в испарительной системе парового котла

При движении кипящей жидкости могут иметь место четыре различные структуры потока (рис. 7.1).

При небольшом паросодержании и малой скорости пароводяной смеси в вертикальной трубе имеет место пузырьковая структура потока, при которой мелкие пузырьки пара относительно равномерно распределяются по сечению трубы.

Рис. 7.1. Структура потока пароводяной смеси в вертикальной и горизонтальной трубах: а – пузырьковая; б – снарядная; в – стержневая; г – эмульсионная; д – расслоение потока в горизонтальной трубе

При повышении паросодержания мелкие пузырьки объединяются в более крупные и занимают среднее сечение трубы. Такая структура потока носит название “снарядная”. Она неустойчива, а при давлениях, превышающих 10 МПа, не имеет место быть.

При дальнейшем увеличении паросодержания крупные паровые пузыри в среднем сечении трубы сливаются в сплошной поток, в котором распределены капельки воды. При этом по стенке движется сплошной поток воды, толщина которого уменьшается с ростом паросодержания и скорости потока. Такая структура потока называется стержневой.

При паросодержании более 90%, большой скорости пара и высоком давлении основная масса воды срывается со стенки и уносится в виде капель в потоке пара. На стенке остается тонкая пленка воды. Такую структуру потока называют эмульсионной.

Как видно из описанного выше, с увеличением паросодержания и соответственно скорости потока при прочих равных условиях пароводяная смесь проходит последовательно все формы движения от пузырьковой до эмульсионной. Наилучшие условия охлаждения стенки трубы обеспечиваются при пузырьковой структуре потока.

В горизонтальных трубах при больших скоростях паровая фаза занимает преимущественно среднюю часть трубы, а вода течет по периферии. При малых скоростях наблюдается расслоение потока: вода течет в нижней части трубы, а пар – в верхней (рис. 7.1,д).

Поток рабочего тела в элементах котла характеризуется следующими показателями.

Массовая скорость потока определяется как отношение массового расхода рабочего тела G в трубе к проходному сечению этой трубы f, кг/(м²·с)

.

(7.2)

Средняя скорость потока (пароводяной смеси) в данном сечении трубы представляет собой отношение объемного расхода рабочего тела к проходному сечению трубы, м/с

,

(7.3)

где υ_см=1/ρ_см – средний по сечению удельный объем пароводяной смеси, м³/кг.

Приведенная скорость – это скорость, с которой бы двигались пар или вода, если бы рассматриваемая фаза (пар или вода) занимала все сечение трубы, м/с]

; ,

(7.4)

где G′, G″ – массовый расход воды и пара, соответственно, кг/с; υ′, υ″ – удельный объем воды и пара, соответственно, м³/кг.

Массовый расход пароводяной смеси при этом равен, кг/с

.

(7.5)

Скорость, с которой бы двигалась вода при температуре насыщения через полное проходное сечение трубы, при массовом ее расходе, равном массовому расходу пароводяной смеси, называется скоростью циркуляции, м/с

.

(7.6)

Количество пара в пароводяной смеси, протекающей в трубе, характеризуется паросодержанием, представляющим собой отношение массы пара в пароводяной смеси к массе смеси

.

(7.7)

Средняя скорость потока (пароводяной смеси) может быть выражена через приведенные скорости воды и пара

(7.8)

или через скорость циркуляции

.

(7.9)

Отношение объемного расхода пара к объемному расходу пароводяной смеси называют объемным паросодержанием

.

(7.10)

Действительное распределение скоростей пара и воды в потоке характеризуется напорным паросодержанием, которое определяется как доля проходного сечения трубы, занимаемая паром,

,

(7.11)

где – части проходного сечения трубы, занимаемые водой и паром, соответственно; ω′, ω″ – действительные скорости соответственно воды и пара в пароводяной смеси, м/с.

Напорное паросодержание может быть выражено через x

.

(7.12)

Напорное паросодержание связано с объемным паросодержанием следующей зависимостью:

.

(7.13)

Коэффициент пропорциональности c характеризует отношение скорости пароводяной смеси к действительной скорости пара. [Этот коэффициент будет меняться с изменением давления, объемного паросодержания и скорости смеси. Величина его при давлении, меньшем критического, всегда несколько меньше единицы и возрастает с повышением давления. При критическом давлении коэффициент пропорциональности c равен единице.]

Вопросы для самопроверки

1. Чем обусловливается надежная работа элементов парового котла?

2. Какие структуры течения потока кипящей жидкости возможны в паровом котле? Охарактеризуйте каждую из них.

3. Что собой представляют массовая и средняя скорости потока рабочего тела в элементах котла?

4. Что собой представляет приведенная скорость воды или пара в элементах котла?

5. Что собой представляет скорость циркуляции?

6. Паросодержание рабочего тела в элементах парового котла и способы его выражения.

Литература

1. Губарев, А.В. Паротеплогенерирующие установки промышленных предприятий: учеб. пособие для вузов / А.В. Губарев. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. – 240 с.