Теплообмен в конвективных поверхностях и тепловой расчет пароперегревателя и кипятильных пучков

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Поверхности нагрева, расположенные в газоходах котельного агрегата, воспринимают теплоту, переданную в основном конвекцией, в связи с чем и называются конвективными поверхностями нагрева. К таким поверхностям относятся котельный пучок труб, пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от скорости продуктов сгорания и обогреваемой среды; температур потока продуктов сгорания и среды, воспринимающей теплоту; физических свойств рабочих веществ; характера омывапия поверхности нагрева (продольное, поперечное, смешанное); конструктивных характеристик поверхностей нагрева; характера потока (турбулентный, ламинарный) и т. д.

Интенсивность работы конвективных поверхностей нагрева определяется в основном коэффициентом теплопередачи k. Поверхности нагрева котельного агрегата выполняют из труб с малым отношением толщины стенки к диаметру, поэтому при расчете влиянием кривизны стенки пренебрегают, вследствие чего коэффициент теплопередачи можно определять так же, как для плоских поверхностей нагрева, Вт/(м2-К):

В основе расчета всех конвективных поверхностей нагрева лежат два уравнения:

1) уравнение теплового баланса

Следует отметить, что термическое сопротивление металлической стенки незначительно и термическое сопротивление слоя загрязнений бн/Ян со стороны нагреваемого теплоносителя (воды, пара, воздуха) также мало, поэтому их значениями при расчете можно пренебречь. Если стенки тепловоспринимающнх поверхностей неметаллические (как, например, воздухоподогреватель со стеклянными трубами), то термическое сопротивление бст/Яст такой стенки в расчете учитывают. Влияние термических сопротивлений загрязнений поверхности со стороны продуктов сгорания 63Д3 обычно учитывают введением поправочного коэффициента е, который называется коэффициентом загрязнения. При указанных упрощениях уравнение для расчета коэффициента теплопередачи, Вт/(м2-К), принимает вид:

Следует отметить, что термическое сопротивление теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю (вода, пар) 1/а2 значительно меньше, чем термическое сопротивление теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке.

Для перегретого водяного пара величина коэффициента теплоотдачи значительно меньше и составляет а2 = = 1150—3500 Вт/(м2-К), а для воздуха а2=17—40 Вт/ /(м2-К), т. е. его величина соизмерима с коэффициентом теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке а. Поэтому при расчете пароперегревателей и воздухоподогревателей термическое сопротивление от стенки к нагреваемому теплоносителю 1/а2 учитывают и коэффициент теплопередачи определяют из выражения (2.47).

Коэффициент теплопередачи:

В коридорных и шахматных пучках при сжигании газа и мазута, а также при сжигании твердого топлива в котлах малой мощности коэффициент теплопередачи k подсчитывают по следующим формулам:

для испарительных поверхностей нагрева и водяных экономайзеров

При определении коэффициента теплоотдачи а в ряде случаев наряду с конвективным теплообменом в газоходах котла необходимо учитывать излучение трехатомных газов. При этом допускают определенную условность и принимают, что коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2 К), равен:

В котельном агрегате, как правило, конвективные испарительные поверхности нагрева, пароперегреватель п водяной экономайзер омываются снаружи поперечным потоком продуктов сгорания, а воздухоподогреватель — продольным потоком. Коэффициент теплоотдачи конвекцией в поперечно-омываемом коридорном пучке труб определяют из уравнения

1.9. Промывочные устройства. Назначение промывочных устройств

Элементы паровых котлов, в которых осуществляется отделение пара от воды или снижение концентрации солей в паре, называются сепарационными устройствами (СУ). Сепарационные устройства котлов должны обеспечивать (при различных режимных и водно-химических условиях) надежную работу котла, исключающую занос солями пароперегревателя и турбины, расстройства циркуляции и отложение накипи на обогреваемых элементах котла. Выработка котлом пара, удовлетворяющего нормам ПТЭ [1], обеспечивает длительную надежную работу котла и турбины.

Примеси, содержащиеся в насыщенном паре котла, могут попадать туда двумя путями: в связи с механическим уносом влаги (капелек котловой воды) и в связи с непосредственным их растворением в паре (избирательный вынос).

Содержание солей в паре Сп определяется по формуле

Сп = 0, 01 · (w + Kр) · Скв, (1)

где Скв - содержание примесей в котловой воде;

w- коэффициент механического уноса, численно равный влажности пара, %. (Работами ЭНИН, МЭИ и МО ЦКТИ показано, что концентрация веществ в каплях влаги и котловой воде, из которой образуется пар, одинаковы);

кр - коэффициент распределения данного соединения между паром и водой (непосредственное физико-химическое растворение вещества в паре), %.

Для котлов низкого и среднего давления кр = 0 для основных солей, по которым нормируется пар (Na, SiO2 и т.д.) [2]. У котлов высокого давления (Pб > 70 кгс/см2) наряду с капельным уносом имеет место значительный избирательный вынос различных солей, прежде всего кремнекислоты (SiO2). В соответствии с этим и принципы построения сепарационных устройств котлов среднего и высокого давления различны.

Прохождение пара через слой воды (барботаж) сопровождается отрывом капель влаги от зеркала испарения и последующим их забросом в паровой объем барабана. В барабанных котлах процесс барботажа происходит в паропромывочных устройствах, в дырчатых погружных листах, в любых других сепарационных устройствах при подводе пара под уровень воды барабана; условно к барботажному процессу можно отнести и процесс разделения пара от воды во внутрибарабанных и выносных циклонах (только там наряду с процессом барботажа идет и процесс инерционного разделения пара от воды). Образование капель влаги при барботаже обусловлено как за счет динамического воздействия парового потока, так и высвобождения поверхностной энергии при разрыве оболочек всплывающих пузырей. При разрыве оболочек паровых пузырей могут образовываться капли широкого спектра диаметров. Это обусловлено переменной толщиной пленки пузыря, которая в момент разрыва имеет минимальное значение в верхней части купола, а максимальное значение у основания пузыря (за счет стока влаги). Дополнительный выброс в основном крупнодисперсной влаги происходит также за счет смыкания кольцевых волн, образующихся при заполнении жидкостью нижней полусферы пузыря.

В области малых скоростей пара (нагрузок) основное количество капель влаги генерируется за счет разрыва оболочек паровых пузырей. С увеличением скорости пара (нагрузки) увеличивается генерация капель влаги за счет динамического воздействия парового потока. Скорость парового потока существенным образом влияет на высоту подъема капель влаги, образующихся при барботаже. На начальном участке подъема оторвавшихся капель (подпрыгивание) их скорость, как правило, выше скорости парового потока ипоэтому они тормозятся. Например, по данным [2], для капель диаметром 0, 2 мм, взлетающим в неподвижном водяном паре (с давлением 110 кгс/см2) высота подъема капель составляет около 10 мм. В некоторый момент скорости пара и капли сравниваются и капли при этом могут увлекаться паровым потоком. Скорость, при которой сила аэродинамического сопротивления капли равняется весу капли, называется скоростью витания. Если скорость парового потока меньше скорости витания, то такие капли «подпрыгнув» на определенную высоту могут выпасть из парового потока обратно на зеркало испарения (осадительная сепарация). Если скорость парового потока выше скорости витания, то такие капли могут транспортироваться на любую высоту (несепарируемые капли). Как уже говорилось, в паровой объем барабана выбрасывается громадное количество капель с широким спектром скоростей и диаметров. При увеличении диаметра капли скорость витания капли увеличивается, а значит и отсепарировать крупные капли легче, чем мелкие. Причину увеличения влажности (солесодержания) пара при увеличении нагрузки котла (осевой подъемной скорости пара в барабане) можно объяснить тем, что по мере возрастания нагрузки котла из парового объема барабана могут быть вынесены все более и более крупные капли. Если при небольших нагрузках котла W''ос > W''виттолько для мельчайших капель, то по мере увеличения нагрузки W''ос > W''вит уже для все более крупных капель. Например, по данным [3], для капли диаметром 2 мм скорость витания будет:

при Р = 14 кгс/см2 W''вит= 1, 96 м/с;

Р = 40 кгс/см2 W''вит= 1, 4 м/с;

Р = 110 кгс/см2 W''вит= 0, 7 м/с;

Р = 155 кгс/см2 W''вит= 0, 45 м/с.

Работа сепарационных устройств котлов характеризуется кроме солесодержания (концентрация солей натрия) пара еще и влажностью (коэффициентом уноса)

(2)

где NaП - концентрация солей натрия в паре;

NaKB - концентрация солей натрия в котловой воде.

На работу сепарационных устройств котлов существенное влияние оказывает солесодержание котловой воды (SKB). Проявляется это следующим образом. При работе котла при постоянной паропроизводительности при увеличении солесодержания котловой воды происходит очень плавное увеличение солесодержания пара, при достижении определенного значения солесодержания котловой воды происходит резкое увеличение влажности пара котла (солесодержания), регистрирующие солемеры отмечают резкое увеличение солесодержания пара (бросок). Объяснить это можно следующим образом: по мере увеличения концентрации веществ в котловой воде и прежде всего коллоидных частиц оксидов железа, шлама и др. веществ, поверхностный слой приобретает структурную вязкость. Длительность существования паровых пузырей до их разрушения увеличивается (набухание), пленки паровых пузырей успевают утониться и при разрыве их образуется большое количество мелких капель (трудно сепарируемых), вода приобретает способность к вспениванию. Значение солесодержания котловой воды, при котором происходит резкое увеличение влажности пара, называется критическим ( ). Величина критического солесодержания зависит от давления пара в котле, конструкции сепарационных устройств, солевого состава воды («букета»), паровой нагрузки сепарационных устройств и т.д. Наиболее точно критическое солесодержание котловой воды можно определить только на основании теплохимических испытаний конкретного котла. Ориентировочно для котлов низкого давления величина критического солесодержания составляет около 3000 мг/кг, для котлов среднего давления - 1300 - 1500 мг/кг, а для котлов высокого давления - 300 - 500 мг/кг.

Одним из вариантов приспособления работы котлов на воде закритического солесодержания при умеренных значениях непрерывной продувки является применение ступенчатого испарения котловой воды. Его сущность состоит в том, что водяной объем барабана и парообразующие циркуляционные контуры разбиваются на два или три независимых отсека с подачей всей питательной воды только в 1-й отсек и отводом воды в продувку из последнего отсека. При такой схеме питания резко возрастает «внутренняя» продувка первого (чистого) отсека, которая будет равна (nп + Р) % (при выполнении котла, например по двухступенчатой схеме испарения), а увеличение продувки будет составлять в раза, по сравнению с котлом без ступенчатого испарения. В связи с этим концентрация солей в котловой воде 1-й ступени резко уменьшается и соответственно улучшается качество пара. Для 2-й ступени испарения концентрация солей продувочной воды будет практически такой же, как и у котла без ступенчатого испарения (при одинаковых значениях непрерывных продувок Р = const для обеих схем). Если принять, что коэффициенты выноса (или влажность пара) до и после перевода котла на ступенчатое испарение были одинаковыми, то качество пара (солесодержание) котла при переводе на ступенчатое испарение будет выше, чем у котла с одноступенчатой схемой испарения. Если же качество пара (солесодержание) котла со ступенчатым испарением принять одинаковым, как и у котла без ступеней испарения, то тогда котел со ступенчатым испарением будет работать с меньшей величиной непрерывной продувки (чем котел без ступеней испарения). В отечественном котлостроении в качестве сепараторов пара последних ступеней испарения применяют, как правило, выносные циклоны. Выносные циклоны - это устройства, которые лучше всего приспособлены для работы на воде повышенного солесодержания. (За счет развития соответствующей паровой высоты и использования центробежных сил для подавления вспенивания).

В котлах высокого давления наряду с капельным уносом имеет место значительный избирательный унос различных солей и прежде всего кремнекислоты (SiO2), за счет непосредственного физико-химического растворения солей в паре. Избирательный вынос кремнекислоты (при рН = 9, 0 - 12, 0) для котлов с давлением 115 кгс/см2 составляет 2, 0 - 1, 0 %, а для котлов с давлением 155 кгс/см2 - 4, 0 - 2, 5 % [9].

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒