Особенности гидродинамики элементов парового котла с естественной циркуляцией

Циркуляционный контур парового котла с естественной циркуляцией состоит из труб опускной и подъемной систем, объединенных верхним барабаном, служащим для разделения пароводяной смеси на пар и воду, и нижним коллектором. Схема простейшего контура с естественной циркуляцией представлена на рис. 6.2. Опускные трубы современных паровых котлов среднего и высокого давления обычно не обогреваются. Парообразование происходит в обогреваемых подъемных трубах.

Рис. 6.2. Схема простого контура с естественной циркуляцией

За счет подвода теплоты в некоторой точке по высоте подъемной трубы (называемой точкой закипания) происходит закипание воды и выше этой точки в трубе движется уже пароводяная смесь. Так как плотность пароводяной смеси ниже плотности воды, то в опускных трубах происходит движение воды вниз, а в подъемных – движение пароводяной смеси вверх, т.е. устанавливается естественная циркуляция. Движущий напор, возникающий вследствие разности средних плотностей среды в опускных и подъемных трубах, составляет, Па

,

(6.14)

где g – ускорение свободного падения, м/с²; h_к – высота контура, м; , – средняя плотность среды в подъемных и опускных трубах соответственно, кг/м³.

Учитывая, что общая высота контура состоит из экономайзерного h_эк и паросодержащего h_пар=h_к–h_экучастков (см. рис. 6.2), а также то обстоятельство, что плотность воды в опускных трубах и на экономайзерном участке (т.е. участке до начала парообразования) различается незначительно, движущий напор можно определить из следующего выражения, Па:

,

(6.15)

где – среднее напорное паросодержание на паросодержащем участке подъемных труб; , – плотность, соответственно, воды и пара на линии насыщения, кг/м³.

Наличие экономайзерного участка связано с возможным исходным недогревом воды в экономайзере до состояния насыщения при давлении в барабане, а также более высоким значением давления в точке закипания по сравнению с давлением в барабане. Таким образом, даже в том случае, когда в водяном экономайзере вода нагревается до температуры насыщения при давлении в барабане, необходим участок для подогрева воды до состояния насыщения при давлении в точке закипания. Высота экономайзерного участка определяется по формуле, м

(6.16)

где h_до – высота участка до обогрева (см. рис. 6.3), м; – сумма высот обогреваемых подъемных участков до участка, где находится точка закипания, м; h_уч.т.з – высота участка, где находится точка закипания, м; Δi_б – недогрев воды в барабане, кДж/кг; Δi_оп – изменение энтальпии воды в опускных трубах при их обогреве, кДж/кг; Δi_сн – изменение энтальпии воды в опускной системе за счет подогрева ее паром, снесенным в опускные трубы из барабана, кДж/кг; – приращение изменения энтальпии на единицу изменения давления, кДж/(кг·Па); – сумма тепловосприятий участков, расположенных до участка с точкой закипания, кВт; Q_уч.т.з – тепловосприятие участка, на котором находится точка закипания, кВт; – соответственно гидравлическая составляющая потерь давления в опускных трубах и на экономайзерном участке, Па.

Рис. 6.3. Циркуляционный контур экрана

Чаще всего точка закипания находится на первом обогреваемом участке. В этом случае гидравлическим сопротивлением экономайзерного участка можно пренебречь.

Недогрев воды в барабане парового котла с одноступенчатым испарением и некипящим экономайзером может быть определен по формуле, кДж/кг

,

(6.17)

где i′, i_эк – энтальпия воды при температуре насыщения и на выходе из экономайзера, кДж/кг; K – кратность циркуляции, кг/кг. ]

Кратность циркуляции – величина, обратная массовому паросодержанию, т.е. это отношение расхода воды G, поступившей в циркуляционный контур за некоторый промежуток времени, к паропроизводительности контура D за этот же промежуток времени, кг/кг

.

(6.18)

Кратность циркуляции в котлах среднего, высокого и сверхвысокого давления находится в пределах 30–40, 6–14, 5–8 соответственно.

Гидравлическая составляющая потерь давления при движении рабочей среды в трубном элементе выражается формулой, Па

,

(6.19)

где Δp_тр– потеря давления от трения, Па; ∑p_м – потери давления в местных сопротивлениях, Па; – потеря давления в коллекторах, отнесенная к трубе со средним расходом среды, Па; Δp_уск – потери давления от ускорения потока, Па.

Движущий напор циркуляции затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений в подъемных и опускных трубах, Па

,

(6.20)

где – гидравлическая составляющая потерь в трубах подъемной системы, Па.

Разность движущего напора и сопротивления подъемной системы контура составляет полезный напор контура циркуляции, затрачиваемый на преодоление гидравлических сопротивлений в опускной системе, Па

или .

(6.21)

Зависимость полезного напора контура от расхода циркулирующей воды называют циркуляционной характеристикой контура, а зависимость гидравлических сопротивлений в опускной системе от расхода циркулирующей воды – гидравлической характеристикой опускной системы.

Гидравлический расчет контура циркуляции должен проводиться согласно методике, приведенной в нормативном методе гидравлического расчета котельных агрегатов. Задачами расчета циркуляционного контура являются определение скоростей воды и полезных напоров в элементах контура, кратности циркуляции, запасов надежности по застою и опрокидыванию циркуляции и других показателей, связанных с конструктивными особенностями поверхностей нагрева.

В качестве исходных данных для гидравлического расчета контура естественной циркуляции служат геометрические характеристики и тепловосприятия элементов контура, давление в барабане и исходный недогрев воды. Циркуляционный контур может иметь последовательное или параллельное соединение отдельных обогреваемых участков (элементов). Для каждого элемента в ходе расчета определяются движущий и полезный напоры циркуляции, а после этого определяется полезный напор контура в целом.

Расход циркуляции на участках контура с последовательным соединением элементов (см. рис. 6.3) одинаков, а полезный напор контура равен сумме полезных напоров элементов, Па

.

(6.22)

В контурах с параллельным соединением обогреваемых участков полезный напор всех параллельно соединенных элементов одинаков, а общий расход циркулирующей воды в контуре может быть определен как сумма расходов воды, циркулирующей в элементах контура, кг/ч

.

(6.23)

Примером контура с параллельным соединением элементов является испарительная поверхность нагрева, состоящая из нескольких рядов, объединенных общим коллектором.

Основным расчетным уравнением простого контура является уравнение (6.21), для решения которого обычно применяется графический метод. Контур разбивается на участки с одинаковыми геометрическими характеристиками и близкими удельными тепловосприятиями. Задаются три или более значения скорости циркуляции ω₀. Для каждого из выбранных значений скорости циркуляции рассчитываются циркуляционный расход, гидравлическое сопротивление опускной системы и полезный напор. Результаты расчетов в виде кривых наносятся в координатах s_пол, – G (см. рис. 6.4, а). Точка пересечения циркуляционной и гидравлической характеристик будет являться решением уравнения (6.21). Ее координаты соответствуют действительному полезному напору и расходу циркуляции в контуре. По истинному циркуляционному расходу определяется расчетная скорость циркуляции и кратность циркуляции.

Рис. 6.4. Определение условий циркуляции в контурах: а – с последовательным соединением элементов; б – с параллельным соединением элементов

При расчете контура с параллельным соединением элементов также задаются несколько значений скорости циркуляции, по которым строится гидравлическая характеристика, а также для каждого ряда труб в элементе определяется полезный напор и строится циркуляционная характеристика. Затем, сложив циркуляционные расходы в рядах при одинаковых полезных напорах, можно построить циркуляционную характеристику всего контура. Точка пересечения этой кривой и гидравлической характеристики контура (см. рис. 6.4, б) будет являться решением уравнения (6.21). Пересечение прямой, проведенной из этой точки параллельно оси абсцисс, с циркуляционными характеристиками отдельных рядов даст величины циркуляционных расходов в каждом из рядов труб пучка. Зная циркуляционные расходы, можно определить расчетное значение скорости циркуляции и кратность циркуляции.

Вопросы для самопроверки

1. Что собой представляет циркуляционный контур парового котла с естественной циркуляцией?

2. Какое название носит в паровом котле с естественной циркуляцией точка по высоте подъемной трубы, в которой происходит закипание воды и выше которой в трубе движется уже пароводяная смесь?

3. Как определяется движущий напор, возникающий вследствие разности средних плотностей среды в опускных и подъемных трубах?

4. С чем связано наличие экономайзерного участка в подъемных трубах парового котла с естественной циркуляцией?

5. Дайте определение кратности циркуляции? Каковы значения кратности циркуляции в котлах высокого, среднего и низкого давления с естественной циркуляцией?

6. На что затрачивается полезный напор контура естественной циркуляции парового котла?

7. Что характеризуют циркуляционная характеристика контура и гидравлическая характеристики опускной системы?

8. Опишите последовательность гидравлического расчета простого контура естественной циркуляции.

9. Опишите последовательность гидравлического расчета контура естественной циркуляции с параллельным соединением элементов.

Литература

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