E-mail: russobalt@yandex.ru

Исследование гидродинамических процессов при парообразовании в аппаратах утилизации тепла

Введение

Надежность работы элементов аппаратов утилизации тепла, которые находятся в условиях постоянного воздействия высокотемпературных газовых потоков, зависит от интенсивности теплоотвода с внутренней стороны стенок поверхностей нагрева. Внутренний теплоотвод от стенок осуществляется за счет непрерывного движения обогреваемой среды, благодаря чему их температура поддерживается на допустимом уровне.

В испарительных поверхностях нагрева движение жидкости и пара происходит либо за счет внешней силы (давление питательного или циркуляционного насоса), либо за счет естественной циркуляции.

Лабораторная работа служит для практического закрепления понятий, определений и терминологий, которые относятся к области гидродинамических процессов в аппаратах утилизации тепла.

Техника безопасности

Наряду с соблюдением общих правил техники безопасности по эксплуатации электрооборудования и при работе с кипящей водой необходимо выполнение следующих требований:

1. Пуск установок производится с разрешения преподавателя, ведущего занятия.

2. Не допускается работа при отсутствии или повреждении защитных стеклянных чехлов на обогреваемых трубах.

3. Воспрещается полностью перекрывать опускные трубы или подъемные трубы при включенном обогреве последних.

4. При прекращении подачи охлаждающей воды на конденсаторы необходимо немедленно отключить обогрев подъемных труб.

5. Воспрещается работа лабораторных установок при падении уровня воды в барабане ниже отметки Н.У.В.

1. Гидродинамические процессы в аппаратах утилизации тепла.

В котлах с естественной циркуляцией непрерывное движение жидкости вызывается различной интенсивностью обогрева подъемных и опускных труб циркуляционного контура. Различие в плотности обогреваемой среды создает движущий напор циркуляции. Величина последнего определяется высотой паросодержащего участка подъемной трубы (h_ПАР) и разностью плотностей водяной смеси (_СМ кг/м³) и воды (' кг/м³), усредненных соответственно по длине подъемной и опускной труб (рис. 1).

S = h_ПАР q('- _СМ), Па (1)

В нижней части обогреваемой подъемной трубы парообразование отсутствует, и эта часть её носит название экономайзерной. Вследствие повышения давления в нижних точках контура экономайзерный участок существует даже при условии подачи в барабан кипящей воды и отсутствии охлаждения воды в опускных трубах.

Элементом циркуляционного контура, на котором замыкается циркуляционный поток, является верхний барабан. В барабане осуществляется окончательное отделение (сепарация) пара от жидкости. Для поддержания постоянного уровня воды в верхнем барабане в него подается жидкость в количестве, равном количеству выдаваемого пара.

Рисунок 1. СХЕМА ЦИРКУЛЯЦИОННОГО КОНТУРА

1 – барабан-сепаратор, 2 – подъемные трубы, 3 – опускные трубы, 4 – коллектор, 5 – измерительная необогреваемая труба,

I – эпюра тепловой нагрузки,

II – эпюра плотности среды внутри труб.

Для суждения о циркуляционном потоке в контуре пользуются понятием кратности циркуляции, представляющей отношение расхода жидкости, поступающей в циркуляционный контур к количеству выдаваемого пара:

K = G/D, кг жидкости/кг пара (2)

Кратность циркуляции связана с массовым содержанием в конце контура соотношением:

X = 1/K (3)

Кратность циркуляции (массовое паросодержание) является одним из основных критериев, от которого зависит надежность работы испарительных поверхностей аппаратов. Эта надежность определяется значением коэффициента теплоотдачи ₂ от стенки к потоку, его величина зависит от структуры потока. Для интенсивной и устойчивой теплоотдачи нужно, чтобы стенки трубы непрерывно смачивались жидкостью. При нарушении целостности жидкой пленки и образовании паровой прослойки между стенкой и жидкостью происходит резкое снижение коэффициента теплоотдачи ₂ и недопустимое повышение температуры стенки труб.

Надежное омывание поверхности труб пленкой жидкости происходит при пузырьковом режиме кипения. Максимальное значение паросодержания, при котором еще поддерживается пузырьковое кипение, называют критическим – Х_КР. Значение Х_КР зависит от плотности теплового потока, массовой скорости (W кг/м²с) среды и давления. С ростом давления и теплового потока оно снижается. Так, например, при изменении давления от 10 до 18 МПа, массовой скорости 200 кг/м²с

и плотности теплового потока 700 кВт/м², Х_КР меняется от 0,75 до 0,5, а при изменении только плотности теплового потока до 800 кВт/м² и сохранении других условий процесса Х_КР соответственно составит 0,96 и 0,88.

Следует, однако, иметь в виду, что при Х1 может начаться интенсивное солеотложение на стенках труб. Поэтому минимально допустимая кратность циркуляции должна составлять в контуре с вертикальными трубами K_МИН = 4, а в контуре с наклонными трубами ( 15°) –K_МИН = 5. Практически в парогенераторах средних параметров (5 - 6 МПа) – K = 20  30, высоких (10 - 14 МПа) K = 8  12, сверхвысоких (14 - 18 МПа) – K = 5  8.

Для обогреваемых горизонтальных и слабонаклонных парогенерирующих труб представляет опасность расслоение потока смеси, когда в верхней части сечения трубы течет в основном пар, а в нижнем - вода. При этом температура, металла в области верхней образующей трубы существенно превышает температуру ее нижней части.

Поэтому приходится ограничивать минимальные скорости смеси на всех режимах работы агрегата.

Отклонение труб от горизонтали вверх на угол больше 15° приводит к устранению расслоения.

При уменьшении производительности парогенератора кратность циркуляции возрастает. Это связано с тем, что движущий напор циркуляции даже при большом снижении нагрузки падает незначительно и, следовательно, сохраняется или возрастает расход жидкости. Так, например, если при номинальной паропроизводительности D кратность циркуляции составляет K, то при D₁ = 0,5D краткость возрастает до 1,6 K.

Скорость жидкости в трубах при температуре насыщения W₀ м/с называется скоростью циркуляции.

Вследствие разницы плотностей пара и жидкости пузырьки пара в неподвижном столбе воды всплывают вверх. Такое всплывание пузырьков пара вверх имеет место и в движущейся жидкости. Поэтому при движении парожидкостной смеси вверх, паровые пузырьки двигаются быстрее, чем жидкость, т.е. пар имеет относительную подъемную скорость в движущейся смеси. Последнее обстоятельство делает невозможным определение истинных скоростей пара и жидкой фазы в движущейся смеси. Поэтому в расчетах циркуляции пользуются понятием приведенных скоростей жидкости и пара.

Приведенной скоростью одной из фаз в трубе называется скорость, соответствующая расходу данной фазы потока, отнесенному к полному сечению трубы. Скорость циркуляции связана с приведенными скоростями зависимостью:

W₀ = W₀' + W₀''''/', м/с (4)

где W₀ - приведенная скорость жидкости, м/с;

W₀" - приведенная скорость пара, м/с;

'', ' - плотности жидкости и пара на линии насыщения, кг/м³.

Важной характеристикой двухфазного потока является также скорость парожидкостной смеси W_см, которая рассчитывается без учета относительной скорости пара в трубе (W ' = W ") по од­ной из формул:

W_СМ = W₀ + W₀''(1 - ''/'), м/с (5)

W_СМ = W₀ [1 + X('/'' – 1)], м/с (6)

В расчетах циркуляции широко используется понятие объемное расходное паросодержание - , представляющее собой отношение объемного расхода пара - V_П м³/с к расходу смеси – V_СМ м³/с:

 = V_П/V_СМ = W₀''/W_СМ (7)

При известных значениях паропроизводительности контура и расхода жидкости определение величины  не представляет труда.

Действительное соотношение между объемом пара и жидкости в двухфазном потоке отражает понятие - напорное или истинное объемное паросодержание смеси:

 = F''l/Fl = F''/F (8)

где l – элемент длины трубы, м;

F, F'' – соответственно полное сечение подъемной трубы и его часть, занятая паром, м².

Согласно (8)  численно равна доле сечения, занятого паром.

Величина напорного паросодержания связана с объемным расходным паросодержанием  зависимостью:

c (9)

Коэффициент пропорциональности c имеет ясный физический смысл, характеризуя отношение скорости пароводяной смеси к истиной скорости пара:

c = W_СМ / W'' (10)

Экспериментальными исследованиями установлено, что коэффициент c зависит от скорости смеси, давления, объемного паросодержания, направления движения потока (подъемное – опускное).

В расчетах циркуляции величины c и  должны определяться в соответствии с рекомендациями нормативного метода [2].

Характер изменения величин X, ,  по длине трубы при подъемном движении парожидкостной смеси приведен на рис.2.

Рисунок 2. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА , X