Паровые котлы ТЭС

Переход примесей из воды в насыщенный пар

Известны два пути перехода примесей из воды в пар: с капельным уносом кипящей во­ды и вследствие растворимости в паре.

Концентрация примесей в насыщенном паре характеризуется суммарным коэффици­ентом выноса kT*, 0:

Сп

(14.4)

Где to — влажность пара, %, характеризует содержание примесей, поступающих в насы­щенный пар вместе с капельной влагой; kv — коэффициент распределения, %, характеризует содержание примесей в паре вследствие его растворяющей способности.

Роль составляющих коэффициента выноса зависит от ряда факторов и главным образом от давления. Так, при низком давлении рас­творяющая способность пара для большинст­ва нелетучих примесей, находящихся в воде, ничтожно мала (&Р>С(о), и потому ^ын ^

С повышением давления растворяющая спо­собность пара возрастает, увеличивается вклад коэффициента распределения, и при высоком давлении может оказаться, что£р^>(о,

Т0ГДаСш

^Механизм и закономерности уноса, влаги пйром. В зависимости от схемы подвода пара в барабан механизм образования капель в па­ровом объеме имеет различную природу. При подводе водяных струй под уровень воды в ба­рабане отдельные пузыри пара, всплывая к поверхности раздела фаз (рис. 14.10,а, б), образуют двухфазный динамический слой. При этом пузырек пара подвержен воздействию двух сил: внутреннему давлению, вызываю­щему разрыв водяной пленки, окружающей пузырек пара, и силе поверхностного натяже­ния этой пленки, тормозящей ее разрыв. В чистой воде с образовавшегося купола плен­ки жидкость стекает, и пленка утоняется (рис. 14.10,в). Образуется отверстие в верхней части купола, которое под действием сил по­верхностного натяжения расширяется, пленка втягивается в основную массу воды, пузырек пара выходит в паровой объем, а с образую­щейся при этом кольцевой волны отрываются капельки воды, выбрасываемые в паровой объем (рис. 14.10,г). В образовавшуюся лунку устремляется вода, которая при встрече дает

Рис. 14.10. Схема образования капельной влаги в па­ровом объеме барабана при вводе парообразующих труб в водяной объем.

A — всплывающий пузырек пара; б — начальный период выхода пузырьков на зеркало испарения; в — перед разрывом водяної! оболочки; г и д — разрушение водяной оболочки с образова­нием капелек влаги.

Всплески в виде столбика, от которого также отделяются капельки воды (рис. 14. 10,(5). При барботаже пара через слой маломинера­лизованной воды пленки, окутывающие пу­зырьки пара перед их выходом в паровой объем, имеют резко различную толщину, и потому они образуют капельки влаги также различных размеров.

При подаче пара выше зеркала испарения капельки в паровом объеме образуются в ре­зультате дробления влаги, поступающей с па­ром в барабан из парообразующих труб (рис. 14.11). Степень дробления зависит от кинетической энергии пароводяных струй. При больпгой нагрузке, а следовательно, большой скорости входа пароводяных струй в барабан большая кинетическая энергия вызывает силь­ное дробление влаги и более интенсивный капельный унос. В паровом объеме устанав­ливается динамическое равновесие между по­ступающими и оседающими каплями. Наи­большая их концентрация оказывается у по­верхности раздела фаз, она падает по мере
удаления от этой поверхности. Наиболее крупные капли выбрасываются на высоту до 600—700 мм.

При малой подъемной скорости пара сним увлекаются только капли очень малых раз­меров. С увеличением расхода пара в унос включаются капельки все больших размеров. Поэтому чем выше нагрузка, тем больше влажность выдаваемого пара (см. рис. 14.12).

Влажность пара со определяется нагруз­кой D:

Ю=;4£К (14.5)

Значения А и п зависят от конструкции парового объема аппарата, давления, кон­центрации и ионного состава примесей воды. Показатель степени п резко изменяется с на­грузкой. Зависимость влажности пара от на­грузки в логарифмических координатах ап­проксимируется ломаными прямыми участка­ми, которые выражаются степенными функ­циями (14.5). Таких участков три (рис. 14.12). Для нагрузок, характеризующихся очень ма­лой влажностью пара со<0,01%, п— 1-Н2, для нагрузок, при которых со = 0,01ч-0,1%, п= — Зч-4 и для больших нагрузок, когда ш> >0,2%, n^slO. Для ТЭС характерна работа барабанных котлов в начале второго участка с п=3-f-4. Скорость пара пропорциональна его^расходу D. Средний расход пара, отнесен­ный к 1 м2 зеркала испарения, называется удельной нагрузкой зеркала испарения

Rf=D/F. (14.6)

Средняя скорость пара, отнесенная к 1 м3 парового объема, называется удельной на­грузкой парового объема

Rv=D/V. (14.7)

Высота парового объема оказывает сущест­венное влияние на влажность выдаваемого пара. Чем меньше высота парового объема, тем при const больше крупных капель достигает области высоких скоростей пара у пароотводящих труб, и потому влажность пара выше. С увеличением высоты парового объема уменьшается число крупных капель, попадающих в пароотводящие трубы и уноси­мых паром, и потому влажность пара умень­шается (рис. 14.13). - Начиная с некоторого значения высоты ( — 0,8 м), которую не до­стигают даже самые дальнобойные крупные капли, обладающие наибольшей кинетической энергией, дальнейшее увеличение высоты па­рового объема уже практически не приводит к снижению влажности пара. В этих условиях в уносе содержатся только капли малых раз­меров, для которых подъемная скорость пара w"о при Rf = const больше скорости витания капли wBHT. Эти капли будут транспортиро-

О)

0,9

Рис. 14.13. Зависимость Рис. 14.14. Зависимость влажности пара от высо - влажности пара от соле - ты парового объема. содержания воды.

Ваться потоком пара независимо от высоты парового объема. Под скоростью витания по­нимают относительную скорость капли, при которой возникающая при ее обтекании паром сила сопротивления уравновешивает вес кап­ли. Для этих условий можно записать:

An Р"»2вит

Г0'

6

Откуда

OU^.ISSJ/V^-1)* (14'8)

Где й^кап — диаметр капли; g — коэффициент сопротивления.

С повышением давления увеличивается плотность пара, при этом возрастает сопро­тивление паровой с{Яеды подъему капель. С другой стороны, уменьшение разности плот­ностей воды и пара усиливает транспортиру­ющую способность пара. Последняя усили­вается еще и потому, что с ростом давления меньше становится поверхностное натяжение, благодаря чему размер выносимых в паровой объем капель жидкости также уменьшается. В целом влияние транспортирующей способно­сти пара с ростом давления преобладает над сопротивлением, оказываемым движению ка­пель более плотным паром, и потому рост давления приводит к более высокой влажно­сти.

Выше рассматривались закономерности капельного уноса для чистой или слабомине­рализованной воды. Эти закономерности имеют место в сравнительно широком диапа­зоне изменения концентраций. В этом диапа­зоне при постоянстве других условий влаж­ность пара постоянна. Начиная с некоторой концентрации, характерной для данного рас­творенного в воде вещества, размеры пузырь­ков пара в воде уменьшаются, и, следователь­но, снижается скорость их всплытия, увели­чивается фбар. Итогом такого процесса яв­ляются набухание уровня, выброс в паровой объем большого количества капелек воды вы­сокой концентрации и резкое ухудшение ка­чества пара (рис. 14.14). Концентрация ве­ществ в воде, при которой наступает резкое набухание уровня и увеличение уноса влаги, называется критической.

Физико-химические основы распределения примесей между водой и равновесным с ней насыщенным паром. Двухфазная однокомпо­нентная система в зависимости от количест­венного состава фаз может представлять со­бой либо кипящую воду, содержащую пузырь­ки пара, либо влажный пар, содержащий ка­пельки влаги, либо, наконец, кипящую воду, соприкасающуюся с насыщенным водяным паром. Независимо от того, какова структура двухфазной системы, вода и пар представляют собой два растворителя, имеющие одну и ту же химическую природу, но различные плотности и диэлектрические свойства (см. § 9-5), определяющие их способность раство­рять неорганические соединения.

Если двухфазная система находится в тер­модинамическом равновесии, содержащиеся в ней нелетучие примеси распределяются меж­ду фазами в соответствии с законом распре­деления растворенных веществ между двумя несмешивающимися растворителями. Количе­ственно это равновесие характеризуется ко­эффициентом распределения kv, который вы­ражают через активности растворенного ве­щества в паре а„ и воде ав:

(14-9)

Для разбавленных растворов (что харак­терно для условий образования пара на ТЭС и АЭС) активности можно заменить соответ­ствующими концентрациями растворенного ве­щества, тогда

ЈP=^c;;acrB/cfcTR. (14. ю)

Коэффициент распределения зависит от формы, в которой вещество находится в вод­ном растворе. Наибольшей способностью к переходу в пар обладают вещества, нахо­дящиеся в воде в молекулярной форме. Ве­щества, содержащиеся в воде в ионной форме, растворяются в паре существенно меньше. Закон распределения строго справедлив для вещества, находящегося в обоих растворите­лях (паре и воде) в одной форме — молеку­лярной или ионной. Коэффициенты распреде­ления 1&мр и &ир, отвечающие этому условию, являются термодинамически истинными и записываются так:

Рм па

KM — _IL и ka — П 4 1П

Р. ист рм 11 "-р. ист — ри • Н^-11/

^ в ^ в

При постоянной температуре истинный ко­эффициент распределения для каждого ве­щества является величиной постоянной, не зависящей от начальной концентрации вещест­ва в одной из фаз. Определение истинных коэффициентов распределения представляет значительные трудности из-за практической невозможности раздельного определения кон­центраций веществ в молекулярной и ионной формах. Поэтому коэффициент распределения обычно определяют через общие концентрации вещества без учета форм их существования в растворителях, т. е. определяют так назы­ваемый видимый коэффициент распределения.

Связь видимого молекулярного коэффи­циента распределения &мр. вид и истинного &мр. исТ выражается в следующем виде:

£мр. вид = &мр. истР - (14.12)

Аналогично для ионной формы

А"р. мвд = А"р. нст(1—Р), (14.13)

Где р — доля молекулярной формы в общем содержании соединения в растворе (р зависит от рН и температуры); (1—р) —доля ионной формы.

Суммарный видимый коэффициент распре­деления равен сумме молекулярного и ион­ного видимых коэффициентов распределения.

Переход веществ из воды в пар в соответ­ствии с распределением между двумя несме­шивающимися растворителями протекает в адиабатных условиях при постоянной темпе­ратуре насыщения и соответствующем давле­нии (плотности). Вместе с тем из рис. 9.8 следует, что на линиях плотностей ВОДЫ и пара для любой температуры (давления) нет реальной области постепенного перехода ве­ществ из воды в пар. Этот переход характе­ризуется не постепенным плавным переходом веществ из воды в равновесный с ней насы­щенный пар, а скачкообразным переходом в соответствии с законом распределения. По мере приближения к критическому давлению, когда р'7р'-»-1, этот скачок уменьшается, и только при р=ркр наблюдается плавный переход растворенных в воде веществ в рав­новесный с ней насыщенный пар.

При низких концентрациях водного раство­ра зависимость коэффициента распределения между водой и находящимся с ней в контакте сухим насыщенным паром (<о = 0) от пара­метров процесса описывается предложенным академиком М. А. Стыриковичем уравнением

K=(cv)n - О4-14)

Уравнение (14.14) справедливо для усло­вий, когда растворенное вещество находится в воде и равновесном с ней паре в одинако­вой форме (молекулярной или ионной).

В (14.14) п — координационное число, ко­торое отражает физико-химические свойства

Растворенного вещества и количественно вы­ражает степень его гидратации. Величина п сохраняет постоянное значение в широком диапазоне параметров. Чем больше степень гидратации, тем больший вклад ионной фор­мы в общем содержании вещества в растворе. Такие вещества лучше удерживаются поляр­ными молекулами воды, что затрудняет их переход в паровую фазу.

В логарифмических координатах зависи­мости коэффициентов распределения от отно­шения плотностей воды и пара по формуле (14.14) изображаются лучевой диаграммой (рис. 14.15). Начало координат лучей всех соединений в точке, соответствующей крити­ческому давлению (для воды 22,85 МПа) и коэффициенту распределения &р=1.

Все соединения, находящиеся в воде, по их растворимости в паре условно можно раз­делить на три группы: в первую группу вхо­дят вещества, для которых я< 1; во вторую — п—1-=-3; в третью—-вещества, для которых п>4. Наибольшей растворимостью в паре обладают соединения первой группы. Это наи­более слабые электролиты, большей частью продукты коррозии конструкционных материа­лов Fe304, AI2O3 и др., которые, однако, имеют малую растворимость в воде, и поэтому со­держание их в паре тоже невелико. Особое значение имеет кремниевая кислота H2Si03 —