Кризисы теплообмена в парообразующих трубах

Кризисом теплообмена называют режимы ухудшения теплообмена, приводящие к резкому увеличению температуры металла. Кризис теплообмена первого рода наблюдается при пузырьковом режиме течения.

t_CT

t^S

L

q_кр

При пузырьковом течении паросодержание мало и на стенке находится большое количество жидкости. Температура стенки даже при интенсивном обогреве отличается от температуры насыщения на несколько десятков градусов(1-2). При достижении критического значения теплового потока (q_кр), жидкость вскипает на внутренней поверхности трубы, в результате чего вблизи внутренней стенки образуется паровой объем, что приводит к резкому снижению и резкому увеличению(2-3).

В дальнейшем с увеличением паросодержания наблюдается рост удельного объема смеси и связанное с этим увеличение скорости, что ведет к повышениюи снижению.

Кризис теплообмена второго рода наблюдается при дисперсно-кольцевом режиме течения. При данном режиме течения мы имеем водяную пленку на внутренней стенке.

t_CT

t^S

L

q_кр

Толщина пленки зависит от паросодержания, от скорости потока и интенсивности обогрева. Сплошная пленка обеспечивает хорошие условия подвода тепла - отличается отнезначительно (1-2).

Срыв водяной пленки или ее испарения при тепловой нагрузке приводит к резкому снижениюи соответствующему повышению(2-3). Т.е. имеем кризис теплообмена. Данный режим возникает при более низких тепловых нагрузках, чем кризис теплообмена первого рода, поэтому увеличение температуры стенки здесь менее заметное.

Режимы течения в горизонтальных трубах

Для горизонтального течения пароводяной смеси характерна неравномерность распределения паровой и жидкой фаз по сечению трубы. Пар более легкий, поэтому его содержание становится больше у верхней образующей, воды - у нижней. Степень ассиметрии потока зависит от скорости, диаметра трубы, величины давления. Рассмотрим три различных режима течения.

1). Нерасслоенный при скорости .

2). Расслоенный .

3). Расслоенный, с высокими волнами (при повышении ω_В).

Расслоенный режим неустойчив. С повышением скорости могут образовываться волны, которые периодически захлестывают перегретую стенку трубы, вызывая усталость металла.

При СКД рабочее тело более однородно, но даже здесь имеет место снижение плотности потока вблизи верхней образующей.

Гибы труб.

Расслоение пароводяной смеси происходит под действием центробежной силы, возникающей при повороте потока на 180⁰. Жидкость, как более тяжёлая среда отжимается к периферии, пар-наоборот.

Условия надежной работы элементов парового котла.

Надежность работы элементов парового котла зависит от температуры металла трубы (t_СТ).

,

где:

- температура рабочего тела;

- коэффициент растечки тела по сечению трубы;

- отношение ;

q – величина теплового потока;

- толщина стенки;

- коэффициент теплопроводности стенки;

Условия охлаждения металла трубы определяются величиной массовой скорости ().

Рассмотрим зависимость массовой скорости () в испарительных поверхностях нагрева для котлов различных типов от паропроизводительности (D).

1. схема котла с естественной циркуляцией при низком давлении;

1’. схема котла с естественной циркуляцией при высоком давлении;

2. прямоточный котел;

3. котел с принудительной циркуляцией;

4. котел с комбинированной циркуляцией.

Для котлов с естественной циркуляцией наблюдается увеличение массовой скорости с повышением нагрузки (D). Особенно резкое изменение имеет место при низком давлении. Здесь, начиная с некоторой паропроизводительности, наблюдается небольшое снижение, которое объясняется более резким увеличением объема смеси и повышением сопротивления её движению. В котлах с естественной циркуляцией при высоком давлении увеличениес ростомD менее резкое, поэтому при низких нагрузках охлаждение металла недостаточно.

В прямоточном котле зависимость =f(D) прямо пропорциональная.

В схеме 3 снижение с ростомD объясняется ростом удельного объема смеси и увеличением сопротивления движению.

Рассмотрим изменение температуры рабочего тела и стенки труб по водопаровому тракту котла с естественной циркуляцией (а) и прямоточного котла докритического давления (б).

I – изменение температуры рабочего тела.

II, III – изменение температуры стенки.

II – естественная циркуляция.)

III – прямоточный котёл.)

IV – допустимая температура металла (определяется маркой стали).

В экономайзере котлов обоих типов температура стенки близка к температуре рабочего тела. Разница 20-30°С, ввиду хороших условий отвода тепла в жидкости.

В испарительной поверхности котла с естественной циркуляцией, где не происходит полного упаривания котловой воды (не превышает 30%); в этих условиях температура металла отличается от температуры рабочего тела на 20-60°С (незначительно).

В прямоточном котле наблюдается полное испарение жидкости. Следовательно, при некотором критическом может появиться кризис теплообмена.

В ПЕ котлов всех типов условия охлаждения зависят от скорости пара. Достаточной считается скорость пара не менее 20 м/с, температура стенки отличается от температуры рабочего тела на 80°С и более.

Металл водопарового тракта котла выбирается по допустимой температуре для обеспечения длительной прочности.