Паровые котлы ТЭС

Закономерности барботажного процесса

В паровых котлах с естественной циркуля­цией движение рабочей среды возникает при обогреве подъемных труб; в агрегатах прямо­точных и с многократной принудительной циркуляцией — за счет напора, создаваемого насосом. Независимо от того, каков источник, движение рабочей среды в парообразующих трубах характеризуется совместным движе­нием обеих структурных составляющих по­тока:

Дап>0, йув>0 — подъемное движение;

ЙУц>0, wв<0 — опрокидывание потока;

Йуп<0, йув<0 — опускное движение.

В отличие от совместного движения, в ко­тором движутся обе фазы, различают процес­сы, в которых перемещается только легкая фаза при средней нулевой скорости тяжелой фазы Wn>О, о>в=0. Такой процесс называют барботажем пара через жидкость. Барботаж пара представляет собой специфическую фор­му движения двухфазной смеси, в которой пузырьки легкой фазы (пара) всплывают че­рез толщу более тяжелой фазы (воду). Бар - ботажное движение наблюдается в барабанах паровых котлов и парогенераторов при вводе пароводяной смеси под уровень, в барабанах- сепараторах канальных кипящих реакторов, в паропромывочных устройствах (рис. 13.1). Кроме того, оно может возникнуть при неко­торых нарушениях гидродинамических режи­мов в парообразующих трубах: образовании свободного уровня и застое циркуляции (см. § 12.3). Знание закономерностей барботажного процесса позволяет более рационально конст­руировать устройства, в которых осуществля­ется барботаж пара через воду. Слой паро­водяной смеси, в котором происходит барбо­таж пара, называют динамическим (подвиж­ным) двухфазным слоем.

Рис. 13.2. К анализу механизма барботажного процессаи распределению паросодержания ф по высоте аппарата. а — при малом значении ш"0; б — при высоком значении w'J—III — зоны динамического двухфазного слоя; / — паровая по­душка; 2 — сопло.

8—833

Обычно барботажный процесс организует­ся подачей пара под распределительный щит с отверстиями (рис. 13.2). Пройдя отверстия щита, паровая струя дробится на отдельные пузыри, всплывающие (барботирующие) через толщу воды к поверхности раздела фаз. По установившейся терминологии эту поверх­ность называют зеркалом испарения. В дей­ствительности же она очень далека от зер - кально-гладкой и по существу представляет собой бурлящую поверхность обычно со зна­чительными всплесками и глубокими впадина­ми от разрыва поверхности раздела, всплы­вающими к поверхности пузырьками пара. В процессе барботажа пузырьки пара увле­кают за собой воду, создавая циркуляцию ее, которая у стенок или между цепочками пузы­рей опускается. В результате при барботаже устанавливается нулевой средний расход воды w в=0 при положительном расходе пара

Шл>0.

Барботажный процесс организуется в ап­парате, например в вертикальной колонке (рис. 13.2). Наблюдаемый по водоуказатель - ной колонке уровень воды ниже, чем в аппа­рате, так как вода в нем имеет температуру кипения и, кроме того, пронизана пузырьками пара и образует пароводяную смесь, плотность которой psap - Вода в водоуказательной колон­ке переохлаждена по отношению к темпера­туре насыщения при давлении барботажного процесса, и ее плотность равна рк. В сообща­ющихся сосудах давление на нижнюю пло­скость, проходящую через точку А, общую для водосоединительной трубки, одинаково, и по­тому

/іфизрбар£=(/івесрк+Л/грп)£. (13.1)

Здесь плотность пара рп>Срк, тогда

Лфизрбар=/івесрк - (13.2)

Так как рбар<рк, то кфиз>квес на величи­ну Ah. По водоуказательной колонке наблю­дают весовой уровень /гвес, а в аппарате более высокий — физический уровень Нфиз - Физиче­ский уровень — это уровень рабочей среды в аппарате, где паросодержание <р достигает значения, близкого единице. Разницу между физическим и весовым уровнями называют набуханием уровня.

В барботажном процессе подводимый пар распределяется по сечению аппарата в соот­ветствии с гидравлическим сопротивлением водяного слоя, которое при сосредоточенном подводе пара различно в разных точках сече­ния. В целях равномерного распределения пара по сечению в водяном объеме устанав­ливается распределительный щит, гидравли­ческое сопротивление которого существенно превышает гидравлическое сопротивление сво­бодного сечения и потому является определя­ющим в распределении пара. Поскольку отверстия в щите выполняют равномерно рас­пределенными, то и пар по сечению аппарата также распределяется равномерно. В целях организации движения воды распределитель­ный щит выполняют не на все сечение аппа­рата, а оставляя периферийный канал для опускного движения воды. Закраины щита предотвращают неорганизованный прорыв па­ра мимо отверстий щита и при достаточном подводе пара облегчают формирование паро­вой подушки под распределительным щитом.

Нормальная работа распределительного щита возможна в случае образования под ним паровой подушки, при которой устанавливает­ся непрерывное истечение пузырей через от­верстия щита. В момент образования паровой подушки возникает определенная (минималь­ная) скорость пара в отверстиях щита w"uш - Для устойчивого существования паровой по­душки необходимо, чтобы действительная ско­рость истечения пара через отверстия была больше МИНИМАЛЬНОЙ, Т. Є. W *^>Wr/ мин» Это условие легко выполняется при малом диамет­ре отверстий щита d, когда отрывной диаметр пузырей водяного пара do превышает диаметр отверстий размером 2—3 мм.

В паровых котлах ТЭС и парогенераторах АЭС в целях предотвращения перекрытия шламом погруженные в воду парораспредели­тельные щиты выполняют с диаметром отвер­стий 8—12 мм и более. Образование паровой подушки в этих условиях возможно только при слиянии отдельных пузырей пара под щи­том, и тогда через отверстия щита будет про­ходить сплошной поток пара в виде струй. При струйном режиме пар может увлекать из водяного объема аппарата небольшое коли­чество отдельных капель жидкости, однако это не оказывает существенного влияния на гидродинамику распределительного щита.

Образование устойчивой паровой подушки требует создания гидростатического напора, определяемого разностью масс столбов воды и пара на высоте, равной толщине паровой подушки б:

Лр=6(p'-p")g. (13.3)

Этот напор затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в отверстиях и создание избыточного давления, необходимого для преодоления сопротивления и прорыва водяной пленки в момент выхода пара в водя­ной объем над щитом (рис. 13.3). Прорыв во­дяной пленки возникает под действием силы

О Г) » 2^1° 2з т

2nRxO, создающей давление = Іогда

(13.4)

Совместное решение (13.3) и (13.4) позво­ляет определить минимальную толщину слоя пара, обеспечивающую устойчивое состояние паровой подушки:

2а і „ р"(да")г

2g(p'-p") '

Где a — поверхностное натяжение; |0Тв — коэф­фициент сопротивления распределительного щита, зависящий от относительного живого сечения отверстий в щите; R~d/2.

Распределитель пара в виде дырчатого щи­та обеспечивает устойчивое образование паро­вой подушки и эффективность устройства только в узком диапазоне нагрузок, близких к номинальной. Увеличение паровой нагрузки аппарата приводит к росту высоты паровой подушки пропорционально квадрату отноше­ния нагрузок (Dx/DBom)2 и прорыву пара ми­мо дырчатого щита. Уменьшение нагрузки связано с неравномерным распределением па­ра по сечению аппарата.

В Энергетическом институте им. Г. М. Кржи­жановского разработана принципиально новая конструкция распределителя пара. Щит снаб­жен соосными относительно его отверстий пер-

Форированными по высоте патрубками с за­глушёнными торцами (рис. 13.4). Количество, расположение и размеры отверстий патрубков определяются диапазоном изменения паропро- изводительности аппарата и распределением выдачи пара над дырчатым щитом.

Пар из водяного объема аппарата посту­пает под щит, образуя здесь паровую подуш­ку в пределах высоты патрубков. Отсюда пар проходит отверстия этих патрубков и выдает­ся равномерно через отверстия подтопленного щита и слой воды над ним. При изменении паропроизводительности аппарата число «ак­тивных» отверстий саморегулируется за счет соответствующего изменения высоты паровой подушки. В результате саморегулируемости числа «активных» отверстий распределитель пара обеспечивает равномерную нагрузку зер­кала испарения в широком диапазоне измене­ния паропроизводительности.

Как и при вынужденном движении, основ­ной характеристикой барботажного процесса является относительное сечение, занятое па­ром фбар. Распределение пара и воды по вы­соте барботажного аппарата неодинаково. Величина фбар изменяется в широком диапа­зоне существования структурных составляю­щих (воды и пара): от величины, соответст­вующей расходу пара непосредственно над распределительным щитом, и практически до единицы —в паровой подушке и в паровом объеме. Распределение фбар по высоте глав­ным образом зависит от расхода пара или, что то же самое, от приведенной скорости па­ра w" 0.

Для определенного значения w"0 разли­чают три зоны динамического двухфазного слоя (рис. 13.2). Им предшествует участок паровой подушки под распределительным щи­том. При достаточном подводе пара он запол­нен паром и потому фбар=1. Первая зона — это участок двухфазного динамического слоя, непосредственно прилегающий к распредели­тельному щиту. Здесь стабилизируется поток. В этом процессе крупные пузыри пара дробят­ся на более мелкие, а мелкие объединяются в более крупные. В результате устанавливает­ся устойчивый размер паровых пузырей. Здесь фбар изменяется от значения, равного относительному живому сечению щита фр. їд, до некоторого постоянного значения, опреде­ляемого конкретными условиями барботажно­го процесса фбар-- расходом пара и давлением. Протяженность начального участка динамиче­ского слоя ограничена и обычно составляет несколько десятков миллиметров.

Вторая зона характеризуется постоянным стабилизированным значением ср^™б= const, достигнутым на выходе из первой зоны. Наи - ®g

Применима для паросодержаний

Формула

С<0'7-

В третьей — переходной зоне (Рбар непрерыв - по увеличивается от его стабилизированного' значения tp^p6 до <р = 1 выше динамического

Двухфазного слоя. Протяженность третьей зо­ны зависит от w"0. При малой w"0 всплывают отдельные пузыри пара, которые рассредоточе­ны в достаточно большом объеме и поэтому не оказывают взаимного влияния. Всплывающие на поверхность пузыри мало деформируют уро­вень, в связи с чем граница между второй и третьей зонами четко выражена, а третья зона занимает небольшую высоту — кривая w"01 на рис. 13.5. С ростом w"о количество барботи - руемого пара увеличивается, пар движется цепочками, сливающимися затем в паровые струи, и устанавливается циркуляция воды. Далее количество паровых струй возрастает настолько, что они уже начинают тормозить нормальную циркуляцию воды, сток воды, увлеченной подъемным движением пара, за­трудняется. В этих условиях вода задержива­ется более длительное время в верхних слоях динамического слоя, а это приводит к набуха­нию уровня. Поверхность раздела фаз полу­чается более размытой, увеличивается протя­женность переходной области динамического слоя, соответственно уменьшается высота па­рового объема аппарата h — кривая w"02 на рис. 13.5. Существенное влияние на гидроди­намику барботажного процесса оказывает дав­ление. С ростом давления увеличивается плот­ность пара, пузырьки пара всплывают медлен­нее, задерживаясь в водяном объеме более длительное время. Это увеличивает фдар И потому вызывает набухание уровня и увеличе­ние высоты стабилизированной и переходной областей. В ■ итоге повышение давления каче­ственно эквивалентно росту w"0. При данном весовом уровне протяженность переходной об­ласти hn. o зависит от доли сечения, занятого паром ф. Протяженность переходной области непосредственно сказывается на влажности пара, поступающего из аппарата в паросепа - рационное устройство. Чем больше /гп. о, тем меньше высота парового объема (см. рис. 13.5) и выше влажность пара.

13.2. динамический слой в паропромывочных устройствах

Для повышения качества пара широко применяется его промывка в слое чистой воды (см. § 15.4). Промывка пара обычно осущест­вляется в слое воды, удерживаемой на дырча­том щите при прохождении через отверстия в нем пара. С промывочного устройства вода стекает только за счет перелива через перифе­рийные пороговые ограждения, высота кото­рых позволяет поддерживать необходимый уровень воды (рис. 13.1,в). Такой режим явля­ется беспровальным.

Беспровальный режим обеспечивается си­лой F, действующей на столб воды, которая

Возникает за счет разности давлений пара под щитом и над уровнем воды. Эта сила рав­на силе гидравлического сопротивления при прохождении пара через отверстия щита и слой воды над ним

Р (w^f, . (w"Y - „ H т, up

Г A- — ^птв о Р л I? с.

••ел 2 "

(13.7)

До момента, предшествующего прорыву пара через отверстие, эта сила расходуется на преодоление силы, создаваемой массой столба воды

Л, <13-8)

И силы поверхностного натяжения F

Тогда

F — F - I - F

' р ---- 1 А I 1 а

После подстановки (13.7) — (13.9) в (13.10) получим формулу для скорости пара w" в от­верстиях дырчатого листа, обеспечивающей беспровальную работу промывочного устрой­ства:

В которой приведенный коэффициент сопротив­ления барботажного устройства

В формулах (13.7) —(13.11) ^ — диаметр отверстий в дырчатом щите; hyp— уровень над дырчатым щитом; Н — действительная высота барботажного слоя; £0тв и £Сл — коэф­фициенты сопротивления при истечении пара через отверстие щита и барботаже через слой промывочной воды.

Обычно высота паропромывочного слоя во­ды невелика (50—70 мм), и потому его гид­равлическое сопротивление проходу пара ма­ло по сравнению с сопротивлением отверстий дырчатого щита ЕслСёотв - Поэтому в форму­ле (13.11) МОЖНО ПРИНЯТЬ £ = £отв-

Расчет по (13.11) создает некоторый запас по скорости истечения пара через отверстия щита, поскольку действительная скорость па­ра будет выше, что заведомо обеспечивает гидродинамическую устойчивость барботаж - ной промывки пара.

13.3. влияние неравномерности тепловыделения и примесей на динамический двухфазный слой

Вода может содержать поверхностно-ак­тивные вещества, которые» в основной массе концентрируются на поверхности раздела фаз, что содействует упрочнению водяных пленок, окутывающих пузырьки пара, и уменьшению размеров последних. Пузырьки пара меньших размеров всплывают медленнее. Более проч­ные водяные пленки разрываются с некоторой задержкой времени, благодаря чему тормозит­ся процесс выхода пузырьков пара в паровой объем. В этих условиях динамический двух­фазный слой насыщается все большим коли­чеством пара, что также вызывает набухание слоя и повышение уровня.

Общая картина распределения паросодер­жания по высоте двухфазного динамического слоя при постоянном расходе пара и различ­ных концентрациях примесей показана на рис. 13.6. Видно, что при всех концентрациях паросодержание <р увеличивается по высоте слоя. При малых концентрациях примесей на выходе из распределительного щита паросо­держание невелико и далее на большой высо­те сохраняется почти постоянным (медленно увеличивается ср) и, наконец, в небольшой по высоте переходной области быстро возрастает,

Ных выравнивающих устройств, например по­груженного распределительного щита.

На рис. 13.8 показано распределение паросодержа­ния ф для различных отметок по высоте слоя при сим­метричной (с подводом пара по центру сечения) и асимметричной исходных неравномерностях с естествен­ным выравниванием паросодержания (вертикальная ко­лонка без щита). Видно, что на входе в двухфазный слой имеет место резко выраженная неравномерность ф, которая в условиях барботажного процесса в сво­бодном объеме в вышерасположенном слое далее вы­равнивается.

В результате неравномерности паросодержания возникают поперечные градиенты плотности смеси, за­полняющей сечение аппарата. В свою очередь гради­енты плотности вызывают направленные конвективные токи, выравнивающие паросодержание и плотность. В качестве примера на рис. 13.8 представлена эпюра ф для четырех сечений по высоте барботажного слоя. Видно, как по мере перераспределения пара уменьшает­ся неравномерность. Однако полного выравнивания не достигается. Это объясняется тем, что вода, увлеченная паром при его барботаже, стекает в основном вблизи стенок. В аппаратах большого диаметра влияние стенок сказывается меньше л потому подъемные и опускные токи, а следовательно, и паросодержание распределя­ются по сечению более или менее равномерно.

Наглядную картину влияния w"o на высоту, на которой наступает выравнивание потока при барбота - же, дает рис. 13.9. Левая ветвь характеристики отвечает малым w"о и, следовательно, малым градиентам плот­ности, в связи с чем выравнивание достигается на боль­шей высоте. Повышение паровой нагрузки интенсифи­цирует выравнивание потока, несмотря на увеличиваю­щуюся при этом начальную неравномерность, и потому высота стабилизации меньше. Такая закономерность должна бы сохраниться и с дальнейшим ростом w"a, в процессе которого растет градиент плотности. Вместе с тем очень большие расходы пара приводят к резкому увеличению осевой составляющей скорости смеси, стре­мящейся растянуть процесс по высоте слоя. В неко­тором диапазоне больших w"0 влияние скорости пре­обладает и высота слоя выравнивания растет. Наконец, при очень больших расходах пара (w"0) наступает ин­тенсивный вынос влаги из слоя. Экстраполяция этой ветви до пересечения с осью абсцисс будет отвечать полному выносу воды из аппарата и переводу барбо­тажного процесса в вынужденное движение парово­дяной смеси.