13.8. Гідродинаміка котлів із природньою циркуляцією

Найпростіший контур випарної системи складається з обігріває труби, опускної труби, сполучного колектора і барабана, у якому відбувається поділ пароводяної суміші на пару та воду (рис. 13.4).

З

Рис. 13.4. Контур з природньою циркуляцією

а рахунок підведення теплоти в якійсь точці по висоті піднімальної труби відбувається кипіння води, у цьому випадку пароводяна суміш перебуває вище її. За рахунок різниці питомих мас води і пароводяної суміші в опускній і піднімальній трубах виникає рух води вниз, а пароводяної суміші – вгору за рахунок цього установлюється природна циркуляція. Створюваний при цьому рушійний тиск затрачається на подолання опорів у системі. Рушійний тиск циркуляції виникає за рахунок різниці мас стовпів води і пароводяної суміші.

Тиск стовпа пароводяної суміші можна представити у вигляді суми тисків стовпа води і стовпа пароводяної суміші, Па

,

(13.32)

де — середній по довжині паровмісної ділянки труби питома маса пароводяної суміші (напірна питома маса суміші), H/м³.

З огляду на те, що загальна висота контуру складається з економайзерного і паровмісного ділянок (на рис. 13.4 ), з (13.32) одержуємо для рушійного тиску (напору), Па

.

(13.33)

Напірна питома маса пароводяної суміші залежить від дійсного об'ємного паровмісту суміші по довжині труби. Вважаючи, що підведення теплоти забезпечує рівномірне зростання паровмісту по довжині труби, маємо

.

(13.34)

Тоді рушійний тиск визначається за формулою, Па

,

(13.35)

де - середнє по всій трубі дійсне значення об'ємного паровмісту.

Оскільки, рушійний тиск долає опір у піднімальних і опускних трубах, відповідно

,

(13.36)

де , — сумарні опори в піднімальних і опускних трубах, Па.

Різниця рушійного тиску і опору піднімальної частини циркуляційного контуру становить корисний тиск, що витрачає на подолання опорів опускної частини контуру:

,

(13.37)

або

.

(13.38)

У котлах із природною циркуляцією випарні системи розвивають по висоті і виконують із малим відношенням довжини труби до її діаметра l/d, рівним приблизно 200-400. При цьому нівелірна втрата тиску буде найбільшою і потік води між паралельно включеними трубами буде розподілятися майже пропорційно їхньому тепловому навантаженню, що визначає питому масу пароводяної суміші в піднімальній трубі.

Економайзерний і паровмісний ділянки контуру. Вода, що надходить із барабана в опускну систему, звичайно нагріта до температури насичення. Коли вода в економайзері недогріта до цієї температури і надходить у барабан поблизу опускних труб, її недогрів до кипіння визначається величиною , кДж/кг

,

(13.39)

де , — ентальпії води при температурі насичення і на виході з економайзера, кДж/кг; — кратність циркуляції в контурі, кг/кг.

Значення у котлах високого тиску (до 14 МПа) становить 14—6; середнього тиску (до 8 МПа) — 30—65.

Загальна висота контуру l може бути представлена у вигляді суми ділянок з однаковим теплосприйняттям l₁, l₂, l₃, …...,1_п, вхідної ділянки до обігріву l_до і вихідного ділянки, що не обігрівається, l_по:

.

(13.40)

Висота паровмісної ділянки контуру l_пар залежить від висоти економайзерної частини піднімальних труб l_ек, до якої підводиться тепловий потік Q_ек, необхідний для нагрівання води до температурного насичення:

.

(13.41)

Висота економайзерної ділянки контуру визначається з рівняння теплового балансу, що являє собою рівність теплоти, що підводить до економайзерної ділянки, і теплоти, необхідної для підігріву води до температури насичення в точці закипання. Тепловий потік необхідний для нагріву циркулюючої води до початку випару при тиску в барабані, коли Δh_б≠0, кВт

,

(13.42)

де - кількість води, що циркулює в системі, кг/с; — швидкість циркуляції, м/с; — площа прохідного перетину піднімальних труб, м²; — щільність води при температурі насичення, кг/м³.

Пароутворення починається в деякій точці труби, де тиск більше тиску в барабані і для закипання води при тиску потрібно підвести додаткову кількість теплоти, кВт

,

(13.43)

де - зміна ентальпії води при підвищенні тиску.

При визначенні тиску в точці закипання , МПа, треба врахувати стовп рідини між рівнем у барабані і рівнем, що відповідає точці закипання, а також втрати на опір, тоді

,

(13.44)

де — висота труби опускної системи, м; , — опір опускних труб і економайзера, Па.

Опір незначний і зазвичай при визначенні його можна не враховувати.

Тепловий потік, підведений до точки закипання Q_т, кВт, якщо вважати підведення теплоти по висоті першої ділянки труби рівномірним, становить

,

(13.45)

де — тепло сприйняття першої ділянки, що розраховане з теплових розрахунків циркуляційного контуру, кВт; l₁— його висота, м.

Загальний тепловий потік Q, сприйманий випарною поверхнею нагріву, визначається з теплового розрахунку. За рахунок цього теплового потоку відбувається утворення насиченої пари в кількості D, що визначається за формулою, кг/с

,

(13.46)

де — теплота пароутворення, кДж/кг.

В екранах котлів щільність теплового потоку нерівномірна по периметру і висоті топки. Ця нерівномірність характеризується коефіцієнтами нерівномірності обігріву стінок топки , екрана по висоті і контуру по ширині. При цьому тепловий потік даної ділянки контуру визначається за формулою

,

(13.47)

де — середній тепловий потік у циркуляційному контурі.

Зазвичай .

Теплосприймання сольового відсіку приймають пропорційним променесприймаєчої поверхні і визначається за формулою, кВт

,

(13.48)

де і — площі променесприймаючих поверхонь топки і екранів сольового відсіку, м².

Теплосприймання чистого відсіку визначається з балансу теплоти випарних поверхонь нагріву, кВт

,

(13.49)

де , — конфекційне теплосприймання фестону і випарного пучка, кВт; — теплосприймання випарних поверхонь, розташованих у топці, кВт.

Теплосприймання рядів труб у випарному пучку в котлах низького і середнього тиску по-різному. Променистий тепловий потік на окремі ряди труб визначається з урахуванням кутових коефіцієнтів х. Конвекційний тепловий потік на труби розподіляється пропорційно температурному напору по рядах:

.

(13.50)

Сумарне теплосприймання кожного ряду труб випарного пучка

.

(13.51)

Рівняння теплового балансу економайзера

.

(13.52)

Підставляючи в це вираження значення вхідних у нього величин і з огляду на можливий підігрів води в опускних трубах, одержуємо формулу для визначення l_ек, м

.

(13.53)

де — можливе збільшення ентальпії в опускних трубах.