Характеристика випарних систем

Рух потоку пароводяної суміші супроводжується втратою енергії і зниженням тиску. Загальний перепад тиску складається з його втрат на подолання тертя і місцевих опорів, втрат пов'язаних з прискоренням потоку і нівелірної складової тиску, яка необхідна для підйому пароводяної суміші на інший рівень.

Для сталого одновимірного потоку в'язкої рідини її рух у вертикальній трубі описується рівнянням Навьє-Стокса.

Загальний перепад тиску на відрізку труби висотою l визначається інтегруванням рівняння Навьє-Стокса по частинам:

(12)

де ω - швидкість рідини, м/с; р - тиск, Па; Δр_тр.м - втрата тиску на тертя і місцеві опори, Па; dl - елементарна ділянка труби; γ - питома вага рідини, Н/м³.

В правій частині рівняння перший член - нівелірна складова, тобто перепад тиску для підйому рідини на висоту l при її постійній питомій вазі, яка рівна тиску стовпа рідини, Па:

(13)

Другий член правої частини рівняння - втрати тиску на тертя і місцеві опори.

Третій член - втрата тиску на прискорення потоку (Па) при ρ^/ω^/=ρ^//ω^// визначається з виразу:

(14)

При двофазному потоці втрата тиску від його прискорення Δр_прис (Па) визначається по формулі:

(15)

де х_к і х_п - кінцевий і початковий масовий паровміст середовища на ділянці.

Втрата тиску на тертя для однофазного турбулентного потоку Δр_тр (Па) визначається по формулі:

(16)

де - приведений коефіцієнт тертя; λ - коефіцієнт тертя, який залежить від відносної шорсткості поверхні труби ; l - довжина ділянки, м.

Коефіцієнт тертя

де k^/ - абсолютна шорсткість вуглецевих і перлітових труб, приймається рівною 0,08 мм.

Втрата тиску на тертя при двофазному потоці і змінному паровмісті в ньому (Па) визначається по формулі:

(17)

де - середній паровміст на ділянці; ρ^/ і ρ^// - густина води і пари при температурі насичення, кг/м³; ω₀ - швидкість циркуляції, м/с; - коефіцієнт, який враховує вплив структури потоку, визначається по [Гідравлічний розрахунок котельних агрегатів (Нормативний метод)]. Наприклад, при паровмісті х<0,7, тиску 10 МПа і швидкості циркуляції ω₀=1,6 м/с, ψ=1,1.

Втрата тиску за рахунок місцевих опорів при однофазному потоці Δр_м (Па) визначається по формулі:

(18)

де ξ_м - коефіцієнт місцевого опору; ρ і ω - густина і швидкість середовища, кг/м³ і м/с.

Значення коефіцієнта ξ_м залежать від конструктивних особливостей елементів і приведені в [Гідравлічний розрахунок котельних агрегатів (Нормативний метод)]. Наприклад, при вході потоку з колектора в труби ξ_м=0,7.

Втрата тиску в місцевих опорах при двофазному потоці (Па) визначається по формулі:

(19)

де - умовний коефіцієнт місцевого опору. Наприклад, для виходу пароводяної суміші у вертикальні труби з колекторів при l/d>80 =1,2.

В загальному вигляді перепад тиску (Па) при русі робочого середовища в трубі визначається по формулі:

(20)

де Δр_ел - гідравлічний опір в елементі, Па; Δр_тр - втрата тиску на тертя, Па; ΣΔр_м - втрати тиску в місцевих опорах, Па; Δр_кол - сумарна зміна тиску в колекторах, Па; Δр_прис - втрата тиску від прискорення потоку, Па; Δр_нів - нівелірний перепад тиску, Па.

Залежно від організації руху води і пароводяної суміші у випарній системі котли розділяються на дві групи:

а) котли з природною циркуляцією;

б) котли з примусовою циркуляцією, які в свою чергу поділяють на прямоточні і з багатократною примусовою циркуляцією.

Принципові схеми організації руху води, пароводяної суміші і пари в котлах приведені на рис. 7.

Рис. 7. Схеми організації руху води і пароводяної суміші в котлах

а) природна циркуляція; б) багатократна примусова циркуляція; в) прямоточний рух

В котлах з природною циркуляцією (рис. 7 а) рух води і пароводяної суміші у випарній системі здійснюється за рахунок тиску, який створюється різницею маси стовпа води в опускних трубах і стовпа пароводяної суміші в підйомних трубах системи, які обігріваються. При цьому кратність циркуляції , тобто відношення маси води, яка циркулює в системі за одиницю часу до маси пари, яка виробляється за цей же час, складає 15-100. Рух води в економайзері в цих котлах здійснюється за допомогою живильного насоса, а пара в пароперегрівачах - за рахунок різниці тиску в барабані котла і паропроводі за котлом.

В котлах з багатократною примусовою циркуляцією (рис. 7 б) рух води і пароводяної суміші у випарній системі здійснюється за допомогою спеціального насоса. Кратність циркуляції при цьому, як правило, знаходиться в межах 6-10. Рух води в економайзері і пароперегрівачі здійснюється так само, як в котлах з природною циркуляцією.

В прямоточних котлах (рис. 7 в) живильний насос створює примусовий рух води, пароводяної суміші і пари по ряду паралельно включених труб поверхонь нагріву, окремі ділянки яких виконують ролі економайзера, випарної поверхні нагріву і пароперегрівача. Кратність циркуляції в такому котлі дорівнює одиниці.