1.4. Особенности отложения примеси в прямоточном котле
докритического давления
Особенностью отложения примеси в прямоточном котле докритического 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. 1.13). По ходу рабочей среды имеются экономайзерный (эк), испарительный (исп) и перегревательный (пе) участки.
Рис. 1.13. Принципиальная схема прямоточного котла докритического давления
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
(1.24)
где
-
концентрация примеси в жидкой и паровой
фазах;
-
массовое паросодержание.
Преобразуем формулу (1.24):
(1.25)
где - коэффициент распределения примеси
Из
(1.25) определим относительное изменение
концентрации примеси
в жидкой фазе:
(1.26)
Для паровой фазы аналогично:
(1.27)
Для
сильных электролитов
,
тогда
(1.28)
В
этом случае при
концентрация бесконечно растет
(рис.1.14).
У
слабых электролитов
составляет сотые и десятые доли, что
существенно снижает концентрацию
примеси в жидкой фазе и увеличивает в
паровой (рис. 1.14). При
,
вся примесь из воды, в принципе может
перейти в пар. Это условие отвечает
критическому давлению.
Из
рис. 1.14 видно, что даже при
концентрация примеси в жидкой фазе при
в 5 раз больше концентрации в питательной
воде.
Рис. 1.14. Зависимость относительного увеличения концентрации примеси в жидкой фазе от массового паросодержания.
Растворимость
примеси в пароводяной смеси уменьшается
от растворимости в воде на линии насыщения
до растворимости в паре
:
(1.29)
На
рис. 1.15 показано изменение растворимости
по длине обогреваемой трубы. Возьмем
концентрацию примеси в питательной
воде
меньше, чем минимум растворимости в
паре
(если больше – рассуждаем аналогично).
По мере испарения воды
увеличивается и в каком-то сечении будет
,
т.е. начнется отложение примеси на стенке
трубы. Отложение примеси будет происходить
до сечения, где находится
.
На рис. 1.15 показаны две кривые для
.
Для кривой 1 диапазон отложений мал, но
величина их большая (рис. 1.15, б). У второй
кривой диапазон отложений больше, а
максимальная величина меньше. Характер
отложений зависит от давления, концентрации
примеси, коэффициента распределения и
других факторов.
Рис. 1.15. Изменение концентрации примеси (а) и массы отложений (б) по длине обогреваемой трубы в прямоточном котле ДКД
При
малых тепловых нагрузках (паровые котлы
малой мощности на низкое давление),
когда кризис кипения происходит при
больших значениях
,
характер отложений аналогичен кривым
1 на рис. 1.15. В этом случае имеет смысл
зону интенсивных отложений
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
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):
;
;
;
.
При высоких тепловых потоках и высоком давлении среды диапазон отложений сильно расширяется и организовать переходную зону практически не удается. К тому же основная масса примеси выпадает на стенку в зоне кризиса теплопередачи 2-го рода, т.е. при относительно низких значениях массового паросодержания.