Полная лекция 20,21

Лекция 20.
Гидравлическая развертка и гидродинамика рабочей среды в поверхностях нагрева
Для обеспечения надежности очень важно, чтобы все параллельные трубы поверхности нагрева работали в расчетных (средних) условиях. Практически же приходится считаться с неодинаковыми гидравлическими характеристиками труб (различие в диаметре, длине, шероховатости, влияние коллекторов, влияние нестабильности в работе парообразующих труб) и неодинаковыми тепловыми характеристиками труб (различный обогрев вследствие неодинакового их расположения по отношению к потоку продуктов сгорания, неодинакового шлакования, загрязнения и т. п.).
Различие гидравлических и тепловых характеристик труб в особенности проявляется в агрегатах большой мощности, так как с увеличением размеров поверхностей нагрева одновременно возрастает и неизбежность отклонения режима отдельных элементов от расчетного. Распределение рабочего тела по трубам в этих условиях различно, и удельная энтальпия его на выходе из отдельных труб значительно отличается от среднего значения. В некоторых из них может возникнуть опасный температурный режим. Трубы, находящиеся в наиболее опасных Температурных условиях, называют разверенными.
Надежность работы прямоточного элемента характеризуется двумя трупами параметров:
средними значениями для элемента системы

и значениями параметров разверенной трубы (или канала)

Здесь расходы рабочего тела в расчетном элементе гидравлической системы й разверенной трубе; количества передаваемой теплоты прямоточным элементам; их тепловосприятия;поверхности нагрева;коэффициенты гидравлического сопротивления;соответствующие температуры рабочего тела на выходе из параллельно включенных труб. Введем следующие обозначения:
коэффициент гидравлической разверки;
коэффициент тепловой разверки;
коэффициент неравномерности тепловосприятия;
коэффициент гидравлической неравномерности;
коэффициент конструктивной нетождественности.

Приняв за основу коэффициент тепловой разверки, можно установить связь между перечисленными коэффициентами

или после подстановки соответствующих значений из


Коэффициент конструктивной нетождественностине связан с процессами, протекающими в трубной системе; он оценивается Коэффициенты тепловой и гидравлической разверки связаны между собой соотношением

Тепловая разверка вызывается неодинаковыми тепловыми характеристиками параллельно включенных труб, а гидравлическая

разверка их неодинаковыми гидравлическими характеристиками. Из следует, что тепловая разверка вызывается или неравномерностью тепловосприятия, или гидравлической разверкой, или той и другой одновременно. Тепловая разверка зависит не только от размеров тепловой неравномерности и гидравлической разверки, но и от их сочетания. В наиболее опасных условиях оказываются наиболее обогреваемые трубы, но в то же время получающие наименьший расход среды. Если наибольшие неравномерности разного вида (тепловосприятия, расходов рабочей среды, конструктивных особенностей и др.) приходится не на одну трубу, а на разные трубы, то следует для них раздельно определять тепловую разверку. Для наиболее разверенных труб обязательна проверка надежности на длительную прочность и предотвращение окалинообразования.

Гидравлическая разверка.
В системе параллельных труб с принудительным движением рабочей среды, объединенных общими коллекторами на входе и выходе, необходимо обеспечить равномерное ее распределение по всем трубам. В реальных условиях всегда имеет место та или иная неравномерность распределения расходов гидравлическая разверка. Гидравлическая разверка может возникать в результате гидравлической нетождественности параллельных труб из-за различия их гидравлических сопротивлений, влияния коллекторного эффекта из-за изменения давления по длине коллектора (см. § 11.5). Такого рода разверки возникают главным образом в поверхностях нагрева пароперегревателей и, в меньшей степени, экономайзеров.
Для вывода уравнения гидравлической разверки запишем уравнение полного перепада давления в элементе

и аналогично для разверенной трубы


При большом числе параллельных труб влиянием изменения тепловосприятия в разверенной трубе на общий перепад давления можно пренебречь и потомуУчитывая, что перепад давления между входным сечением входного коллектора и выходным сечением выходного коллектора является общим для всех параллельных труб системы, можно записать, чтоСовместное решение и приводит к выражению для гидравлической разверки




где разность перепадов давлений в коллекторах между сечениями с разверенной трубой и элементе; разность нивелирных напоров в разверенной трубе и элементе;, для элемента.

Гидравлическая разверка в пароперегревателях и некипящих экономайзерах.

Наиболее простой вид для коэффициента гидравлической разверки формула принимает для некипящих экономайзеров, имеющих достаточный запас по недогреву до кипения, при горизонтальном и подъемном движении среды.В этом случае:разность нивелирных напоров в разверенной трубе и элементе и сопротивление от ускорения потока пренебрежимо малы:
Для этих условий при равномерном подводе и отводе воды в коллекторах коэффициент гидравлической разверки определяется соотношением коэффициентов гидравлического сопротивления

При торцевом подводе и отводе среды коллекторный эффект значителен, формула коэффициента гидравлической разверки приобретает вид:

В некипящих конвективных экономайзерах с горизонтальными змеевиками коэффициент гидравлической разверки обычно не превышает 0,9. При наличии в некипящих экономайзерах опускного движения ввиду возможной неоднозначности гидравлических характеристик, а также в кипящих экономайзерах учет нивелирной составляющей является обязательным.
Для гидравлической разверки в пароперегревателях существенно влияние различия полных коэффициентов сопротивления труб, их тепловосприятия и изменений давления вдоль коллекторов. Пренебрегая изменением давления от ускорения потока пара, получаем:

Влияние коллекторного эффекта учитывают при . Нивелирная составляющая полного перепада давления существенна только в одноходовых перегревателях при

Гидравлическая разверка в зоне резкого изменения удельных объемов рабочей среды.

В современных прямоточных котлах парообразующими элементами являются обычно поверхности НРЧ, подверженные наиболее интенсивному обогреву.
Сочетание значительной гидравлической разверки и интенсивного обогрева при определенных условиях может привести к резкому росту температуры и удельного объема среды в разверенной трубе, снижению в ней расхода и перегреву металла трубы вплоть до аварийного разрушения. Гидравлическая разверка в них возникает под влиянием значительного изменения удельного объема среды в процессе обогрева. Она проявляется главным образом в поверхностях нагрева, соответствующих зоне больших теплоемкостей котлов СКД, в испарительных поверхностях котлов ДКД, а также в кипящих экономайзерах.
В ряде случаев для достижения устойчивой гидравлической характеристики на входе в каналы устанавливают шайбы. В зоне парообразования обычно пренебрегают потерями . Для этих условий с учетом указанных упрощений формула (11.31) приобретает вид:

где коэффициент сопротивления шайб и удельный объем среды, протекающей через шайбу, определяемые для элемента и разверенной трубы.
Разность нивелирных напоров в разверенной трубе и элементе можно записать в следующем виде:


Топочные экраны паровых котлов мощных энергетических блоков выполняют в виде вертикальных панелей, горизонтальной навивки, -образных панелей, многоходовых панелей с горизонтальными трубами и др. Ниже рассматривается гидравлическая разверка в некоторых из них.

Горизонтальный контур.
В горизонтальных трубах отсутствует нивелирный напор, и формула гидравлической разверки с учетом шайбования принимает вид:

При отсутствии шайбования выражение упрощается





Лекция 21.

Вертикальный контур.
В вертикальном контуре существенное влияние на гидравлическую разверку оказывает нивелирный напор. Для частных случаев уравнение гидравлической разверки с учетом влияния отдельных факторов (принимает следующий вид: для одноходовой подъемной панели
для одноходовой опускной панели

для двухходовой -образной панели


Из уравнений следует, что в горизонтальных трубах коэффициент гидравлической разверки зависит от соотношения между тепловыми и гидравлическими характеристиками в элементе и разверенной трубе.
Для вертикальных труб на гидравлическую разверку, кроме того, сильное влияние оказывает нивелирная составляющая и ее вклад в полный перепад давления между раздающим и собирающим коллекторами, т. е. соотношение
С другой стороны, соотношение приростов энтальпий в разверенной трубе и в среднем по элементу характеризуется коэффициентом тепловой разверки. Принимая ряд значений , определяют коэффициент гидравлической разверки = и из выражениясоответствующие значения коэффициента неоднородности тепловосприятия.По известномуопределяют удельную энталь-


Рис. 11.20. Разверочные характеристики прямоточного элемента при

пию среды на выходе из разверенной трубы, а следовательно, и ее температуру Эти данные позволяют построить разверочные характеристики, иллюстрирующие зависимость коэффициента гидравлической разверки и температуры среды на выходе из разверенной трубы от коэффициента неравномерности теп-ловосприятия и см.рис. 11.20.

Разверочные характеристики более обогреваемых труб являются падающими дляи растущими дляКрутизна паденияна определенном участке резко возрастает, приобретая кризисный характер, когда небольшому приращению соответствует резкое снижение расхода и повышение Это связано с тем, что в зоне больших тепло-емкостей даже небольшое приращение удельной энтальпии, которое в условиях эксплуатации в отдельных трубах всегда имеет место, вызывает резкое увеличение удельного объема среды , а следовательно, и гидравлического сопротивления. В свою очередь увеличение гидравлического сопротивления приводит к снижению расходов через эти трубы и тем самым к еще большему усугублению в них тепловой разверки, дальнейшему увеличению удельного тепловосприятия труби удельного объема в них среды. Этот процесс протекает до тех пор, пока, наконец, не установится расход и соответствующая ему при заданной тепловой нагрузке данной трубы тепловая разверка. В ряде случаев он может завершиться аварийной ситуацией.
Допустимую тепловую разверку устанавливают исходя из конкретных условий работы поверхности нагрева. Для пароперегревателей, выходные участки труб которых работают почти в предельных температурных условиях, допустимая тепловая разверка не должна превышать 15 общего тепловосприятия пароперегревателя. В целях повышения надежности трубную систему пароперегревателя секционируют по тракту пара.
Экономайзеры размещают в области умеренного обогрева: протекающая через них вода имеет сравнительно низкую температуру. Тепловую разверку для экономайзера можно допустить 50и более. Поэтому секционирование экономайзера по тракту воды не всегда обязательно.
В парообразующих трубах из-за сравнительно невысокой температуры кипения при отсутствии нарушения режима течения, а следовательно, при интенсивном отводе тепла температура стенки труб превышает температуру рабочего тела всего лишь на Здесь также можно было бы допустить значительную тепловую разверку, но в этих поверхностях нагрева возможен ухудшенный температурный режим, особенно при интенсивном обогреве. Поэтому допустимая тепловая разверка для них не превышает 2040.
В котлах СКД наибольшая чувствительность к неравномерностям тепловосприятия приходится на зону больших теплоемкостей, в которой с изменением энтальпии рабочей среды наиболее сильно изменяются ее тепло-физические свойства. Поэтому построение характеристикдля этой зоны особенно важно.

Рис. 11.22. Гидравлическая схема пароперегревателя, включенного по схеме е.
а распределение скорости и скоростного напора; б распределение давления.
по параллельным трубам, выходные или собирающие 2, в которых собирается рабочее тело и затем выдается в следующий элемент парового котла, и промежуточные или смесительные 3, предназначенные для выравнивания нетождественности работы труб.
Смесительные коллекторы наибольший эффект дают при однофазном потоке (паре или воде). Их широко применяют для выравнивания нетождественности работы змеевиков пароперегревателей.
Влияние входных и выходных коллекторов на работу поверхностей нагрева различно. Большое значение эти коллекторы имеют для пароперегревателя в зависимости от способа подвода пара во входной коллектор и отвода из него пара через выходной коллектор. В некоторых конструкциях применялся сосредоточенный торцевой подвод и отвод пара.
В схеме , например (рис. 11.22), при распределении по змеевикам осевая скорость пара во входном коллекторе снижается, в соответствии с чем падает скоростной напор (рис. 11.22, а), переходя в статическое давление , а к выходу собирающего коллектора, наоборот, статическое давление понижается. Из рис. 11.22, б следует, что крайние левые змеевики, например, работают с перепадом давления, равным , т. е. большим, чем крайние правые, имеющие перепад давлений. Различие в перепаде давлений в змеевиках, а следовательно, и их нетождественность равны сумме статических напоров во входном и выходном коллекторах, т. е. . Такое различие относится не только к крайним змеевикам гидравлической системы, но в равной мере и к любым сравниваемым сечениям по длине коллекторов, однако значенияи берутся в соответствующих сечениях.

В других схемах с сосредоточенным торцевым подводом и отводом пара достигаются более благоприятные результаты, однако нетождественность работы системы параллельных труб остается еще значительной. Так, например, при сосредоточенном торцевом подводе и отводе пара по схеме П (рис. 11.23) условия входа пара аналогичны схемеи поэтому характер распределения статического давления вдоль раздающего коллектора сохраняется, т. е. давление увеличивается по ходу среды. В собирающем коллекторе статическое давление падает к выходу.
Из рис. 11.23 следует, что крайние левые змеевики находятся в перепаде давления
, а крайние правые /Различие в перепадах давления крайних левых и правых змеевиков определяется разностью статических напоров во входном и выходном коллекторах
Поскольку удельный объем среды после обогрева в змеевиках больше, чем до обогрева, влияние собирающих коллекторов на распределение среды по параллельным змеевикам существеннее для любой гидравлической системы.
Уменьшить влияние коллекторов можно увеличением либо уменьшениемв коллекторах. Однако и то, и другое нецелесообразно, так как первое требует повышения рабочего давления в котле и увеличения собственного расхода, а второе увеличения размеров коллекторов и расхода металла на них.
Уменьшить влияние скоростного напора можно заменой торцевого подвода и отвода пара (рис. 11.24,а и б) подводом и отводом посредине коллектора (рис. 11.24,в), при котором осевая скорость уменьшается в два, а скоростной напор в четыре раза. Лучшие результаты достигаются рассредоточением подвода пара в распределительный коллектор


Рис. 11.24. Влияние способов подвода и отвода однофазного потока на распределение статического давления по длине коллектора.

и отвода пара из собирающего коллектора. Уже при двух подводящих и отводящих трубах (рис. 11.24,г) осевая скорость и скоростной напор снижаются соответственно в 4 и 16 раз. В современных котлах с перегревателями свежего пара, включенными между несколькими подводящими и несколькими отводящими трубами, коллекторы оказывают небольшое влияние на распределение пара. В промежуточных пароперегревателях, у которых сопротивление змеевиков относительно невелико, а сопротивление коллекторов из-за большой скорости пара в них, наоборот, значительно, влияние коллекторов может оказаться существенным. В экономайзерах ввиду малого удельного объема воды осевая скорость в коллекторах незначительна, в связи с чем не возникает вопроса о влиянии скоростного напора. В прямоточных котлах и котлах с многократной принудительной циркуляцией сопротивление парообразующих змеевиков велико, поэтому влиянием изменения давления по длине коллекторов также пренебрегают.
Пульсация потока
В эксплуатации паровой котел всегда подвержен воздействию возмущений, вызывающих нарушение установившегося режима, при котором возможно возникновение пульсирующего расхода рабочей среды. Такими возмущениями являются: изменение обогрева, давления, расхода и температуры питательной воды. Различают общекотловые и межвитко-вые пульсации.
Общекотловые пульсации представляют собой колебания расхода рабочей среды в отдельных трубных элементах, контурах и агрегате в целом. Они возникают под воздействием резких колебаний указанных выше параметров. В параллельных трубах .в подобных сечениях параметры потока изменяются синхронно. Общекотловые пульсации являются затухающими (рис. 11.25,а); они прекращаются после устранения возмущения.
Пульсации расхода могут достигать характерного для данных условий уровня колебаний и самопроизвольно не прекращаться (рис. 11.25,6). Это означает, что через отдельные трубы расход воды сначала возрастает до максимального, затем снижается и, пройдя среднее значение, достигает минимальной величины (иногда отрицательной), после чего снова возрастает. Далее процесс повторяется. При этом в других парообразующих трубах расход воды также имеет пульсирую-

Рис. 11.25. Характер затухающих колебаний (а) и автоколебаний (б) в отдельной трубе прямоточного элемента.

щий характер, но он сдвинут по фазе. Следовательно, периодическое увеличение расхода воды через одни трубы связано с периодическим снижением его через другие при сохранении общего перепада давлений между коллекторами. Это явление, получившее название межвитковой пульсации, может происходить даже при постоянном общем расходе через параллельные и совместно работающие трубы.
Период пульсаций в прямоточных котлах иногда составляет десятки секунд и даже минуты. При значительной амплитуде колебаний расхода воды и указанном периоде пульсация может представлять большую опасность для парообразующих труб, так как в периоды малого расхода вследствие ухудшенного теплообмена и колеблющейся температуры стенки (кривая ) металл подвергается напряжениям усталостного характера. В горизонтальных трубах может возникать расслоение потока и периодически выход верхней образующей на перегрев также с образованием трещин усталостного характера.
Межвитковая пульсация характеризуется периодом пульсацийи амплитудой (см. рис. 11.25).
Для межвитковых пульсаций установлены следующие закономерности:
межвитковые пульсации могут возникать в отдельных трубах парообразующей поверхности даже при неизменном тепловом и гидравлическом режимах котла;
пульсации расхода среды сдвинуты по фазе в параллельных трубах таким образом, что суммарный расход и параметры среды на выходе из поверхности нагрева остаются неизменными;
амплитуда пульсаций расхода на входе в трубу значительно выше амплитуды на выходе из нее, а периоды пульсаций одинаковы;
максимальному расходу воды на входе соответствует минимальный расход пара на выходе сдвиг фаз на 180°;
в режиме межвитковой пульсации давление в парообразующих трубах колеблется с перио-' дом, равным периоду колебаний расхода среды.
Поскольку основной причиной возникновения межвитковых пульсаций является изменение физических свойств рабочей среды в зоне начала парообразования, с повышением давления вероятность их возникновения уменьшается. При СКД пульсации встречаются реже и амплитуда их меньше, но по своему характеру пульсации расхода при ДКД и СКД близки.
Пульсации расхода уменьшаются с ростом массовой скорости из-за увеличивающегося при этом гидравлического сопротивления на экономайзерном участке. Граничная массовая скорость в горизонтальных трубах, при которой возникают пульсации, зависит от давления, тепловой нагрузки, длины обогреваемой частии внутреннего диаметра :

гдеграничная массовая скорость при давлении 10 МПа, определяемая по графикам для заданных значений дросселирования на входе и недогрева;поправочный коэффициент на давление.
В вертикальных трубах (витках) нивелирная составляющая перепада давления уменьшает вероятность возникновения пульсаций и потому снижает

где граничная массовая скорость в такой же горизонтальной трубе; коэффициент для вертикальных труб,определяемый по графикам, ;недогрев до кипения среды на входе;давление.
Подъемно-опускные и слабонаклонные элементы, у которыхне превышает 10 полного, рассчитывают, как и горизонтальные, с увеличениемна 20%. При большем вкладе нивелирной составляющей расчет ведется, как и для вертикальных каналов. Действительная массовая скорость должна быть больше граничной:
В тех случаях, когда условия по граничной массовой скорости не выдерживаются, увеличивают гидравлическое сопротивление эконо-майзерного участка установкой дроссельных шайб. Дроссельные шайбы устанавливают на входе в трубы. Расчет дросселирования, исключающего пульсационные режимы в прямоточных котлах, необходимо вести для минимальных значений . Полученная по условиям предотвращения межвитковой пульсации степень дросселирования одновременно устраняет неустойчивость гидравлической характеристики змеевиков.

15

Приложенные файлы

  • doc 23786080
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий