Гідродинаміка прямоточних котлів

Рух потоку води, пароводяної суміші і пари в трубах прямоточного котла (рис. 12) описується загальними рівняннями гідродинаміки. Перепад тиску в трубах вертикальних панелей або у витку можна представити як суму втрат тиску на тертя, місцеві опори, прискорення і підйом рідини:

(65)

Рис. 12. Схеми гідравлічних контурів поверхонь нагріву з примусовим рухом робочого тіла:

а) горизонтальна навивка екранів; б) вертикальні панелі; в) U-подібна панель; г) N-подібна панель; д) багатоходова вертикальна панель; е) багатоходова горизонтальна панель

При розгляді гідродинаміки труб нівелірні втрати і втрати на прискорення можна не враховувати внаслідок їх малого значення відносно втрат напору на тертя і місцеві опори (МПа), тоді:

Втрату тиску на тертя і місцеві опори (Па) можна виразити формулою:

(66)

де - узагальнений коефіцієнт тертя і місцевих опорів.

У виразі (66) швидкість пароводяної суміші виразимо через її витрату, а площу прохідного січення труби - через її внутрішній діаметр, тоді

(67)

де .

При рівномірному обігріві витка його частина, яка зайнята водою, визначається по формулі:

(68)

де h^/ і h^// - ентальпії води в точці насичення і води, яка поступає у виток, кДж/кг; Q - тепловий потік, кВт; G - масова витрата пароводяної суміші, кг/с; l - довжина витка, м.

Частина витка, зайнята пароводяною сумішшю, визначається по формулі:

(69)

де - масовий паровміст суміші на виході з витка; r - теплота пароутворення, кДж/кг.

Опір труби (Па) складається з опорів ділянки з водою і з пароводяною сумішшю:

(70)

З виразів (67) - (69) отримуємо

(71)

(72)

Підставляючи в формулу (70) значення величин, які в неї входять, отримуємо відоме рівняння гідродинамічної характеристики труби - залежність перепаду тиску в трубі від витрати середовища, яке протікає в ній:

(73)

де А, В, С=f( ).

Гідродинамічна характеристика руху потоку середовища в трубі прямоточного котла показана на рис. 13.

Рис. 13. Гідравлічна характеристика змійовика прямоточного котла

При деякому перепаді тиску між колекторами, які об'єднують труби котла, рівному Δр_к, крива Δр = f(G) перетинається з прямою Δр_к = const в трьох точках. Відповідно витрата середовища через різні труби буде рівною G₁, G₂, G₃. Різні витрати робочого тіла при одному і тому ж перепаді тиску в трубах Δр_к можливі лише при різних питомих об'ємах робочого тіла в цих трубах. Найменша витрата G₁ відповідає найбільшому питомому об'єму . Найбільша витрата G₃ відповідає протіканню середовища з найменшим питомим об'ємом . Витраті G₂ відповідає пароводяна суміш при докритичному тиску. Гідродинамічна характеристика, при якій через окрему трубу може протікати пар, пароводяна суміш або вода, є нестійкою. При невеликій витраті пари і його малій швидкості стінки труби перегріті, що може викликати їх вихід з ладу. Для забезпечення надійної роботи котла гідродинамічна характеристика має вирівнюватися так, щоб кожному значенню Δр відповідало тільки одне значення G.

Стійкість гідродинамічної характеристики. Вирівнювання гідродинамічної характеристики може бути досягнуте шляхом встановлення дросельних шайб на вході води в труби. Опір дросельної шайби, Па:

(74)

Виражаючи швидкість води на вході в шайбу ω_{0 вод} через витрату, отримуємо

(75)

де ; тут v_вод - питомий об'єм води при вході в труби.

Складаючи перепади в трубі і дросельній шайбі, отримуємо сумарну криву Δр_с = Δр+Δр_ш. При цьому можна вибрати такий опір шайби, при якому характеристика руху потоку середовища в трубі буде стійкою (рис. 13).

В загальний опір труби входять втрати тиску на прискорення потоку пароводяної суміші і нівелірна складова. Втрату тиску на прискорення потоку можна визначити по (14), замінивши l/ρ_см = v_см і прийнявши v_см по (8); тоді

(76)

де х_кін і х_поч - масовий паровміст суміші в кінці і початку ділянки (на початку ділянки випаровування х_поч=0); v^/ і v^// - питомі об'єми суміші на початку і кінці ділянки.

Нівелірна складова втрати тиску (Па) визначається окремо для економайзерних, випарних і пароперегріваючих ділянок витка, а потім сумується:

де l_і - висота окремої ділянки, м; - середня питома вага води, пароводяної суміші або пари, Н/м³.

Нівелірний перепад тиску приймається з знаком плюс для ділянок з підйомним рухом і з знаком мінус - з опускним рухом.

В прямоточних котлах застосовують вертикальні екранні труби з підйомно-опускним рухом потоку при підводі води знизу і з виходом пароводяної суміші зверху. Для забезпечення стійкої і однозначної характеристики руху потоку середовища при дво- і триходовому підйомно-опускному русі необхідні великі швидкості потоку пароводяної суміші. При докритичному тиску масова швидкість потоку має бути ρω> 1500 кг/(м²∙с). При надкритичному тиску характеристика стійка лише на ділянках при ρω>2300 кг/(м²∙с).

Прямоточні котли мають велике число паралельно включених витків і виконуються з двома і більш незалежними потоками робочого середовища, кількість якого на кожен потік складає 120 кг/с і більше. При цьому ширина витків в кожному потоці стає великою і можливий різний обігрів окремих труб.

Теплова нерівномірність труб оцінюється коефіцієнтом

де і - максимально допустиме і середнє теплосприйняття витків; G₁ і G_ср - витрати в витках з максимальним і середнім теплосприйняттям; Δh_макс і Δh_ср - максимальне і середнє теплосприйняття робочого середовища у витках.

При рівних перепадах тиску між колекторами для труб з максимальним і середнім теплосприйняттям витрати G₁ і G_ср пропорційні питомим об'ємам пароводяної суміші, тоді

(77)

де , - середні по довжині питомі об'єми пароводяної суміші для витків з середнім і максимальним теплосприйняттям.

Для радіаційних поверхонь нагріву η≈1,1-1,25, для конвективних η≈1,3.

З метою уникнення надмірного перегріву труб з максимальною витратою G₁ необхідно, щоб значення η не було менше максимального коефіцієнта нерівномірності теплосприйняття по ширині паралельно включених витків. Для зниження впливу теплової нерівномірності застосовується встановлення шайб на вході води в труби.

Пульсуюча витрата робочого середовища. В процесі експлуатації прямоточних котлів з розімкненою схемою циркуляції докритичного тиску можливе порушення сталого режиму, при якому виникає пульсація витрати, а значить, і пульсація масової швидкості робочого середовища. Розрізняють загальнокотельні і міжвиткові пульсації.

Рис. 14. Характер затухаючих коливань і автоколивань в трубі прямоточного котла

Загальнокотельними пульсаціями є коливання витрати робочого середовища в окремих елементах, контурах і в котлі в цілому. Загальнокотельні пульсації є затухаючими і після усунень збурень, якими є зміни обігріву труб, тиск і температури живильної води, вони затухають (рис. 14). Пульсації витрати робочого середовища в окремому витку при усуненні збурень можуть самовільно не припинятися. Після мінімальної витрати середовища в даній трубі витрата знову може зростати. Таке явище називають міжвитковою пульсацією і вона може відбуватися при постійній загальній витраті середовища через паралельно включені труби [Гідравлічний розрахунок котельних агрегатів (Нормативний метод)].