Движение рабочего тела и гидродинамика пароводяного тракта котла осуществляется по трубам небольшого диаметра. В котлах докритического давления в нагревательных поверхностях движется вода (однофазная среда), в испарительных поверхностях - пароводяная смесь (двухфазная среда), а в перегревательных - перегретый пар (однофазная среда). В прямоточных котлах сверхкритического давления по трубкам тракта котла протекает однофазная среда переменной плотности. Поток пароводяной смеси в обогреваемой трубе может иметь различную структуру и связанный с ней режим течения. Условно выделяют следующие четыре режима течения: пузырьковый, снарядный, стержневой и эмульсионный (рис. 108). Пузырьковый режим характеризуется наличием в потоке воды отдельных пузырьков пара небольших размеров (рис. 108, а).
Пузырьки образуются на стенке обогреваемой трубы в местах, в которых локальная энтальпия среды больше энnальпии воды на линии насыщения. Затем они сносятся к центру трубы. В центральной части трубы пузырьки пара могут объединиться и образовать большие соединения в виде «снаряда». В этом случае пузырьковый режим течения переходит в снарядный (рис. 108, б). Слияние паровых «снарядов» в сплошной «стержень» влажного пара в средней части поперечного сечения трубы приводит к возникновению стержневого режима течения (рис. 108, в). При срыве пленки воды со стенки трубы устанавливается эмульсионный режим (рис. 108, г), при котором стенка трубы омывается смесью пара и мелких капель. Возникновение того или иного режима течения определяется паросодержанием, скоростью движения, состоянием поверхности стенок и физическими свойствами жидкости. Увеличение паросодержания и скорости потока при прочих равных условиях заставляет пароводяную смесь последовательно пройти все структуры течения.
Гидродинамика пароводяного тракта и её режимы имеют место как в вертикальных, так и в горизонтальных трубах. Однако в горизонтальньйс трубах они наблюдаются при несколько больших скоростях потока, чем в вертикальных. Причем ось потока пара несколько смещается вверх по отношению к оси трубы. При малых скоростях движения пароводяная смесь в горизонтальных трубах расслаивается: вода течет в нижней части трубы, а пар - в верхней. Если труба наклонена к горизонту более чем на 15°, то расслоения потока обычно не происходит. Существенное влияние на расслоение оказывают количество пара и диаметр трубы: чем больше эти величины, тем легче происходит расслоение.
Параметрами, характеризующими течение рабочего тела в трубах котлов, являются следующие. Массовая скорость среды рш (кг/(м2*с) составляет отношение массового расхода G (кг/ с) через трубу к площади / (м2) ее поперечного сечения:
pw = G / f
Массовая скорость среды характеризует охлаждающую способность потока. Рекомендуемые значения рw для поверхностей нагрева котлов приведены ниже, кг/(м2*с).
Скорость циркуляции w0 (м/с) - скорость воды при температуре насыщения, соответствующая расходу рабочего тела в трубе:
где Gсм - массовый расход пароводяной смеси через трубу, кг/с; р' - плотность воды при температуре насыщения, кг/м3.
Приведенная скорость воды (пара) w'0 (w''0), м/с, - скорость, которую имела бы вода (пар), проходя через полное поперечное сечение трубы:
где GB и Gn - массовый расход воды и пара через трубу, кг/с; р" - плотность пара, кг/м3.
При движении пароводяной смеси в вертикальной трубе истинные скорости воды wв и пара wu неодинаковы. В восходящем потоке пар движется быстрее (wп > wв), а при опускном - медленнее (wп < wв). Разность wп - wв называют относительной скоростью пара wг. Скорость пароводяной смеси wсм (м/с) - отношение объемного расхода смеси в трубе к площади ее поперечного сечения:
где Vп и Vв - объемные расходы пара и воды, м3/с. Массовое паросодержание х - массовая доля расхода пара в потоке пароводяной смеси при wп = wв:
Объемное расходное паросодержание р - объемная доля расхода пара в потоке пароводяной смеси при wп = wв:
Истинное (напорное) паросодержание φ - доля сечения трубы, занятая паром fп:
Движение рабочей среды в трубе сопровождается падением полного давления. Потери энергии потока обусловлены следующим:
• действием сил вязкости (сопротивление трения);
• образованием вихрей в потоке, вследствие отрыва пограничного слоя при изменении диаметра трубы или ее конфигурации (потери давления в местных сопротивлениях);
• ускорением потока, вызванным изменением его удельного объема при обогреве (потери давления от ускорения);
• потерями напора при подъеме рабочей среды (нивелирная обставляющая потери напора).
Разность полного давления Δр (перепад давлений) между двумя фиксированными сечениями трубы обычно представляют в виде суммы перепадов от сопротивления трения Δртр, местных сопротивлений Δрм, ускорения Δру и нивелирного напора Δрн
Сопротивление трения при движении среды в трубе постоянного диаметра
где λ0 = λ/d - приведенный коэффициент сопротивления трением, 1/м; l - длина трубы, м; λ - коэффициент сопротивления трением, зависящий от шероховатости поверхности трубы. Потери давления на отдельных участках рассчитывают по зависимости аналогичной (37), с заменой произведения λ0l на коэффициент местного сопротивления ξ. Величина последнего определяется с помощью экспериментальных данных.
Потери давления от ускорения рабочего тела для установившегося потока
где vк и vн - удельные объемы рабочего тела соответственно в конечном и начальном сечениях трубы, м3/кг. Нивелирная составляющая потери напора при движении среды в вертикальной трубе
где р - средняя плотность среды, кг/м3, на участке высотой h.
Величина ее принимается положительной при расчете перепада полных давлений для случая подъемного движения среды и отрицательной - для опускного движения. Гидравлическая характеристика контура (рис. 109) - зависимость перепада полных давлений, возникающих в трубе (гидравлическом контуре) при движении рабочей среды в ней, от ее расхода Δр=f(рw). Эту характеристику широко используют при оценке устойчивости движения рабочей среды, т. е. сохранении во времени постоянства расхода через трубу в парообразующих трубах котлов. Движение в трубе (гидравлическом контуре) будет устойчивым, если гидравлическая характеристика ее (его) однозначна (кривая l), т. е. каждому перепаду давлений соответствует только один расход рабочей среды. Если перепаду давлений соответствует два или более различных расхода, то гидравлическая характеристика неоднозначна (кривая 2), а движение среды в трубе будет неустойчиво. Возникновение такого режима связано в вертикальных парообразующих трубах с действием нивелирного напора, а в горизонтальных с большой разностью удельных объемов в конечном и начальном сечениях трубы.
Определяющим фактором гидродинамика пароводяного тракта, а следовательно, устойчивости движения среды, в горизонтальных парообразующих трубах является температура рабочей среды на входе в обогреваемую трубу. При температуре среды на входе, близкой или равной температуре насыщения, гидравлическая, характеристика однозначна (движение устойчиво) и описывается квадратичным уравнением вида
При температуре воды на входе, существенно меньшей температуры насыщения, гидравлическая характеристика может быть как однозначной, так и многозначной, при этом она описывается уравнением третьей степени
В формулах (40) и (41) коэффициенты А, В, С зависят от давления смеси, конструкции трубы, интенсивности обогрева и энтальпии воды на входе.
Более сложная зависимость Δр=f(рw) при < t' связана с тем, что парообразование начинается не у входа, как при tвх = t', а на некотором расстоянии от него. В этом случае условно труба делится на два участка: экономайзерный и парообразующий, протяженность и гидравлическое сопротивление которых меняются в зависимости от соотношения расходов воды и теплоты. Так, при постоянном обогреве трубы по мере увеличения расхода воды в ней удлиняется экономайзерный участок и повышается его гидравлическое сопротивление ΔрЭк. Одновременно с этим падает сопротивление парообразующего участка Δрп. Сочетание величин ΔрЭк и Δрп, определяющих суммарное сопротивление трубы, может приводить к тому, что в определенном диапазоне расходов суммарное сопротивление трубы будет возрастать или падать, обусловливая при этом однозначную или многозначную (нестабильную) характеристику. Если характеристика многозначна, то расход в трубе может изменяться с периодической выдачей пароводяной смеси различного паросодержания. Некоторые из этих режимов могут оказаться опасными, поскольку при них не будет обеспечиваться надежность охлаждения труб.
Её характеристики можно изменить, если на экономайзер ном участке трубы ввести дополнительное сопротивление (обычно это делается путем установки на входе в трубу дроссельной шайбы), изменяющееся с расходом по квадратичному закону (кривая 3, рис. 109). Суммированием исходной и дополнительной характеристик получают стабильную характеристику. В вертикальных трубах (панелях) с подъемным или подъемно-опускным движением и малым числом ходов (П, U и N-образные панели) гидравлическая-характеристика, так же как и у горизонтальных труб (панелей), определяется величиной недогрева воды до кипения на входе в панель и давлением рабочего тела. При этом существенное влияние на ее вид оказывает величина нивелирного напора Δрн. Влияние Δрн тем больше, чем меньше гидравлическое сопротивление трубы, причем в зависимости от конструктивной формы панелей и направления движения среды в ней, характер проявления Δрн различен.
В одноходовой вертикальной панели нивелирный напор с подъемным движением рабочего тела препятствует движению, а с опускным способствует. В первом случае (рис. 110, а) движение устойчиво, так как каждому значению перепада Δр соответствует только один определенный расход рw. Во втором (рис. 110,б) оно неустойчиво, ибо при одном значении перепада давлений расход рабочего тела может быть разным. Причем зона многозначности в реальных панелях охватывает большой диапазон изменения массовых скоростей [от 1000 до 2000 кг/(м2*с)].
Итак, при подъемном движении нивелирный напор Δрн повышает устойчивость движения в трубах, а при опускном, наоборот, ослабляет. В этом отношении U-образная схема лучше П-образной, так как выходной участок с большим паросодержанием имеет подъемное движение, в котором влияние нивелирного напора Дрв положительно. У N-образной схемы с нижним расположением входного коллектора, в которой на один опускной участок приходится два подъемных, гидравлическая характеристика более стабильна. В целом панели с малым числом ходов имеют характеристику многозначную или недостаточно устойчивую. С увеличением числа ходов ослабляется влияние нивелирного напора и возрастает влияние гидравлического сопротивления на гидравлическую характеристику. При числе ходов 8-10 гидравлическая характеристика многоходовой системы приближается к гидравлической характеристике горизонтальных испарительных труб.
В связи с тем, что трубы поверхностей нагрева гидравлически связаны между собой, процессы в них оказывают взаимное влияние друг на друга. Для обеспечения надежности работы поверхности важно, чтобы все параллельные трубы работали в расчетных (средних) условиях. Однако ввиду различий диаметров, длин и шероховатости поверхностей труб, коллекторных эффектов (неравномерность распределения давления по длине входного и выходного коллекторов) расход среды по трубам различен, а следовательно, энтальпии потоков на выходе из них неодинаковы: В некоторых трубах возможен даже опасный температурный режим. Это наиболее характерно для поверхностей нагрева котлов большой мощности.
Тепловая и гидравлическая неравномерность труб являются одной из причин возникновения опасных температурных условий работы отдельных (разверенных) труб. Отклонение расхода и энтальпии среды на выходе от средних значений обычно характеризуют с помощью коэффициентов гидравлической и тепловой раз верки. Коэффициентом тепловой разверки pg называют отношение приращения энтальпии Δiт рабочего тела в отдельной трубе к среднему значению приращения энтальпии Δicр в поверхности нагрева:
где Δicр = iвых - iвх, iвых и iвх - энтальпия рабочей среды соответственно на выходе и входе в данную поверхность нагрева.
Коэффициент гидравлической разверки рг - отношение расходов рабочего тела в отдельной трубе GT к среднему Gcp:
Если поверхность нагрева выполнена из труб одного диаметра, то
Разверки между отдельными трубами поверхности могут быть вызваны ошибками проектирования, изготовления и монтажа котла или могут возникать при его работе. Тепловая неравномерность может быть следствием шлакования отдельных труб поверхностей нагрева (сильно зашлакованная труба получает тёплоты значительно меньше, чем чистая), изменением обогрева при смещении ядра факела, сопровождающегося перекосом температурных полей в топке и газоходах. Величина тепловой неравномерности оценивается коэффициентом неравномерности тепловосприятия ηт, равным отношению среднего удельного тепловосприятия qT разверенной трубы к среднему удельному тепловосприятию qcp трубы поверхности нагрева:
Неравномерная гидродинамика пароводяного трактаявляется следствием неодинаковых гидравлических сопротивлений труб и коллекторного эффекта. Гидравлическая неравномерность характеризуется коэффициентом гидравлической неравномерности ηт , равным отношению полного коэффициента гидравлического сопротивления zT разверенной трубы к полному коэффициенту zп гидравлического сопротивления поверхности
Допустимая тепловая разверка устанавливается исходя из конкретных условий работы каждой поверхности нагрева. Так, для пароперегревателей, выходные участки труб которых работают в тяжелых температурных условиях, ее величина не должна превышать 15 % общего тепловосприятия пароперегревателя. Поэтому для повышения надежности работы металла труб паропере гревателя его трубную систему обычно секционируют по тракту пара. Для экономайзеров, располагаемых в области умеренных температур, тепловая разверка может достигать 50 % и даже бьт больше. Секционирование экономайзера по тракту не обязательно, В парообразующих трубах ввиду опасности ухудшения температурного режима, особенно при интенсивном обогреве температурная разверка не должна превышать 20-40 %.
Как уже отмечалось, на равномерность распределения рабочей среды по отдельным трубам поверхности нагрева может влиять способ подвода и отвода рабочего тела к входному (раздающему) и выходному (собирающему) коллекторам. В котлостроении применяют сосредоточенный (торцовый) щ рассредоточенный (радиальный) подвод (отвод). При торцовом соединении подводящих и отводящих-труб статическое давление по длине коллектора по мере снижения скорости возрастает. Общий перепад Δр давлений в трубах определяется сопротивлением змеевиков Δрэм и изменением статического давления Δрвхст во входном и Δрвыхст выходном коллекторах: Δр = Δрэм / Δрвхст + Δрвыхст. Соединение выполняют по двум схемам: Z-и П-схеме. В Z-схеме (рис. 111, а) крайние левые трубы работают с меньшим, а крайние правые с большим перепадом давлений. Соответственно, через левые трубы расход среды будет меньше, чем через правые. В П-схеме (рис. 111, б) перепад давлений в трубах крайних левых и правых змеевиков будет определяться разностью статических напоров во входном Δрвхст выходном Δрвыхст коллекторах. Как правило, их значения невелики. В связи с этим влиянием изменения давления по длине коллектора на распределение среды по трубам пренебрегают.
В схеме с рассредоточенным подводом (отводом) рабочего тела' его скорость w вдоль коллектора меньше и перепады давлений на трубах отличаются незначительно. Неравномерность распределения расхода по трубам во всех схемах тем меньше, чем больше сопротивление трубы по сравнению с изменением давления в коллекторе. В экономайзерах и парообразующих поверхностях нагрева ввиду малого удельного объема воды осевая скорость в коллекторе незначительна, поэтому изменение давления по длине коллектора по сравнению с гидравлическим сопротивлением труб получается пренебрежимо малым. Заметное его влияние на равномерность раздачи среды наблюдается в перегревателях, в первую очередь вторичного пара, поскольку сопротивление трубной системы относительно невелико, а изменение давления вдоль коллектора значительно ввиду большой скорости пара в нем.
При эксплуатации котла его гидравлический режим подвержен воздействию различных случайных возмущений, способных нарушить устойчивое движение среды. При этом могут возбуждаться пульсации двух видов: общекотловые и межвитковые. Общекотловые пульсации представляют собой колебания расходов рабочей среды в отдельных поверхностях нагрева, контуре и в котле в целом. Возникают они при изменении режима обогрева труб, давления, расхода и температуры питательной воды. В трубах поверхностей параметры рабочего тела изменяются синхронно. Как правило, эти колебания являются затухающими. После устранения возмущения они прекращаются.
В случае межвитковых пульсаций колебания расхода возникают в отдельных параллельных трубах поверхности нагрева, причем они сдвинуты по фазе, так что средний расход и перепад давлений между коллекторами поверхности нагрева не изменяются во времени. Межвитковые пульсации возникают в поверхностях нагрева, в которых имеет место сильное изменение плотности рабочей среды (парообразующие поверхности). В большинстве случаев эти колебания не затухают во времени. При малых расходах среды и значительных амплитудах они представляют большую опасность: вызывают периодическое изменение температуры стенки труб, металл при этом испытывает напряжения усталостного характера. С повышением давления и массовой скорости устойчивость поверхности нагрева к возбуждению межвитковых пульсаций вырастает, однако увеличение теплоотвода, наоборот, ее снижает. Основным средством повышения устойчивости движения в парообразующих трубах является дросселирование потока на входе.