ВНУТРИКОТЛОВАЯ ГИДРОДИНАМИКА
Надежная работа котельного агрегата возможна только при непрерывном охлаждении водой или паром его поверхностей нагрева. Если теплота, передаваемая продуктами сгорания поверхностям нагрева котельного агрегата, не будет от них отводиться, то температура металла может превысить допустимые пределы и агрегат выйдет из строя. Для надежного отвода теплоты необходимо обеспечить движение воды или пара вдоль поверхности нагрева. В экономайзерных и пароперегревательных поверхностях нагрева движение воды и пара происходит только принудительно под действием насоса или разности давлений пара в барабане или пароперегревателе. В испарительных же поверхностях нагрева движение воды и пароводяной смеси происходит либо принудительно под действием питательного насоса, либо за счет естественной циркуляции.
Рассмотрим физическую сущность процесса естественной циркуляции (рис. 7.1). Если температура воды в обеих трубах одинакова, то вода в них остается неподвижной. Если же одну из них (например, левую) обогреть, то в ней начинается движение воды, особенно интенсивное после того, как вода в ней начнет испаряться. Так как плотность пароводяной смеси в левой трубе Рсм меньше плотности воды рв в правой трубе, то пароводяная смесь в левой трубе начнет подниматься и поступит в верхний барабан, где произойдет отделение воды от пард. Движение воды и пароводяной смеси в трубах котельного агрегата, вызванное разностью их плотностей, получило название естественной циркуляции. Трубы, в которых рабочее тело опускается, называются опускными, а трубы, в которых рабочее тело поднимается, называются подъемными. Таким образом, в рассматриваемом циркуляционном контуре под действием разности плотностей в опускных и подъемных трубах создается непрерывное движение воды или ее циркуляция. Эту разность плотностей называют движущим напором циркуляционного контура.
Циркуляционные контуры котлоагрегатов делят на простые и сложные. Простыми называют такие, все звенья которых относятся только к данному контуру (рис. 7.2). В сложных циркуляционных контурах отдельные звенья являются общими для нескольких контуров, причем такими звеньями являются обычно опускные трубы. В качестве примера сложного циркуляционного контура на рис. 7.3 показана схема циркуляции двухбарабанного котла. Каждый ряд труб этого контура является отдельным его звеном, имеющим общую систему опускных труб. Современные котлоагрегаты имеют обычно несколько самостоятельных независимых циркуляционных контуров. При движении воды по опускным трубам давление возрастает на величину давления столба воды от уровня в барабане до рассматриваемого сечения. Одновременно повышается и температура насыщения воды. Заметим, что температура питательной воды обычно меньше температуры насыщения. Ту часть подъемной трубы, в которой отсутствует кипение, называют экономайзерным участком Яэк, а тот участок, по которому движется пароводяная смесь, называют паросодержащим участком Ящф (рис. 7.4). Очевидно, что высота паросодержащей части трубы
Полезной высотой Япол называют ту часть ее высоты, которая создает циркуляцию воды в котлоагрегате. Она складывается из обогреваемой части экономайзерного участка и всей паросодержащей части, как обогреваемой, так и необогреваемой. У труб, входящих в паровое пространство барабана, полезной является высота только до уровня воды в последнем. При установившемся режиме работы агрегата давление уравновешивается гидравлическими сопротивлениями:
Таким образом, при равенстве скоростей пара и смеси напорное и объемное паросодержание совпадает.
Важное значение для интенсивного отвода теплоты, а следовательно, для надежного охлаждения испарительных поверхностей нагрева имеет характер движения пароводяной смеси в трубах. В необогреваемых участках подъемных труб паросодержание смеси практически остается постоянным, а в обогреваемых участках паросодержание смеси по мере ее движения вверх возрастает. При этом в зависимости от ряда факторов (величины приведенной скорости воды и пара, наклона труб к горизонту, диаметра труб, внутренней и внешней чистоты поверхности нагрева) режимы течения пароводяной смеси в трубах резко отличаются друг от друга.
Различают следующие четыре основных режима движения пароводяной смеси в вертикальных трубах (рис. 7.5): 1) движение в воде малых паровых пузырей преимущественно по оси трубы в виде цепочек. Такое движение пара называют пузырьковым, и оно наблюдается при малом паросодержании; 2) движение в воде паровых пузырей, сливающихся в большие пузыри, достигающие иногда в длину 0,5 м и более и напоминающие по внешнему виду снаряды. Такое движение называют снарядным, и оно наблюдается при скорости движения пароводяной смеси, превышающей скорость при пузырьковом движении. При снарядном режиме пузыри пара отделяются от стенки трубы тонкой пленкой воды; 3) движение сплошного столба пара в виде длинного стержня с отдельными каплями воды, отделенного от поверхности трубы тонкой водяной пленкой. Это движение называют стержневым; оно наблюдается при дальнейшем возрастании скорости пароводяной смеси по сравнению со снарядным движением; 4) движение пара с равномерным распределением капель по всему сечению трубы. Этот режим движения пароводяной смеси называют эмульсионным; он наблюдается при дальнейшем увеличении паросодержания по сравнению со стержневым.
При естественной циркуляции снарядный режим движения практически маловероятен. Уже при величине 30-105 Па снарядный режим переходит в смешанный снарядно-пузырьковый. При стержневом режиме движения пароводяной смеси тонкая водяная пленка вдоль стенок трубы может легко разрушиться вследствие увеличения потоком пара отдельных капель. Поэтому надежная работа котельных труб в циркуляционном контуре с естественной циркуляцией лучше всего обеспечивается при эмульсионном движении, при котором стенки труб непрерывно охлаждаются водяной пленкой.
В горизонтальных трубах, а также в трубах, слабо наклоненных к горизонту, может происходить полное расслоение потока пароводяной смеси. Очевидно, что при таком движении верхняя часть сечения трубы, омываемая паром, вследствие ухудшения отвода теплоты может нагреться до опасных пределов. Установлено, что возможность расслоения пароводяной смеси в горизонтальных трубах зависит главным образом от рабочего давления смеси и ее скорости. С повышением давления возможность расслоения увеличивается, и для ее устранения необходимо обеспечить высокие скорости пароводяной смеси. Сравнительно небольшой угол наклона труб к горизонту (выше 15°) предотвращает расслоение пароводяной смеси. На основе обобщения обширного экспериментального, теоретического и эксплуатационного материала создан нормативный метод гидравлического расчета паровых котельных агрегатов.
