Паровые котлы ТЭС

Температурный режим по длине канала

Прямолинейные каналы. Изменение темпе­ратуры рабочего тела по водопаровому тракту барабанного и прямоточного котлов ДКД по­казано на рис. 10.4. При любой системе котла в экономайзере температура питательной во­ды fn. B повышается до насыщения (в преде­ле), в парообразующих трубах получаемая от стенки теплота затрачивается на парооб­разование практически с сохранением посто­янства температуры пароводяной смеси Ґ,

А в перегревателе температура пара повыша­ется до расчетного значения /п. п-

Па участке экономайзера / температура потока tn и стенки tcт ниже температуры на­сыщения: tn<t' tCT<t'. Теплофизические свой­ства воды в пристенном слое мало изменяют­ся с температурой. В этих условиях теплоот­дача подчиняется законам конвективного теп­лообмена

Nan = cRen°'8Prn0'4, (10.1)

Где

Хт ad ■ n ' w? nd. >г> сР-п;Ап

Лп Г"П <4j

Индекс «п» означает, что в качестве опре­деляющей температуры принята температура потока. Для прямолинейных каналов С= =0,023.

Теплообмен совершается при температур­ном напоре At=tCT—tn = qla,2- На участкеэко - номайзера теплообмен между стенкой и во­дой протекает при слабом обогреве 10 кВт/м2) и высоких значениях коэффициен­та теплоотдачи [а2=2—5 кВт/(м2-К)] и по­тому температура стенки превышает темпера­туру воды всего лишь на несколько градусов.

На участке II температура потока tn<Ct', но температура стенки tCT>t'. Это означает, что на стенке уже началось парообразова­ние— поверхностное кипение. Образовавшие­ся пузырьки пара, переходя в поток, конден­сируются. Здесь поток воды прогревается в пределе до ¥. Это тоже зона экономайзера, но теплообмен в ней более интенсивный, чем на участке I.

По мере дальнейшего подвода теплоты на­чинается устойчивое развитое пузырьковое кипение: tn=t', а tCi>U. В этой зоне кипения (участок III) теплообмен протекает независи­мо от скорости потока (при скоростях, ха­рактерных для паровых котлов), но опреде­ляется интенсивностью обогрева q и тепло - физическими свойствами жидкости и пара на линии насыщения. Последние однозначно свя­заны с давлением р, ив диапазоне давлений 0,4—16 МПа коэффициент теплоотдачи в зоне развитого кипения определяется по прибли­женной эмпирической формуле

Сскип ta 0,34 р°'43<7°'7. (10.2)

Теплообмен протекает при значитель­ных коэффициентах теплоотдачи [аа^ »50ч-100 кВт/(м2-К)] и потому даже при очень интенсивном обогреве, какое только возможно в высокофорсированных топках па­ровых котлов и отсутствии отложений (см. § 10.4), температура стенки незначительно превышает температуру потока. Такие усло­вия имеют место на всем протяжении паро­образующих труб барабанных котлов (уча­сток III), в которых благодаря высокой крат­ности циркуляции массовое паросодержание х даже на выходе ограничено (менее 20%). В прямоточных котлах паросодержание по длине труб изменяется в пределах 0<д:<1. На участках парообразующих труб, когда зна­чение х сравнительно невелико вследствие развитого кипения, с^ также весьма значи­тельно и рассчитывается тоже по формуле (10.2). В этих условиях /от близко к ¥.

Начиная с некоторого значения паросодер­жания л;Гр, зависящего от давления и интен­сивности обогрева, наблюдается значительный рост температуры стенки (кризис кипения, связанный с высыханием пленки, см. §10.2), свидетельствующий об ухудшении теплообме­на (участок IV). Для этого участка с извест­ным приближением можно полагать, что ко­эффициент теплоотдачи к пароводяной смеси (сспл) в зоне х>хгр, т- е. после наступления кризиса кипения, изменяется примерно про­порционально линейной скорости пароводяной смеси wCM в степени 0,8; такая же закономер­ность и для коэффициента теплоотдачи к су­хому насыщенному пару а". Поэтому

П0.3,

Допущение о движении в зоне ухудшенно­го теплообмена пароводяной смеси как гомо­генной среды в первом приближении позволя­ет определить коэффициент теплоотдачи так же, как и для сухого насыщенного пара, сред­няя скорость которого равна скорости смсси

= * + (Ю.4)

6—833

3

При ухудшенных режимах теплообмена значение а2 существенно меньше, чем при раз­витом кипении, однако достаточно, чтобы при выборе соответствующей массовой скорости потока обеспечить надежную работу металла поверхностей нагрева (см. § 10.2).

С ростом давления уменьшается поверх­ностное натяжение и теплообмен ухудшается при меньших значениях д;гр. Такое же влияние на Хгр оказывает и повышение тепловой на­грузки вследствие ускоренного испарения вла­ги в трубах.

В эксплуатации в результате воздействия режимных факторов место перехода в область ухудшенного температурного режима может перемещаться по длине парообразующей тру­бы. На границе перехода к ухудшенному тем­пературному режиму металл подвержен изме­нениям температуры, приводящим к тепловой усталости. Для уменьшения амплитуды коле­баний температуры металла ограничивают температурный напор между внутренней стен­кой трубы и потоком в области перехода к ухудшенному теплообмену (А^80°С). Это достигается обеспечением достаточной скоро­сти потока.

Общая картина изменения температуры потока и стенки в прямоточном вертикальном контуре СКД для различной интенсивности обогрева показана на рис. 10.5. Всю область генерации пара условно можно разделить на три участка теплообмена: / или Г — подогрев воды, II или II' — псевдокипение и III — пере­грев пара. В области / температура потока и стенки при данном давлении меньше темпе­ратуры условного фазового перехода /ф. п. Теплофизические свойства рабочего тела в пристенном слое изменяются мало. В этих условиях теплоотдача подчиняется законам конвективного теплообмена и расчет теплооб­мена выполняется в соответствии с (10.1). На участке / температура стенки медленно по­вышается, следуя за изменением температуры потока.

На участке II температура потока также остается ниже но температура стенки

Превышает ее. Поэтому в пристенном слое теплофизические свойства потока могут су­щественно отличаться от теплофизических свойств основного потока (см. § 9.5), что при­водит к существенным особенностям теплооб­мена в этой зоне; интенсифицируется тепло­обмен при низких q (линия 2 на рис. 10.5) и, наоборот, ухудшается теплоотдача при вы­соких q (линия 3). На рис. 10.6 показано влияние q на а2 в зоне фазового перехода: если при малых q значения а2 имеют макси­мум, то при больших q они приобретают ми­нимальные значения. Уменьшение скорости и увеличение тепловой нагрузки расширяет об­ласть удельные энтальпий с ухудшенным теп­лообменом.

Особенности теплообмена при СКД в этой зоне обусловлены двумя главными фактора­ми: воздействием переменности свойств пото­ка на процессы турбулентного обмена и по

Явлением заметных термогравитационных сил — свободной конвекции. Значение термо­гравитационных сил характеризуется отноше­нием Gr/Re2. При Gr/Re2<10~2 можно не учи­тывать влияние свободной конвекции, и теп­лоотдача при вертикальном подъемном течении рассчитывается по формуле В. С. Про­топопова [56]

. = Мп 1-ZzS fi"

NUn = Nu,

P.n

В которой Nuo — значение числа Nu для изо­термических условий:

4- RenPrn

Криволинейные каналы. Трубная система поверхностей нагрева паровых котлов и па­рогенераторов, кроме прямолинейных элемен­тов, содержит большое количество криволи­нейных участков в виде трубной системы ци­линдрических циклонных предтопков, витых трубных пакетов парогенераторов АЭС, гибов труб многоходовых панелей топочных экра­нов, гибов труб у амбразур горелочных уст­ройств, лючков и др.

Отличительной особенностью движения жидкости в криволинейных каналах являют­ся центробежные силы, направленные от вну­тренней образующей гиба к наружной. Под действием этих сил жидкость, находящаяся в ядре потока, как более плотная и потому обладающая большей кинетической энергией, отжимается к наружной образующей гиба, вытесняя при этом жидкость с меньшей плот­ностью. Вытесненная жидкость, двигаясь сим­метрично вдоль боковых стенок канала, посту­пает к внутренной образующей гиба. Жид­кость, поступающая из ядра потока, теряет часть своей энергии на трение вблизи стенки и непрерывно вытесняется новыми порциями из ядра потока. Следовательно, в криволиней­ных каналах, кроме основного осевого по­тока жидкости, возникает еще поперечное - движение двух встречных симметричных вих­рей— вторичная циркуляция (рис. 10.7),

Наличие двух симметричных вихрей, на­правленных навстречу друг другу, приводит к образованию у внутренней образующей ги­ба узкой полоски поверхности с сравнительно менее активным охлаждением, что заметно ухудшает теплоотдачу в этой локальной зоне.

Гидравлическое сопротивление в криволи­нейном канале при прочих равных условиях больше, чем для прямой трубы; объясняется это усилением обмена энергией в поперечном сечении потока, вызванного поперечной цир­куляцией жидкости.

Критическое число Рейнольдса ReKp, отве­чающее переходу ламинарного движения в турбулентное, для криволинейных каналов также выше, чем для прямых труб, причем эта разница тем ощутимее, чем больше отношение djD, т. е. больше кри­визна.

Вторичная циркуля­ция в целом интенсифи­цирует теплообмен. Вме­сте с тем она создает та­кое распределение ско­ростей и плотностей жид­кости в поперечном се - ченин канала, которое вызывает неравномерный теплообмен по его периметру. Ухудшение теплообмена, а сле­довательно, и ухудшение температурного ре­жима наблюдается на внутренней образую­щей гиба; на наружной образующей условия теплоотдачи лучше, а температура стенки ниже.