяная смесь может расслаиваться: вода потечет в нижней части трубы, а пар - в верхней. Если труба имеет наклон к горизонтали g > 15°, то расслоения обычно не наблюдается.

На расслоенный режим течения потока оказывает влияние диаметр трубы: чем больше диаметр, тем легче возникает расслоение, напри­мер, при d>> 25мм будет расслоение потока при w₀ = 1 м/с. На расслое­ние потока влияет также паросодержание j [см. формулу (13.30) [2]. Изменение истинного объемного паросодержания по высоте трубы диаметром d = 60 мм при р = 9,8 МПа и w₀ = 0,23 м/с показано на рис. 4.

=====================================================================

7. Приведите и поясните основные характеристики потоков рабочего тела в водопаровом тракте.

_____________________________________________________________________________

Рис. 13.7 [2]. Изменение х, b, j на ис­парительном участке трубы с подъ­емным движением при q(l) = const: 1 - х; 2 - b; 3 - j при р = р _а; 4 - b; 5 - j при р = р _б > р _а

w – скорости сред (воды и пара), м/с; r - плотности воды и пара, кг/м³; D – расходы воды и пара, кг/с.

===================================================================

8. Как определяется общий перепад давления на отрезке трубы заданной высоты?

_____________________________________________________________________________

===================================================================

9. Опишите схемы организации движения рабочих сред водопарового тракта котла.

_____________________________________________________________________________

В прямоточном котле движение жидкости (среды) по трубам осуще­ствляется за счет напора питательного насоса, который обеспечивает преодоление полного сопротивления и заданное выходное давление пара после паровой задвижки. В барабанном котле принудительное движе­ние среды осуществляется только в экономайзере и пароперегревателе, так как в экранных трубах и опускной системе возникает естественная циркуляция.

В трубы НРЧ из экономайзера подается вода, недогретая до состоя­ния закипания, а выходит пароводяная смесь с массовым паросодержанием: х = 0,8. Массовая скорость rw при номинальной нагрузке 1600 - 2400 кг/(м²-с) по условию приемлемого гидравлического сопротивления и допустимой температуре стенки. При заданной паропроизводительности и известном значении rw получается большое количество парал­лельно включенных труб n, ибо

n = D/(rw f).

Опыты показали, что даже при равномерном газовом обогреве па­раллельно работающих труб может возникнуть неустойчивый режим работы, когда одни трубы выдают больше пара, другие — больше воды, причем такое состояние может меняться. Это явление зависит от много­значности гидравлической характеристики витка, т. е. зависимости перепада давления от расхода или от массовой скорости Dp(rw).

На необходимость исследования неустойчивой гидродинамики вит­ков НРЧ впервые обратил внимание П. А. Петров и предложил способ расчета гидравлической характеристики (на докритическое давление).

При исследовании гидравлической характеристики для витков НРЧ с навивкой Л. К- Рамзина запишем Dр = Dр_гид, ибо Dр_нив и Dр_к.у будут много меньше гидравлического сопротивления и для дальнейшего иссле­дования могут не учитываться.

====================================================================

Литература.

1. Сидельковский JI.H., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник. - М.: Энергия, 1988. - 521 с.

2. Ковалев А.П., Лешеев Н.С, Виленский Т.В. Парогенераторы: Учебник / Под общ. ред. А.П. Ковалева. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 376 с.

3. Липов Ю.М., Самойлов Ю.В., Модель З.Г. Компоновка и тепловой расчет парогенератора. - М: Энергия, 1975. - 175 с.

4. Кузнецов Н.М., Кузнецов А.Н. Работа котла в нерасчетных режимах: Учеб. пособие. - Л.: СЗПИ, 1974. - 76 с.

5. Кузнецов Н.М., Кузнецов А.Н. Естественная циркуляция в паровых котлах: Учеб. пособие. - Л.: СЗПИ, 1977. - 73 с.

6. Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС: Учебник. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 296 с.

7. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н. В. Кузнецова и др., М., «Энергия», 1973. 296 с. с ил.

8. Тепловой расчет котлов(Нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное Издательство НПО ЦКТИ, СПб, 1998. 256 с. с ил.

Дата добавления: 2015-08-29