Паровые котлы ТЭС

Гидродинамическая устойчивость потока в горизонтальных парообразующих трубах

Определяющим фактором, влияющим на гидравлическую характеристику парообразую­щих труб, является температура жидкости на входе в трубы. Она может быть равной и близкой к температуре насыщения при дав­лении на входе в трубы tBX^t' или существен­но меньше этой температуры tBх<¥.

При подаче в трубу воды, недогретой до - кипения, парообразование начинается не с са­мого входа, а на некотором расстоянии от него. Вся длина трубы делится на два участ­ка: экономайзерный и парообразующий' (рис. 11.3). Длина этих участков зависит от соотношения расходов теплоты и воды.

Увеличение расхода воды при неизменном обогреве трубы приводит к увеличению длины

Экономайзерного участка и соответствующе­му уменьшению парообразующего участка, что связано с уменьшением количества пара, выдаваемого обогреваемой трубой.

При наличии экономайзерного участка (рис. 11.3)

Bp = ± (wPf vJ3K + ± (w? f (/ _ /j. (П.4)

Значение удельного объема рабочей среды различно для экономайзерного и парообра­зующего участков. Различна также длина этих участков.

Удельный объем воды на зкономайзерном участке мало изменяется в связи с чем

О1-5)

На парообразующем участке удельный объем среды резко изменяется, и поэтому следовало бы принять его среднеинтегральное значение. Для равномерно обогреваемой по длине трубы достаточно точные результаты достигаются при линейном законе изменения паросодержания потока и поэтому

— г і х (v" — v') ,

При равномерном обогреве тепловая на - .грузка 1 пог. м трубы q,—Qjl=const. Тогда длина экономайзерного участка

При отсутствии недогрева воды на входе в парообразующую трубу Агнед = г'—г'о = 0 и коэффициент А обращается в нуль, а коэф­фициент В изменяет свой знак на обратный. Тогда (11.9) примет вид

Ар=B(wp)2 + C(wp), (11.13)

Квадратного уравнения, выражающего одно­значную гидравлическую характеристику.

Формула (11.9)—это уравнение гидравли­ческой характеристики парообразующей тру­бы при ДіНед>0, т. е. при наличии экономай­зерного участка. Гидравлическая характери­стика в этом случае выражается уравнением третьей степени, решение которого может иметь или один действительный и два мнимых корня или все три действительных корня. В первом случае характеристика Ap = f(wр) не имеет экстремумов и общих точек с гори­зонтальной касательной (рис. 11.2, кривая /); она однозначна, так как каждому значению перепада Ар отвечает только один расход ра­бочей среды wp. Во втором — характеристика, выражающая кубическое уравнение, имеет точку перегиба и два экстремума; она много­значна— одному значению перепада Ар отве­чают три разных расхода (кривая 2). Неод­нозначность гидравлической характеристики вызывается тем, что при неизменном обогреве трубы, несмотря на увеличение расхода недо - гретой до кипения воды, объемная скорость смеси не возрастает, а, наоборот, падает. Уве­личение расхода недогретой до кипения воды приводит к росту экономайзерного участка и количества теплоты, расходуемой на подогрев воды до кипения. Это соответственно умень­шает количество теплоты, остающейся на па­рообразование, и потому резко снижает ско­рости на выходе (рис. 11.4). Снижение ско­рости длится до тех пор, пока с увеличением расхода недогретой до кипения воды сущест­вует парообразующий участок. После прекра-

At'nea (И'Р) f

QI

Длина испарительного

Соответственно участка

1ИСг—1—и. (11.8)

После подстановки v, m, йисп и /ксп в (11.4) и расположения членов по степеням wр получим кубическое уравнение

' Ap=A(wp)s—B(wp)2+C(wp), (11.9)

Где

K(v"-v') Ді2нед f

(11.10) (11.11) (11.12)

Щения парообразования дальнейшее увеличе­ние расхода воды вызывает уже пропорцио­нальное увеличение скорости по всей длине трубы. В соответствии с изменением скорости. изменяется и гидравлическое сопротивление тракта. По мере увеличения расхода воды растет гидравлическое сопротивление эконо - майзерного участка ДpSK, падает сопротивле­ние парообразующего участка АриСж- В зави­симости от сочетания составляющих Дрзк и ДРисп суммарное гидравлическое сопротивле­ние тракта может с нагрузкой возрастать или падать в определенном диапазоне расходов, ■обусловливая при этом однозначную (ста­бильную) или многозначную (нестабильную) характеристику.

Рассмотрим гидравлическую характеристи­ку прямоточного элемента, имеющую три дей­ствительных корня уравнения (11.9), рис. 11.5. При очень малых расходах воды (дар)< <(wp)a и данном обогреве образуется пере­гретый пар, так как экономайзерный и испа­рительный участки практически отсутствуют и весь тракт превращается в пароперегреватель. При очень больших расходах воды (wp)> >(и;р)в располагаемой теплоты недостаточно для доведения ее до насыщения, парообразо­вание отсутствует и весь канал превращается в экономайзер, выдающий воду. Для этих крайних случаев гидравлическая характери­стика выражается уравнением параболы

(11.14)

Из которого следует, что при одной и той же массовой скорости потока wp сопротивление движению пара больше, чем для воды, так как vn>vB.

При образовании в тракте пароводяной смеси [область расходов (аур)п<(®р)< <(wp)s] характеристика нестабильна и рас­ходы могут изменяться с перидоической выда­чей пароводяной смеси резко различного па­росодержания. Некоторые из паросодержаний по условиям теплоотдачи могут отказаться чрезмерными, не обеспечивающими надежно­го охлаждения труб.

Нестабильность гидравлической характе­ристики означает не только различные рас­ходы через отдельные параллельно работаю­щие трубы, объединенные общими коллекто­рами. Более опасны режимы, при которых че­рез одну и ту же трубу изменяется расход воды, а это при постоянном обогреве вызыва­ет колебание температуры стенки и появле­ние в ней опасных напряжений тепловой уста­лости. Работа в таких условиях может завер­шиться повреждением парообразующих труб.

Поскольку основной причиной многознач­ности характеристики является большая раз­ность удельных объемов пара и воды, то с по­вышением давления характеристика превра­щается в более стабильную, а движение рабо­чей среды становится более устойчивым (рис. 11.6).

Ранее уже отмечалось, что нестабильность характеристики связана с наличием эконо- майзерного участка. Поэтому, чем больше не - догрев до кипения поступающей на вход во­ды, тем менее стабильна характеристика (рис. 11.7). Вместе с тем повышение входной температуры и доведение ее до значения, близкого к Ґ, опасно, так как при попадании пароводяной смеси во входной коллектор па­рообразующих труб будет наблюдаться сепа­рация пара из воды и поступление в одни трубы больше воды и меньше пара, а в дру­гие, наоборот, больше пара и меньше воды. Резко неравномерные и к тому же неучтенные количества пара и воды могут привести к пе­регреву и даже пережогу труб, которые в то­почной камере подвергаются достаточно интенсивному обогреву.

По указанным причинам прямоточные кот­лы выполняются с некипящим экономайзером. При этом отсутствие кипения должно обеспе­чиваться не только при расчетных условиях работы, но также при всех режимах и при сжигании любого топлива, на котором воз­можна работа парового котла.

Нестабильную характеристику можно пре­образовать в стабильную, если на экономай - зерном участке в гидравлическую систему ввести дополнительное сопротивление, изме­няющееся с расходом рабочей среды по зако­ну параболы. Суммированием исходной и дополнительной характеристик получают ста­бильную характеристику (рис. 11.8). Увеличе­ние гидравлического сопротивления на эконо - майзерном участке обычно достигается двумя методами: увеличением сопротивления, сосре­доточенного в дроссельных шайбах, либо уве­личением сопротивления, рассредоточенного на значительной длине труб — так называе­мом ступенчатом витке.

Дроссельные шайбы. Дроссельные шайбы создают перепад давления, пропорциональный квадрату расхода проходящей через них однофазной среды

(®Р)2

У' = «РШ (w9

Где |ш — коэффициент сопротивления шайбы; Ч, ш= = 1ш(У'/2).

Для получения квадратичной зависимости шайбы устанавливают на входе в парообразующие трубы, имеющие экономайзерный участок, т. е. на однофазной среде.

На основании уравнений (11.9) и (11.15) полное сопротивление труб с учетом шайбы описывается урав - нением

Др=Л(шр)3+(Ч'т—В)(ш>р)2+С(дар). (11.16)

Однако одного условия однозначности еще недо­статочно, так как небольшие колебания перепада дав­ления могут вызвать значительное изменение расхода (рис. 11.9). Поэтому к характеристике предъявляют также требование определенной степени крутизны, т. е. чтобы относительное изменение расхода рабочего тела превосходило относительное изменение перепада дав­лений не более чем в 3 раза.

Ступенчатый виток. Необходимую степень дроссе­лирования потока для получения стабильной гидрав­лической характеристики достигают также повышением гидравлического сопротивления змеевиков самого эко­номайзера. С этой целью трубы экономайзера выпол­няют меньшего диаметра, чем парообразующие трубы, образуя ступенчатый виток. При этом повышаются скорость потока и гидравлическое сопротивление на экономайзерном участке, где удельный объем рабочей среды сравнительно невелик и ограничивается скорости а следовательно, и гидравлическое сопротивление пото­ка по мере повышения его паросодержания (рис. 11.10).

Неоднозначность гидравлической характе­ристики горизонтальных парообразующих змеевиков имеет место и при СКД. Решаю­щим фактором возникновения многозначности при СКД является удельная энтальпия и со­ответственно удельный объем воды на входе. При энтальпии воды на входе значительно ниже энтальпии фазового перехода характе­ристика многозначна. С повышением tBI она становится все более стабильной. Поэтому расчет гидравлических характеристик выпол­няют при наименьшей возможной в эксплуа­тации энтальпии на входе. В сверхкритиче­ской области повышение давления на входе также улучшает устойчивость гидравлической характеристики.