Умови надійної роботи елементів котла

Для надійної роботи котла необхідним є безперервне відведення теплоти від поверхонь нагріву і підтримання температури металу в допустимих межах при всіх можливих режимах роботи котла. Температура стінки поверхні нагріву, °С:

(1)

де t_рт - температура робочого тіла в даній поверхні нагріву, °С; q - тепловий потік від гріючого середовища до робочого тіла, Вт/м²; δ_ст і λ_ст - товщина і теплопровідність стінки, м і Вт/(м∙К); α₂ - коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до робочого тіла, Вт/(м²∙К); β - відношення зовнішнього діаметру до внутрішнього; μ - коефіцієнт розтікання теплоти по січенню труби, який викликаний нерівномірність обігріву по периметру.

Для вуглецевої сталі марки 20 гранично допустима температура стінки 450°С. Для сталі 12Х1МФ - 585°С, а сталі 1Х18Н12Т - 640°С.

З формули (1) виходить, що при даних значеннях t_рт, δ_ст, β і λ_ст температура стінки залежить від питомого теплового навантаження і коефіцієнта тепловіддачі від стінки до робочого тіла. Підвищення теплового навантаження приводить до зменшення площі поверхні нагріву і тому є завжди доцільним. Таким чином, для підтримання прийнятної температури стінки необхідно прагнути до збільшення α₂, який в основному залежить від швидкості потоку робочого тіла.

Масова швидкість робочого тіла в елементах котла залежить від його навантаження, а у випарних поверхонь нагріву - і від організації руху пароводяної суміші.

В економайзерах і пароперегрівачах котла вода і пара рухаються примусово, одноразово і масова швидкість визначається лише навантаженням і зростає при її збільшенні. При природній циркуляції у випарних поверхнях нагріву і низькому тиску швидкість пароводяної суміші з зростанням навантаження різко збільшується, а потім після досягнення максимального значення майже стабілізується внаслідок збільшення гідравлічного опору при зростаючому паровмісті. При високому тиску швидкість наростає повільно і при малому навантаженні може не забезпечити необхідного охолодження труб екранів. Розтоплення на ковзаючих параметрах виключає цей недолік. В прямоточних котлах швидкість пропорційна навантаженню. При малому навантаженні швидкість може опинитися неприпустимо низькою і її зниження доводиться обмежувати приблизно 30 % від номінального. В котлах з багатократною примусовою циркуляцією у випарних поверхнях нагріву швидкість майже не залежить від навантаження. Вплив навантаження на масову швидкість води і пароводяної суміші у випарних поверхнях нагріву показаний на рис. 1.

Рис. 1. Вплив навантаження котлів на швидкість води і пароводяної суміші:

1 - природна циркуляція, високий тиск: 1^/ - природна циркуляція, низький тиск; 2 - багато разова примусова циркуляція; 3 – прямоточний рух

На коефіцієнт тепловіддачі α₂ при паротворенні крім швидкості істотно впливає і режим течії пароводяної суміші, тобто розподіл фазових концентрацій по січенню, ступінь диспергування фаз, поле швидкостей і т.п. В випарних поверхнях нагріву котлів з природною циркуляцією масовий паровміст х на виході з труби менше 20 % і t_ст на 15-20 °С вище, ніж t_рт. В прямоточних котлах паровміст по довжині труб проходить усі значення в межах 0<х<1. На ділянках труб, коли значення х порівняно невелике, α₂ = 50-150 кВт(м²∙К) і t_ст близьке до t_рт. При деякому паровмісті х_кр, яке залежить від тиску і інтенсивності обігріву, спостерігається різке підвищення температури стінки. Таким чином, при всіх режимах руху потоку з обмеженим паровмістом поверхня нагріву омивається водою, що забезпечує активне охолодження стінки. При певному граничному паровмісті порушується структура потоку, водяна плівки зривається або випаровується, а краплі вологи можуть і не досягати поверхні. Погіршення теплообміну настає раніше досягнення х_кр внаслідок більш високого тиску в плівці, який знижує її поверхневий натяг і при інтенсивнішому обігріві труби прискорює випаровування вологи.

Початкова межа області погіршених режимів тепловіддачі для вертикальних труб при q_V=700 кВт/м² показана на рис. 2.

Рис. 2. Початкова межа області погіршених режимів теплообміну в вертикальних трубах при Q/V = 700 кВт/м²

При р>18 МПа погіршений теплообмін розповсюджується і на економайзерну ділянку. Під час експлуатації місце переходу в область погіршеного температурного режиму переміщається по довжині випарної труби, що може привести до теплової втоми металу. Для зменшення амплітуди коливання температури металу обмежують температурний напір між стінкою і потоком пароводяної суміші в області погіршеного теплообміну Δt<80°С за рахунок забезпечення достатньої швидкості потоків. В пароперегрівачі тепловіддача від стінки до перегрітої пари нижча, ніж від стінки до пароводяної суміші і Δt=(t_ст–t_рт) значно вище. Проте при відповідній швидкості пари надійність роботи металу труб пароперегрівача може бути забезпечена. Внутрішній теплообмін у випарних горизонтальних трубах малого діаметру мало відрізняється від теплообміну у вертикальних трубах. При діаметрі горизонтальної труби більше 15 мм навіть при її рівномірному обігріві по периметру теплообмін несиметричний. На верхній частині труби α₂ істотно нижче, ніж на нижній, що пов'язане з нерівномірним розподілом води і пари по січенню труби. З верхньою стороною поверхні труби контактує пар, а з нижньою - вода. В результаті розшарування пароводяної суміші викликає перегрів верхньої сторони труби (рис. 3).

Коефіцієнт тепловіддачі для горизонтальних і слабонахилених труб випарних поверхонь нагріву, Вт/(м²∙К):

(2)

На температурний режим горизонтальних труб сильний вплив має їх діаметр, з збільшенням якого інтенсифікується розшарування потоку пароводяної суміші і інтенсивність обігріву. Чим інтенсивніше обігрів, тим більш важливо забезпечити охолодження верхньої поверхні труб за рахунок більшої швидкості потоку.

Рис. 3. Температура стінки труби при розшаруванні пароводяної суміші залежно від кута від нижньої твірної труби:

1 – р = 11 МПа; 2 - р = 18 МПа; 3 – р = 22,4 МПа

В області надкритичного тиску теплообмін погіршується, оскільки ентальпія пароводяної суміші в шарі, який прилягає до стінки, вище, ніж в основному потоці. Для підтримання допустимої температури стінки необхідно, щоб . Нерівномірність температури стінки по січенню спостерігається також і у вигинах труб, що пов'язане з відцентровим ефектом потоку (рис. 4).

Рис. 4. Розподіл температури по січенням нижнього згину парогенеруючої труби при q = 197 кВт/м², р= 14 МПа.

1 – ωρ = 520 кг(м²∙с); 2 - ωρ = 1860 кг(м²∙с)