Теплообмен в паровых котлах.

Тепло, образующееся топке парового котла при сжпганпп топлива, передается воде и водяному пару в поверхностях нагрева. Таким образом, в процессе теплообмена участвуют две среды:

■ теплопередающая (нагревающая);

■ тепловоспринимающая (нагреваемая).

Основной теплопередающей средой (или теплоносителем) в паровых котлах являются продукты сгорания (дымовые газы), образующиеся в топке. В утилизационных котлах теплоносителем являются горячие газы, образовавшиеся в рабочем процессе дизельных или газотурбинных двигателей.

Тепловоспринимающей средой в паровых котлах может быть:

- вода и пароводяная смесь - в испарительных поверхностяхнагрева;

- водяной пар - в пароперегревателях;

- вода - в экономайзере;

- воздух - в воздухоподогревателе.

В ходе рабочего процесса, происходящего в паровых котлах, имеют место все три вида теплообмена:

- лучистый (радиационный) теплообмен - происходит в основном в топках паровых котлов и частично в других поверхностях нагрева;

- конвективный теплообмен - происходит при омывании горячими газами конвективных поверхностей нагрева;

- теплопроводность - с помощью этого вида теплообмена тепло от теплоносителя передается через стенки труб нагреваемой среде.

Основными целями расчета теплообмена при проектировании паровых котлов являются:

- определение количества тепла, переданного от теплоносителя нагреваемой среде в каждой конкретной поверхности нагрева и в топке котла;

- определение температуры теплоносителя на выходе из каждой конкретной поверхности нагрева и из топки.

Исходными данными для расчета теплообмена в главных и вспомогательных паровых котлах являются:

• полная паропроизводительность котла - D_K, [кг/с]; (в том числе паропронзводнтельность по насыщенному (нлн охлажденному) пару D шг, D лс, [кг/с]);

• параметры перегретого пара за главным стопорным клапаном - t_nE [^oC]; p_ПЕ [МПа];

• рабочее давление пара в котле - p_к, [МПа];

• температура насыщенного (или охлажденного) пара - t_HAC (t_0XJI), [^oC];

• температура питательной воды - t_m, [^oC];

• температура подаваемого в топку воздуха - t_B, [^oC];

• марка и теплота сгорания топлива - Q^P_H, [МДж/кг].

Исходными данными для расчета теплообмена в утилизационных котлах являются:

• полная паропроизводительность котла - D_K, [кг/с]; (в том числе

паропроизводительность по перегретому пару D_m, [кг/с]);

• параметры перегретого пара- t_nE [^oC]; p_пЕ [МПа];

• рабочее давление пара в котле - p_к, [МПа];

• температура питательной воды - t_m, [^oC];

• температура газов перед котлом - t ₁, [^oC];

• средний коэффициент избытка воздуха для данного двигателя - а;

• мощностьдвигатепя- N_e, [кВт];

• удельный расход топлива b_e [кг/кВт-ч] и его марка- Q^P_H, [МДж/кг].

Теплообмен в топках паровых котлов

Целью расчета теплообмена в топке является определение количества теплоты, переданной излучением поверхностям нагрева - Q,, и

температуры газов на выходе из топки - в_ЗТ, при известной площади

лучевоспринимающей поверхности - H_л.

В некоторых случаях может стоять обратная задача определения площади лучевоспринимающей поверхности - H_л, достаточной для

передачи заданного количества тепла Q_n.

Искомой величиной при расчете теплообмена в топке является температура газов на выходе из топки:

где: Bo - критерий Больцмана для топки:

- коэффициент удержания тепла для топки;

- расход топлива, [кг/с];

- объем продуктов сгорания, получающийся при сгорании 1 кг
топлива, [м³/кг];

- средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания, [Дж/м³-К];

5,67 • 10 ⁸ [Вт/м²-К⁴] - константа излучения абсолютно черного тела;

- коэффициент эффективности стен топки;

- площадь поверхности топки, [м²];

- теоретическая (адиабатная) температура продуктов сгорания, [К].

-степень черноты топки;

- коэффициент, учитывающий характер распределения температуры по высоте топки.

Существует несколько методов расчета топок, основным из которых является метод ЦКТИ (нормативный метод). Определение основных величин производится из графиков, эмпирических зависимостей и номограмм.

Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева котлов

Целью расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева является определение количества теплоты, переданной от теплоносителя нагреваемой среде, и температуры продуктов сгорания за каждой конвективной поверхностью нагрева.

Общая конвективная поверхность нагрева котла делится на испарительную, пароперегревательную и экономайзерную. В свою очередь каждая из них может состоять из одного или нескольких пучков труб, имеющих различные диаметры труб и разное строение пучков (шахматное или коридорное). В расчетном отношении каждый пучок труб представляет собой поверхность нагрева.

Основными уравнениями, решаемыми при расчетах теплообмена в конвективных пучках труб, являются:

■ уравнение теплопередачи:

■ уравнение теплового баланса:
где:

Q - количество теплоты, переданной через поверхность нагрева, [кДж/с];

- коэффициент теплопередачи, [кДж/м²-с-°С];

- средний температурный напор между продуктами сгорания и нагреваемой средой, [°С];

- площадь расчетной поверхности нагрева, [м²];

- коэффициент удержания тепла для каждой конкретной

поверхности нагрева; -расход топлива, [кг/с];

- энтальпии продуктов сгорания перед поверхностью нагрева и

Коэффициент теплопередачи для каждой конвективной поверхности нагрева в каждом конкретном случае (размещение пучка труб, строение пучка, шаг и диаметр труб и т.д.) вычисляется:

где:

а ₁ - коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к наружной стенке трубы, [Вт/м²-К];

S₃;S_M;S_H- толщина слоя золы,

металла и накипи соответственно, [м]; Л₃;Л_М;Л_Н- коэффициенты теплопроводности золы, металла и накипи,

[Вт/м²-К]; а₂ - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к нагреваемой среде, [Вт/м²-К].

Отношение вида называется термическим сопротивлением.

Величины, входящие в формулу определения коэффициента теплопередачи и в расчетные уравнения определяются для каждого конкретного случая обтекания газами пучков труб по графикам, номограммам и эмпирическим зависимостям.

Конечные расчетные данные каждого конкретного пучка труб являются исходными данными для расчета следующего за ним пучка труб.

2. Процесс кипения воды. Кризисы теплообмена.

Тепло теплоносителя в котлах п парогенераторах передается нагреваемой среде в поверхностях нагрева. Прн этом в испарительной поверхности происходит подогрев жидкости до температуры насыщения и ее кипение.

Различают два основных типа кипения жидкости:

• кипение в большом объеме;

• кипение в трубах.

Кипение жидкости начинается с так называемых центров парообразования. Ими могут быть различные неровности (бугорки или трещинки), посторонние включения в металле и т.д. Паровой пузырек появляется в центре парообразования, растет и отрывается от него. Различают следующие режимы движения двухфазного кипящего потока в трубах:

1) Пузырьковый режим - характерен для малых паросодержаний. Пар движется в форме мелких пузырьков, которые собираются в середине потока в виде цепочек.

2) Снарядный режим - появляется из пузырькового с увеличением паросодержания. Мелкие пузырьки пара сливаются в более крупные, имеющие форму снарядов. Они разделяются между собой прослойками воды, в которых находятся мелкие пузырьки пара. При снарядном режиме движения длина «снарядных» пузырей может достигать до 10 м, толкаемых сплошными «поршнями» воды. Снарядный режим движения неустойчив. С увеличением давления до 30 кгс/см² он переходит в смешанный (снарядно-пузырьковый), а при давлениях свыше 100 кгс/см² не наблюдается совсем.

3) Стержневой (кольцевой) режим - характеризуется тем, что жидкость покрывает только стенки поверхности нагрева, а в центре находится паровая фаза. Этот режим движения образуется из снарядного при дальнейшем увеличении паросодержания, когда «снарядные» пузыри сливаются между собой, либо сразу из пузырькового при давлениях свыше 100 кгс/см².

4) Эмульсионный режим - характерен для высоких паросодержаний. Капли влаги сравнительно равномерно распределены по объему парового потока во всем сечении трубы; водяная пленка, покрывавшая внутреннюю стенку трубы, полностью разрушается.

Кризисом теплообмена называют явление резкого ухудшения теплообмена при определенных условиях.

Кризис теплообмена 1-го рода - связан с переходом пузырькового режима кипения в пленочный. При пленочном режиме кипения жидкость отделена от стенки поверхности нагрева тонкой пленкой пара, теплопроводность которой намного хуже теплопроводности воды. Переход кипения из пузырькового режима в пленочный происходит при определенных величинах теплового потока, которые называют критическими - q_KP.

Величина q_KP зависит от давления, паросодержания, скорости движения среды, размеров и формы канала. Значение q_KP для каждого конкретного случая можно найти в специальной литературе.

Кризис теплообмена 2-го рода - может возникать и при низких значениях теплового потока. Ухудшение теплообмена возникает в области высоких паросодержаний. Причину его возникновения связывают с переходом стержневого режима движения в дисперсный поток (эмульсионный режим) с последующим подсыханием жидкой микропленки на внутренней поверхности трубы.

Возникновение любого кризиса теплообмена сопровождается скачкообразным повышением температуры металла труб. При возникновении кризиса теплообмена 1-го рода температура металла может превысить допустимую. Поэтому для обеспечения надежной работы поверхности нагрева необходимо выполнять условие:

т.е. не допускать возникновения кризиса теплообмена 1-го рода.

3. Основные понятия гидродинамики котлов и парогенераторов с ЕЦ

Надежная работа парового котла возможна только при непрерывном охлаждении поверхностей нагрева. В испарителях и экономайзерах охлаждающей средой является вода (и пароводяная смесь), в пароперегревателях - пар.

Для надежного отвода тепла необходимо обеспечить непрерывное движение среды (воды, пароводяной смеси или пара) внутри любой поверхности нагрева.

Рассмотрим простейший циркуляционный контур, состоящий из парового коллектора, водяного коллектора, ряда обогреваемых и ряда необогреваемыхтруб.

В обогреваемых трубах происходит подогрев питательной воды до температуры насыщения, и с некоторой высоты h = h_3K

начинается образование пара.

Участок, на котором происходит подогрев воды до температуры кипения называется экономайзерным. Участок, на котором происходит образование паро испарительным (парообразующим).

Удельный вес пароводяной смеси р_см меньше удельного веса воды р_эк, поэтому пароводяная смесь в обогреваемых трубах движется из водяного коллектора в паровой снизу вверх.

Пар, образовавшийся в обогреваемых трубах, собирается в верхней части парового коллектора и отбирается из котла с расходом D. Масса отбираемого пара замещается такой же массой питательной воды G _nB, подаваемой по питательной трубе в паровой коллектор. Питательная вода смешивается с котловой и по необогреваемым трубам опускается из парового коллектора в водяной.

Трубы, по которым происходит движение пароводяной смеси из водяного коллектора в паровой, называются подъемными. Трубы, по которым происходит движение воды из парового коллектора в водяной называют опускными.

Движение рабочей жидкости, возникающее и поддерживающееся вследствие разности удельных весов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах, называют естественной циркуляцией.

Движущаяся по подъемной трубе (на участке h_ИСП) пароводяная

смесь состоит из нагретой до температуры кипения воды и пузырьков сухого насыщенного пара. По мере движения смеси вверх количество пара в ней повышается и достигает максимума в выходном сечении трубки. Отношение веса находящегося в смесн пара к весу всей смесн называется весовым паросодержанием (нлн степенью сухости) -х.

Отношение веса воды, поступившей за единицу времени в подъемную трубку, к весу образовавшегося в ней пара за это же время, называется кратностью циркуляции - К.

Схема движения сред в контуре ЕЦ

Разность между весом воды и весом пароводяной смеси в единице объема называется движущим напором естественной циркуляции.

где:

у' - удельный вес воды, [кг/м³];

у_н -удельный вес пароводяной смеси, [кг/м³].

При установившемся движении в контуре движущий напор уравновешивается суммой сопротивлений, возникающих в опускных и подъемных трубах:

где:

- гидравлическое сопротивление подъемных труб;

- гидравлической сопротивление опускных труб.

Избыточная часть движущего напора, оставшаяся после преодоления сопротивления подъемных труб, называется полезным напором естественной циркуляции:

Таким образом, условием установившегося режима естественной циркуляции является равенство полезного напора и сопротивления опуска:

Скоростью циркуляции w₀ [м/с] называется скорость входа воды в

подъемные трубы. Скорость циркуляции выше у тех элементов, которые воспринимают больше тепла.

Недогрее до кипения М [кДж/кг] - представляет собой разницу энтальпий воды при температуре насыщения и фактической температурой воды в конкретной точке. Недогрев до кипения имеет место в коллекторах котла, опускных трубах и на экономайзерном участке подъемных труб.

При расчетах ЕЦ в котлах и парогенераторах строятся гидравлические характеристики подъемных и опускных труб. Это

зависимости вида:

- для каждого ряда подъемных труб; -для опускных труб.

Характеристики труб строятся по нескольким (как правило - трем) значениям S_nojl для каждого ряда труб. Затем значения складываются и строятся общая характеристика подъемных труб и характеристика опускных труб. Точка пересечения характеристики S_nojl с Аp_ОП является

графическим решением уравнения S_nojJ = Аp_оп.

Определив расход воды в опускных трубах G_on находят расходы воды G_i и скорости циркуляции w_i для каждого ряда подъемных труб.

4. Критерии надежности естественной циркуляции

Как показывает опыт, в циркуляционном контуре возможно возникновение явлений, нарушающих работу контура естественной циркуляции и приводящих к ее срыву. Такие явления могут возникать как в подъемных, так и в опускных трубах.

К явлениям, приводящим к срыву ЕЦ в подъемных трубах, относят:

- Застой циркуляции;

- Опрокидывание циркуляции;

- Расслоение пароводяной смеси;

- Нарушение режимов предельной кратности циркуляции.

К явлениям, приводящим к срыву ЕЦ в опускных трубах, относят:

- Парообразование в обогреваемых опускных трубах;

- Кавитация в опускных трубах;

- Захват пара в опускные трубы;

- Падение давления пара в котле (вскипание воды в опускных трубах).

Застоем циркуляции называется режим медленного движения воды в подъемной трубе вверх или вниз с кратностью циркуляции ^1. При этом режиме воды в трубе практически неподвижна, а в ней медленно всплывают пузыри пара, которые могут скапливаться и застаиваться в некоторых участках труб. Режим движения воды в этом случае неустойчив, а скорость поступления воды в

подъемнуютрубу^0.

Опрокидыванием циркуляции называется такой режим, при котором в слабообогреваемых трубах среда начинает двигаться сверху вниз, т.е. подъемная труба начинает работать в режиме опускной.

В зависимости от скорости движения воды вниз, образующийся пар может подниматься вверх - режим опрокидывания с запариванием, или уноситься вместе с потоком воды вниз - полностью опрокинутое движение.

Исследования температурных режимов труб показали, что наиболее неблагоприятными являются режимы опрокидывания с запариванием.

Режимы застоя и опрокидывания ЕЦ характерны прежде всего для слабообогреваемых труб. Основными причинами, приводящими к застою и опрокидыванию циркуляции, являются:

• неравномерность нагрева подъемных труб;

• повышение сопротивления опуска;

• питание котла холодной водой (большой недогрев до кипения А/);

• интенсивное применение нижнего продувания.

Расслоение пароводяной смеси - это такой режим течения при движении в горизонтальных или слабонаклоненных трубах, при котором происходит хотя бы частичное осушение стенок в верхней части трубы.

Расслоение вызывает неравномерный теплоотвод по периметру трубы. Исследования показали, что расслоение пароводяной смеси возникает в трубах, расположенных с наклоном к горизонту < 15°.

Предотвратить расслоение пароводяной смеси можно следующими способами:

- увеличением скорости движения среды в трубах с наклоном < 15°;

- проектированием наклона подъемных труб (с учетом возможного крена судна) > 30° к горизонту.

Предельная кратность циркуляции:

В судовых паровых котлах и парогенераторах с ЕЦ одной из причин повышения температуры металла парообразующих труб является кризис теплообмена 2-го рода и сопутствующее ему накипеобразование.

Граничное паросодержание, при котором начинается ухудшенный теплообмен, составляет 0,5 и выше:

Чтобы обеспечить безнакипныйрежим работы парообразующих труб, паросодержание на выходе из любой трубы должно быть меньше граничного:

С учетом неравномерности обогрева подъемных труб и некоторого запаса по надежности, можно записатьусловие:

С учетом связи между паросодержанием и кратностью циркуляции, можно сформулировать условие надежности работы циркуляционного контура:

Надежность работы подъемных труб значительно зависит от нормального режима работы опускных труб (величины Аp_ОП). Снижение расхода воды через опускные трубы неизбежно приводит к пережогу подъемных труб. Основной причиной снижения величины G_on является увеличение из-за наличия пара в опускных трубах.

Парообразование в опускных обогреваемых трубах: может произойти в том случае, если количество тепла, передаваемое опускным трубам продуктами сгорания, превысит величину недогрева до кипения в опускных трубах-

Для предотвращения закипания воды в опускных трубах необходимо:

• непрерывно подавать в котел питательную воду;

• равномерно распределять питательную воду между опускными трубами;

• не допускать увеличения обогрева опускных труб.

В современных паровых котлах опускные трубы располагают, как правило, в необогреваемой зоне за экранным пучком труб.

Кавитацией в опускных трубах называется явление парообразования в них вследствие падения давления во входном сечении трубы ниже давления насыщения при данной температуре котловой воды.

Условия возникновения кавитации зависят от:

• уровня воды в паровом коллекторе над входом в опускные трубы;

• гидравлического сопротивления входного участка опускной трубы;

• недогрева воды до кипения М в паровом коллекторе;

• стабильности поддержания давления в котле или ПГ с ЕЦ.

Захват пара в опускные трубы может произойти как из парового, так и из водяного пространства парового коллектора.

Из парового пространства пар проникает в опускные трубы через образующиеся над входом в них вихревые воронки. Обычно образование воронок происходит при небольшой высоте слоя воды над опускными трубами.

Поэтому при определении минимального уровня воды в паровом коллекторе котла необходимо учитывать возможные крены и дифференты судна.

Явление захвата пара из водяного объема парового коллектора изучено недостаточно. Поток воды, идущий к опускным трубам, сносит некоторое количество пара в виде пузырей, не успевших выделиться из толщи воды.

Решающее влияние на унос пара оказывают:

• конструкция внутриколлекторных устройств;

• скорость потока воды, движущегося к опускным трубам;

• давление пара в котле;

• солесодержание котловой воды;

• недогрев воды до кипения М.

5. Основные понятия гидродинамики котлов и парогенераторов с ПЦ

Принудительной циркуляцией называется движение воды или пароводяной смеси в паровом котле или парогенераторе, создаваемое насосом.

В котлах и парогенераторах с ПЦ питательная вода обычно распределяется по нескольким, параллельно включенным змеевикам. На практике используются следующие гидродинамические схемы подвода и отвода среды:

В отличие от котлов и ПГ с ЕЦ, движущий напор, создаваемый насосом, идет в основном на преодоление сопротивления трения в трубах.

Распределение сред и их параметров по длине одного витка прямоточных парогенераторов и котлов выглядят, как показано на рисунке ниже:

Распределение зон по длине витка зависит от следующих факторов:

■ конечного давления перегретого пара;

■ тепловой нагрузки (теплонапряжения) поверхности нагрева;

■ расхода питательной воды и недогрева ее до кипения;

■ расхода топлива и т.д.

 

Например, при изменении давления при прочих постоянных параметрах, распределение зон выглядит следующим образом:

По аналогии с котлами и ПГ с естественной циркуляцией, в котлах и ПГ с принудительной циркуляцией существует явление, состояние рабочего тела на выходе из параллельно включенных змеевиков неодинаково. Это явление называется тепловой разверкой. Численно тепловая разверка витка равна отношению энтальпии рабочего тела на выходе из него к средней энтальпии за всей поверхностью нагрева:

Тепловую разверку витков вызывают:

• неодинаковый обогрев витков из-за неравномерного распределения тепловых потоков и различной степени загрязнения параллельно включенных витков;

• различные гидравлические сопротивления витков (неодинаковые шероховатость, загрязненность, длина, отклонения сечений труб при изготовлении и т.д.);

• неравномерная раздача рабочего тела по параллельно включенным виткам.

Наличие тепловой разверки приводит к тепловой неравномерности

- отношению максимального тспловосприятия витка к среднему тепловосприятию витков данной поверхности нагрева. Если какой либо виток получает больше тепла, то энтальпия рабочего тела на выходе из него увеличивается из-за:

- получения большего количества тепла;

- уменьшения расхода воды из-за возрастания гидравлического сопротивления.

Недополученная часть рабочего тела распределяется между другими витками, изменяя все остальные параметры (/, /, v, w ) в самих витках и на выходе их них.

Гидравлической характеристикой витка называют зависимость между полным гидравлическим сопротивлением витка - А p и расходом

рабочего тела через него: Аp = f (G)

В прямоточных котлах и парогенераторов гидравлическая характе­ристика витка с неизменными агрегатными состояниями (вода или пар) имеет вид (7), а гидравлическая характеристика испарительной части -вид (2).

Таким образом в парообразующих пучках прямоточных котлов и парогенераторов при одной и той же потере напора А p могут иметь место различные расходы пароводяной смеси.

Работа витков с неоднозначной характеристикой неустойчива из-за резких колебаний расходов среды в нем и, соответственно, параметров среды на выходе из витка.

Наиболее распространенным и простым способом устранения неоднозначности гидравлической характеристики является установка на входе в виток дроссельной шайбы. Величина гидравлического сопротив­ления дроссельной шайбы должна быть больше суммарного сопротивления самого витка. Результирующая гидравлическая характеристика уже не имеет неоднозначности и работа витка становится устойчивой во всем диапазоне рабочих расходов.

Иногда вместо дроссельной шайбы для увеличения сопротивления экономайзерного участка испарительного витка применяется ступенчатое его строение: входной участок делается из трубы малого диаметра, а на участке с паросодержанием х ~ 0,25 переходит в трубу большего диаметра.

Дросселирование входного сечения испарительной поверхности нагрева может не обеспечить устранение пульсаций, возникающих в контуре циркуляции. Пульсации потока могут возникать из-за различных случайных возмущений установившегося режима.

Различают:

- общекотловые пульсации - когда колебательной системой является весь котел или ПГ в целом; при этом параметры потока в подобных сечениях параллельных змеевиков колеблются синхронно;

- межвитковые пульсации - в режим автоколебаний входят отдельные испарительные трубы при общей устойчивой работе контура циркуляции.

Самым эффективным способом борьбы с межвитковой пульсацией является установка дыхательного коллектора. Дыхательный коллектор предназначен для выравнивания давлений и расходов в парообразующих трубах за счет перетечки среды из одной трубы в другую. Коллектор устанавливается в том месте поверхности нагрева, где на самой малой

нагрузке котла или ПГ паросодержание составляет х>0,25. На больших расходах зона с паросодержанием х > 0,25 смещается в сторону смесительного коллектора.

Ввиду конструктивных особенностей котлов и ПГ с принудительной циркуляцией, парообразующие поверхности нагрева в них часто располагают горизонтально или с небольшим углом наклона к горизонту -а < 10 °. Поэтому в таких котлах и ПГ может иметь место явление расслоения пароводяной смеси.

Расслоения можно избежать, если скорость входа воды в витки w₀ будет больше некоторой предельной скорости:

где:

q - удельная тепловая нагрузка трубы, [ккал/м²-ч];

d -внутренний диаметр трубы, [м];

B - коэффициент, зависящий от давления,

при при

Такая скорость среды на входе в виток достаточна для предотвращения расслоения пароводяной смеси, а также гидравлических ударов, возникающих при снарядном режиме движения среды в трубах.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные цели расчета теплообмена при проектировании паровых котлов.

2. Назовите исходные данные для расчета теплообмена в главных и вспомогательных паровых котлах.

3. Назовите исходные данные для расчета теплообмена в утилизационных котлах.

4. Какая цель расчета теплообмена в топке?

5. В чем состоит теплообмен в конвективных поверхностях нагрева котлов?

6. Как определяется коэффициент теплопередачи конвективной поверхности нагрева?

7. Поясните как протекает процесс кипения воды в котлах?

8. Что называется движущим напором естественной циркуляции?

9. Что называется полезным напором естественной циркуляции?

10. Назовите критерии надежности естественной циркуляции.

11. Что представляют собой принудительная циркуляция?