Режим, структура и характеристика потока рабочего тела

Учебные вопросы: Режимы движения пароводяной смесив трубах и их характеристики. Структура потока в подъемных трубах. Расчетные характеристики двухфазного потока. Гидравлические характеристики труб при движении однофазной среды. Гидравлические характеристики труб при подъемно - опускном движении.

Нагреваемой средой в элементах котла являются вода, пароводяная смесь, пар и воздух, используемый для горения топлива. В процессе эксплуатации котла изменяются его нагрузка и характеристики потоков указанных сред. При установившемся режиме в пределах допускаемых нагрузок котла имеет место турбулентный режим течения воды, пароводяной смеси и пара, характеризуемый значением числа Рейнольдса Rе >5∙10³. Скорость однофазного потока воды в экономайзере при неизменной площади проходного живого сечения труб определяется массовым ее расходом, т. е. нагрузкой котла. При движении пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева и давления ниже критического скорость ее зависит от паросодержания в двухфазной среде и давления, а следовательно, от тепловой нагрузки и организации гидродинамики потока.

С увеличением паросодержания при неизменном проходном сечении испарительной поверхности скорость потока увеличивается пропорционально повышению удельного объема пароводяной смеси. При сверхкритических давлениях скорость среды определяется только массовым ее расходом. В пароперегревателе при неизменном проходном сечении скорость пара возрастает по мере повышения его температуры и снижения давления, при котором вода закипает при данном давлении. Паровые пузырьки, возникающие на стенке трубы, сначала остаются в контакте со стенкой, а затем, достигнув диаметра 1— 2 мм, отрываются от нее. При значительной скорости воды отрыв пузырьков от стенки происходит главным образом под действием динамического напора потока.

В зависимости от структуры возникающего двухфазного потока пароводяной смеси изменяются условия охлаждения внутренней поверхности трубы, соответственно и значения α₂ и t_ст.

Рис. 13. Структура пароводяной смеси в трубе:

а— пузырьковая; б — снарядная; в — стержневая; г — эмульсионная; д — расслоенного потока в горизонтальной трубе

Структура потока пароводяной смеси. В зависимости от паросодержания, скорости и давления структура движущейся пароводяной смеси может иметь различный характер (рис. 13).

Пузырьковая структура, при которой мелкие пузырьки пара относительно равномерно распределены по сечению трубы, возникает при небольшом паросодержании и малой скорости пароводяной смеси в вертикальной трубе.

Снарядная структура, при которой образуются крупные паровые пузырьки, занимающие среднюю часть сечения трубы и отделенные друг от друга и стенки тонким слоем воды, неустойчива и возникает при увеличении паросодержания и низком давлении. При давлениях более 10 МПа снарядная структура не наблюдается.

Стержневая — структура, при которой в среднем сечении трубы движется сплошной поток пара с взвешенными в нем каплями воды. По стенке при этом движется слой жидкости, толщина которого уменьшается с ростом паросодержания и скорости потока.

Эмульсионная — структура, при которой основная масса воды срывается со стенки и уносится в виде капель в потоке пара. На стенке остается тонкая водяная пленка. Такая структура возникает при паросодержании более 90 %, большой скорости пара и высоком давлении.

Из указанных режимов течения пароводяной смеси наилучшие условия охлаждения стенки обеспечиваются при пузырьковой структуре потока, которая обусловливает стабильную работу поверхности нагрева при высоких тепловых нагрузках. В трубах котла в турбулентном потоке профиль скоростей в поперечном сечении характеризуется большим градиентом у стенки. Кривая профиля скоростей для изотермической однофазной жидкости при Rе > 100 000 меняется по закону

w = w_макс (r/r_в)^1/7

где r и r_в — расстояние от стенки и внутренний радиус трубы.

Наличие парообразования усложняет профиль скоростей. При подъемном движении пар обгоняет воду, так как при докритическом давлении плотность пара ρ'', если давление постоянное, меньше плотности воды ρ'. Пар, обгоняющий воду при подъемном движении, ускоряет ядро потока по сравнению с периферийными слоями сечения. При опускном движении пароводяной смеси вода опускается с большей скоростью, чем пар, и профиль скорости потока смеси прогибается в местах сосредоточения пара по сечению трубы.

Характеристики потоков рабочего тела. В гидравлической системе котла, состоящей из соединенных между собой труб, коллекторов, барабанов и ряда дополнительных устройств, движутся вода, пароводяная смесь и пар. При изучении движения вязкой жидкости воду считают несжимаемой. При движении пароводяной смеси, когда температура воды и пара одинакова и давление почти неизменно, явление сжимаемости также можно не учитывать. Пар при условии небольших изменений давления и температур можно также рассматривать как несжимаемую жидкость. При указанных допущениях для характеристики потока рабочего тела в элементах котла используются следующие основные величины.

Массовая скорость потока, кг/ (м²∙с),

wρ = G/(3600F), (5.1)

где G — массовый расход рабочего тела в элементе (трубе), кг/ч; F- площадь сечения элемента (трубы), м²; ρ — плотность рабочего тела, кг/м³

Средняя скорость потока в данном элементе (трубе), м/с,

w = Gv /(3600F), (5.2)

где v — средний по сечению удельный объем среды, м³/кг.

Для пароводяной смеси удобно пользоваться приведенными скоростями воды и пара, представляющими собой отношение объемного расхода воды или пара к полному сечению трубы, м/с,

w'₀ = G'v' /(3600F); (5.3)

w''₀ = G''v'' /(3600F) (5.3а)

Расход протекающей в трубе пароводяной смеси G = G'+ G''.

Скорость циркуляции, т. е. скорость, которую имела бы вода при температуре насыщения, если бы она протекала через данное сечение трубы при массовом расходе, равном расходу пароводяной смеси, м/с,

w₀ =(G'+ G'')v /(3600F) (5.4)

До начала парообразования эта скорость равна скорости воды.

Паросодержание —отношение массы пара в пароводяной смеси к массе смеси

(5.5)

Средние значения паросодержания на данном участке трубы

x= 0,5(x_н+x_к).

Скорость пароводяной смеси можно выразить через приведенные скорости воды и пара или скорость циркуляции. Из (5.3) и (5.4) видно, что w= w'₀ +w''₀; удельный объем смеси

v=(1 - х)v'+хv'' (5.6)

Подставляя значения w и v в формулу (1.4), после преобразований получаем

. (5.7)

Объемное паросодержание - отношение объемного расхода пара к объемному расходу пароводяной смеси

; (5.8)

после преобразования

(5.9)

Напорное паросодержание

, (5.10)

где f_п — сечение трубы, занятое паром, м²; f — полное сечение трубы, м²; w₀ - истинная скорость пара, м/с.

Характер изменения β‚φ, и х по длине равномерно обогреваемой трубы показан на рис. 14.

Рис. 14. Характер изменения х, β и φ по длине равномерно обогреваемой трубы

ЛЕКЦИЯ 6 (24)

Дата добавления: 2014-01-11