6 Характеристика испарительных систем

Движение потока пароводяной смеси сопровождается потерей энергии и снижением давления. Общий перепад давления складывается из его потерь на преодоление трения и местных сопротивлений, потерь, связанных с ускорением потока и нивелирной составляющей давления, необходимого для подъема пароводяной смеси на другой уровень.

Для установившегося одномерного потока вязкой жидкости ее движение в вертикальной трубе описывается уравнением Навье Стокса.

Общий перепад давления на отрезке трубы высотой ℓ определится интегрированием уравнения Навье — Стокса по частям:

(6.1)

где w — скорость жидкости, м/с; р — давление, Па; Δр_тр.м - потеря давления на трение и местные сопротивления, Па; dl — элементарный участок трубы; γ — удельный вес жидкости, Н/м³

В правой части уравнения первый член — нивелирная составляющая, то есть перепад давления для подъема жидкости на высоту ℓ при постоянном ее удельном весе, равный давлению столба жидкости, Па,

Δр_нив = γℓ. (6.2)

Второй член правой части уравнения (6.1) — потери давления на трение и местное сопротивление.

Третий член — потеря давления на ускорение потока Па, при ρ’w”= ρ”w” определяется из выражения

Δр = ρw (w” - w'). (6.3)

При двухфазном потоке потеря давления от его ускорения Δр_уск, Па, определяется по формуле

Δр_уск = ∙ (x_к – x_н), (6.4)

где х_к, и х_н—конечное и начальное массовые паросодержания среды на участке.

Потеря давления на трение для однофазного турбулентного потока Δр_тр, Па, определяется по формуле

Δр_тр = λ₀lρw²/2 (6.5)

где λ₀=λd_вм — приведенный коэффициент трения; λ— коэффициент трения, зависящий от относительной шероховатости поверхности трубы k=k'/d; ℓ —длина участка, м.

Коэффициент трения

,

где k' — абсолютная шероховатость углеродистых и перлитных труб, принимается равной 0,08 мм.

Потеря давления на трение при двухфазном потоке при переменном паросодержании в нем Δр_тр, Па, определяется по формуле

(6.6)

где — среднее паросодержание на участке; ρ’ и ρ” — плотности воды и пара при температуре насыщения, кг/м²; w₀— скорость циркуляции, м/с; — коэффициент, учитывающий влияние структуры потока. Например, при паросодержании х < 0,7, давлении 10 МПа и скорости циркуляции w₀ =1,6 м/с φ =1,1.

Потеря давления за счет местных сопротивлений при однофазном потоке Δр_м, Па, определяется по формуле

Δр_м = ξ_мρw²/2 (6.7)

где ξ_м — коэффициент местного сопротивления; ρ и w — плотность и скорость среды, кг/м³ и м/с.

Значения коэффициента зависят от конструктивных особенностей элементов и приведены в [12]. Например, при входе потока из коллектора в трубы ξ_м =0,7.

Потеря давления в местных сопротивлениях при двухфазном потоке, Па, определяется по формуле

(6.8)

где ξ'_м — условный коэффициент местного сопротивления. Например, для выхода пароводяной смеси в вертикальные трубы из коллекторов при ℓ/d >80

ξ'_м = 1,2.

В общем виде перепад давлений, Па, при движении рабочей среды в трубе определяется по формуле

ΣΔр_эл= ΔР_тр + ΣΔр_м + Δр_кол + Δр_уск + Δр_нив , (6.9)

где Δр_эл — гидравлическое сопротивление в элементе, Па; Δр_тр — потеря давления на трение, Па; Δр_м — потери давления в местных сопротивлениях, Па; Δр_кол — суммарное изменение давления в коллекторах, Па; Δр_уск — потеря давления от ускорения потока, Па; Δр_нив — нивелирный перепад давлений, Па.

В зависимости от организации движения воды и пароводяной смеси в испарительной системе котлы разделяются на две группы:

а) котлы с естественной циркуляцией;

б) котлы с принудительной циркуляцией, которые под разделяются на прямоточные и с многократной принуди тельной циркуляцией.

Принципиальные схемы организации движения воды, пароводяной смеси и пара в котлах приведены на рис. 15.

В котлах с естественной циркуляцией (рис. 15, а) движение воды и пароводяной смеси в испарительной системе осуществляется за счет давления, создаваемого разностью массы столба воды в опускных трубах и столба пароводяной смеси в обогреваемых подъемных трубах системы. При этом кратность циркуляции к =G_ц/D т. е. отношение массы воды, циркулирующей в системе за единицу времени, к массе вырабатываемого пара за то же время, составляет 15—100. Движение воды в экономайзере в этих котлах осуществляется при помощи питательного насоса, а пара в пароперегревателях — за счет разницы давлений в барабане котла и паропроводе за котлом.

В котлах с многократной принудительной циркуляцией (рис. 15, б) движение воды и пароводяной смеси в испарительной системе осуществляется при помощи специального насоса. Кратность циркуляции при этом обычно находится в пределах 6—10. движение воды в экономайзере и пароперегревателе осуществляется так же, как в котлах с естественной циркуляцией.

В прямоточных котлах (рис.15,в) питательный насос создает принудительное движение воды, пароводяной смеси и пара по ряду параллельно включенных труб поверхностей нагрева, отдельные участки которых выполняют роли экономайзера, испарительной поверхности нагрева и пароперегревателя. Кратность циркуляции в таком котле равна единице.

Рис. 15. Схемы организации движения воды и пароводяной смеси в котлах:

а — естественная циркуляция; б — многократно-принудительная циркуляция; в — прямоточное движение