9_Gidrodinamika

238

режимы течения при прочих равных условиях зависят от расположения в пространстве труб (вертикальные и горизонтальные трубы и их гибы).

Под режимом течения в данном случае понимают характер распределения паровой и водяной фаз в сечении трубы. Движение пара и воды в трубах исследовалось различными способами. Наиболее простыми являются непосредственные визуальные наблюдения, фотографирование и киносъемка движения потока. Эти методы возможны только при использовании стеклянных труб (или прозрачных вставок в трубы в местах наблюдений), что ограничивает исследование потоков только атмосферным и близкими к нему давлениями и использованием в качестве двухфазной среды воздуховодяной смеси, а не пароводяной, которая не обладает необходимой прозрачностью.

Исследование режимов течения пароводяных смесей в трубах при эксплуатационных параметрах возможно с использованием косвенных методов, без нарушения рабочего режима движения. Одним из них является применение жесткого гамма-излучения в виде узкого луча с определением прошедшей сквозь трубу интенсивности излучения. Установка с источником излучения – радиоактивным кобальтом – и счетчиком импульсов может перемещаться поперек трубы и фиксировать плотность среды по сечению трубы. Зная плотность в каждом месте сечения трубы, не представляет труда найти долю пара и в итоге его распределение по всему сечению трубы.

Вертикальные трубы. При течении жидкости, смачивающей стенки трубы, на внутренней ее поверхности обычно сохраняется жидкая пленка, а паровые пузыри отрываются от стенки и концентрируются в ядре потока. На начальной стадии парообразования при небольшой скорости пароводяной смеси отдельные пузырьки пара малых размеров (при высоком давлении – диаметром около 1 мм) распределены практически равномерно по сечению трубы. Такой режим течения получил название пузырькового (рис. 9.3, а). С увеличением паросодержания паровые пузырьки все в большей мере концентрируются в центральной части потока, создавая здесь пароводяную смесь со значительным количеством мелких паровых пузырей, как бы равномерно перемешанных с водой. Этот режим назван эмульсионным режимом течения (рис. 9.3, б). При относительно невысоких давлениях рабочей среды ( p < 4

МПа) мелкие паровые пузырьки обладают возможностью объединяться в крупные паровые пузыри, диаметр которых несколько меньше внутреннего диаметра трубы, а длина их может быть значительной. Эти образования пара внешне напоминают форму снаряда, и потому такой режим течения называется снарядным (рис. 9.3, в). За кормой «снарядов» следует жидкая перемычка, содержащая мелкие пузыри пара.

При дальнейшем увеличении паросодержания паровые пузыри при высоком давлении вытесняют воду из центральной части потока, а при низких давлениях отдельные паровые «снаряды» соединяются между собой, образуя в итоге сплошной паровой стержень, движущийся по оси трубы, в котором распылена часть капель жидкости. Паровой стержень окутан сплошной коль-

239

цевой водяной пленкой, движущейся по стенке. Эта пленка надежно охлаждает стенку трубы. Такой режим течения получил название стержневого или дисперсно-кольцевого (рис. 9.3, г). Толщина кольцевой водяной пленки определяется соотношением расходов воды и пара. При большой скорости пара и высоком давлении за счет сил трения масса водяной пленки срывается и уносится каплями в поток пара, а на стенке остается все более тонкая водяная пленка, которая затем полностью высыхает. В итоге на коротком участке трубы образуется режим движения влажного пара (рис. 10.3, д), когда на стенке трубы уже нет пленки влаги (температура стенки выше температуры насыщения), а в потоке насыщенного пара еще несутся отдельные капли жидкости, испаряющиеся по мере получения паром теплоты от стенок трубы.

тия стержневого режима движения в трубе зависит от давления рабочей среды и происходит при паросодержании 30–50%. Режим влажного пара характеризуется преимущественным количеством пара в трубе (паросодержание около 90%).

Горизонтальные трубы. Характерной особенностью течения пароводяной смеси в горизонтальной трубе является неравномерность распределения структурных составляющих потока – пара и воды – по сечению. Вследствие меньшей плотности пар стремится преимущественно к верхней образующей трубы, а основная масса воды движется у нижней образующей (рис. 9.4). Степень асимметрии потока относительно горизонтали зависит от скорости смеси и диаметра канала. Чем выше скорость движения, тем интенсивнее турбулентность в потоке и меньше асимметрия потока. Для трубы внутренним

240

диаметром 30–40 мм при скоростях входа воды ω >1 м/с на начальном участке трубы при малом паросодержании пузырьки пара, отрываясь от поверхности нагрева, движутся совместно с жидкостью равномерно перемешанными. Только при больших паросодержаниях (около 50%) вследствие усиливающейся ассиметрии потока верхняя образующая трубы может омываться только паром, что значительно увеличит температуру металла в этом месте.

участке начала парообразования, когда возможна асимметрия структуры потока, принимают меры к значительному снижению интенсивности обогрева труб. Примером этого является закрытие двумя-тремя слоями огнеупорного кирпича или другим огнеупорным тепловым изолятором труб подового экрана газомазутных топок.

Гибы труб. Различают верхние гибы труб, в которых поток рабочего тела изменяет свое направление с восходящего (подъемного) на опускное (рис. 9.5, а), и нижние, в которых, наоборот, направление потока изменяется с опускного на подъемное (рис. 9.5, б).

пиально невозможно, рабочее тело должно представлять собой однородную среду. Поэтому предполагали, что расслоение потока в этих условиях невозможно. Между тем установлено, что при движении среды сверхкритического давления в горизонтальном канале имеет место неоднородность потока по плотности в верхней и нижней частях трубы. Возникновение неоднородности связано с резким изменением плотности среды в зоне фазового перехода от температуры. В пристенной области среда имеет температуру, близкую к температуре стенки, что заметно выше, чем в центре потока. В силу этого

242

где hпот – удельная энтальпия потока в рассматриваемом сечении системы

труб, кДж/кг; h′ – удельная энтальпия воды на линии насыщения при рабочем давлении в данном сечении, кДж/кг; r – удельная теплота парообразования при том же давлении, кДж/кг.

В таком виде величина x характеризует относительную энтальпию потока по сравнению с h′.

Расходное (объемное) паросодержание потока β – объемная доля пара в потоке пароводяной смеси при одинаковой скорости воды и пара:

С помощью указанных выше расчетных параметров движущейся пароводяной смеси можно получить ряд других характеристик этого потока. Важное значение имеет знание скорости пароводяной смеси ωсм , м/с. Ее можно выра-

зить как отношение суммы объемных расходов Vп + Vв к сечению трубы f0 :

Vв = Gв / ρ′ то с учетом выражений для приведенных скоростей (9.2) и (9.3) окончательно получим

Обычно значение ω0′ не используют в расчетах. Исходя из условия Gв = Gсм − Gп и выражая массовые расходы через приведенные скорости и

скорость циркуляции (9.1–9.3), получаем выражение для приведенной скорости воды

Подставив (9.11) в (9.10), окончательно получим

243

(скорости воды при температуре насыщения) и дополнительного увеличения скорости за счет парообразования. Расход пара на выходе из трубы Gп и при-

веденную скорость его ω′′ легко определить, если известно полное тепловос-

0

приятие трубы (рис. 9.6). Если участок трубы получает количество теплоты Qтр и часть ее расходуется на догрев жидкости до насыщения Qэк , то осталь-

нию (9.3). Выразив в уравнении (9.8) объемы пара и воды через массовые расходы и поделив числитель и знаменатель на Gсм получим связь объемного

и массового паросодержания:

При давлении р = ркр отношение ρ′′ / ρ′ = 1, и тогда β = х . В других слу-

чаях β > х , причем тем больше, чем ниже давление (рис. 9.7). При низких давлениях удельный объем пара намного больше удельного объема воды, по-

244

этому на начальном участке парообразования небольшое количество пара сразу занимает большой объем в трубе, что приводит к резкому возрастанию сопротивления. Это явление ведет в ряде случаев к неустойчивости расхода среды по отдельным параллельным трубам (пульсации расхода).

Доля сечения трубы, занятая паром, fП характеризует истинное паро- содержание в сечении трубы

Истинное паросодержание ϕ отличается от объемного паросодержании β из-за наличия относительной скорости пара:

где с – коэффициент пропорциональности, характеризующийся отношением скоростей пароводяной смеси и пара в потоке. В подъемном движении ωп > ωсм , с <1 и ϕ < β, в опускном движении пароводяного потока ωп < ωсм ,

с >1 и ϕ > β.

Охлаждающее действие потока на металл трубы зависит не только от его скорости ω , но и от плотности ρ и определяется произведением этих па-

раметров, т. е. массовой скоростью ωρ , кг/(м2·с), представляющей собой массовый расход, отнесенный к единице сечения трубы: ωρ = Gсм / f0 .

Важной характеристикой пароводяного потока является удельная плот-

Если условно разделить сечение трубы f0 на части, занятые водой fв и паром fп , тогда плотность смеси можно выразить через соответствующие доли сечения:

Таким образом, знание истинного паросодержания ϕ важно, так как позволяет рассчитать плотность пароводяного потока. Значения ϕ находят по

246

Тогда движущее давление, Па, определяется из выражения

где ϕ – среднее по всей трубе истинное объемное паросодержание.

Движущее давление преодолевает сопротивление в подъемных и опускных трубах, следовательно,

где Spпод и Spоп – суммарные сопротивления в подъемных и опускных трубах,

Па .

Разность движущего давления и сопротивления подъемной части циркуляционного контура составляет полезное давление, расходуемое на преодоление сопротивлений опускной части контура:

или

В котлах с естественной циркуляцией испарительные системы развивают по высоте и выполняют с малым отношением длины трубы к ее диаметру l / d , равным примерно 200–400. При этом нивелирная потеря давления будет наибольшей и поток воды между параллельно включенными трубами будет распределяться почти пропорционально их тепловой нагрузке, определяющей удельный вес пароводяной смеси в подъемной обогреваемой трубе и, следовательно, движущее давление циркуляционного контура.

Экономайзерный и паросодержащий участки контура. Вода, посту-

пающая из барабана и опускную систему, обычно нагрета до температуры насыщения. Когда вода в экономайзере недогрета до этой температуры и поступает в барабан вблизи опускных труб, ее недогрев до кипения определяется величиной h0 , кДж/кг,