3.4. Особенности отложения примеси в прямоточном котле докритического давления

Особенностью отложения примеси в прямоточном котле докрити-ческого давления является полное упаривание воды в испарительных поверхностях нагрева и, соответственно, повышение концентрации примеси в жидкой фазе.

Представим прямоточный котел ДКД в виде трубы, на вход которой подается питательная вода, а на выходе - перегретый пар (рис.3.4.1). По ходу рабочей среды имеются экономайзерный (эк), испарительный (исп) и перегревательный (пе) участки.

На испарительном участке происходит испарение воды, при этом часть примеси переходит в паровую фазу, а основное количество примеси остается в жидкой фазе двухфазного потока.

Напишем баланс примеси в пароводяной смеси С_пв = С_ж(1-х) + С_пх, (1)

где С_ж, С_п - концентрация примеси в жидкой и паровой фазах; х - массовое паросодержание.

Преобразуем формулу (1) С_пв = С_ж - (С_ж - С_п)х = С_ж(1 - (1 - С_п/С_ж)х) = С_ж(1 - (1 - К_р)х), (2)

где К_р - коэффициент распределения примеси К_р = С_п/С_ж.

Из (2) определим относительное изменение концентрации примеси γ_ж в жидкой фазе γ_ж = С_ж/С_пв = 1/(1 - (1 - К_р) х). (3)

Для паровой фазы аналогично γ_п = С_п/С_пв = К_р/(1 - (1 - К_р)х) = К_рγ_ж. (4)

Для сильных электролитов К_р << 1, тогда γ_ж⁰ = С_ж/С_пв = 1/(1 - х). (5)

В этом случае при х → 1 концентрация бесконечно растет (рис.2).

У слабых электролитов К_р составляет сотые и десятые доли, что существенно снижает концентрацию примеси в жидкой фазе и увеличивает в паровой (рис.3.4.2). При К_р = 1 γ_ж = γ_п = 1, вся примесь из воды, в принципе, может перейти в пар. Это условие отвечает критическому давлению.

Из рис.3.4.2 видно, что даже при К_р = 0.2 концентрация примеси в жидкой фазе при х = 1 в 5 раз больше концентрации в питательной воде.

Растворимость примеси в пароводяной смеси уменьшается от растворимости в воде на линии насыщения С_ж⁰ до растворимости в паре С_п⁰: С_пв⁰ = С_ж⁰(1 - х) + С_п⁰х = С_ж⁰ - (С_ж⁰ - С_п⁰)х. (6)

На рис.3.4.3 показано изменение растворимости по длине обогреваемой трубы. Возьмем концентрацию примеси в питательной воде С_пв меньше, чем минимум ратсворимости в паре (С_п⁰)_мин (если больше - рассуждения будут аналогичны). По мере испарения воды С_ж увеличивается и в каком-то сечении будет С_ж ≥ С_пв⁰, т.е. начнетсяотложение примеси на стенке трубы. Отложение примеси будет происходить до сечения, где находится (С_п⁰)_мин. На рис.3.4.3 показаны две кривые для С_ж. Для кривой 1 диапазон отложений мал, но величина их большая (рис.3.4.3.б). У второй кривой диапазон отложений больше, а максимальная величина - меньше. Характер отложений зависит от давления, концентрации примеси, коэффициента распределения и других факторов.

При малых тепловых нагрузках (паровые котлы малой мощности на низкое давление), когда кризис кипения происходит при больших значениях х, характер отложений аналогичен кривым 1 на рис.3.4.3. В этом случае имеет смысл зону интенсивных отложений (х > 0.75 - 0.8) вынести из топки в конвективную шахту, где тепловой поток ниже в несколько раз. Такую поверхность нагрева называют переходной зоной. В ней происходит доиспарение воды и частичный (на 20 - 30^оС) перегрев пара. Назначение переходной зоны состоит в накапливании отложений на внутренней поверхности труб до величин, предельно-допустимых для температурного режима труб. В переходной зоне на единицу поверхности можно допустить отложений больше во столько раз, во сколько в ней меньше тепловой поток (по сравнению с топочными экранами, при одинаковых марках стали) (индексы: кш - конвективная шахта, т - топка):

Δt_отл^т = q_тδ_отл^т /λ_отл; Δt_отл^кш = q_кшδ_отл^кш /λ_отл;

Δt_отл^т = Δt_отл^кш; δ_отл^кш/ δ_отл^т = q_т/q_кш.

При высоких тепловых потоках и высоком давлении среды диапазон отложений сильно расширяется и организовать переходную зону практически не удается. К тому же, основная масса примесо выпадает на стенку в зоне кризиса теплопередачи 2 -го рода, т.е. при относительно низких значениях массового паросодержания.