Образование пара

В паровых котлах образование пара происходит при постоянном давлении и непрерывном подводе теплоты от продуктов сгорания к воде. Образование пара, как процесс, состоит из трех последовательных стадий: подогрева воды до температуры насыщения, парообразования и перегрева пара до заданной температуры. В современных паровых котлах вода, поступающая непосредственно в барабан, а из него в поверхность нагрева, как правило, предварительно нагревается в водяном экономайзере. Однако независимо от того, где происходит нагрев воды, массе воды 1 кг должно быть сообщено определенное количество теплоты, равное разности энтальпий воды кипящей и поступающей в водяной экономайзер. Для получения из кипящей воды сухого насыщенного пара ей должно быть сообщено дополнительное количество теплоты, равное скрытой теплоте парообразования. Наконец, для получения 1 кг перегретого пара определенной температуры сухому насыщенному пару необходимо сообщить теплоту, равную разности энтальпий перегретого и сухого насыщенного пара.

Паровой котел работает при постоянном давлении пара. При этом разные типы парогенераторов имеют различный уровень давления. В связи с этим важно знать, как зависят энтальпия кипящей воды, скрытая теплота парообразования, энтальпия насыщенного и перегретого пара от давления. С увеличением давления вплоть до критического (рКр=22,13 МПа) энтальпия кипящей воды непрерывно возрастает. Следовательно, с повышением давления в котле площадь поверхностей нагрева, в которых происходит предварительный нагрев воды, должна увеличиваться. Скрытая теплота парообразования с увеличением давления непрерывно уменьшается и при критическом давлении равна нулю. Это указывает на возможность уменьшения площади поверхностей нагрева, в которых из кипящей воды образуется насыщенный пар. Энтальпия сухого насыщенного пара при возрастании давления до 3,3 МПа увеличивается, а затем падает. Следовательно, при выработке насыщенного пара нецелесообразно повышать его давление за уровень 3,3 МПа.

Энтальпия перегретого пара при постоянном перегреве с увеличением давления уменьшается. Следовательно, при повышении давления вырабатываемого котлом пара целесообразно одновременно увеличить температуру перегретого пара. В связи с этим в котлах, вырабатывающих перегретый пар высокого давления, повышается роль пароперегревателя и водяного экономайзера.

Существенное влияние на надежность работы котла оказывает процесс кипения, под которым понимают образование пара внутри объема жидкости. Условия кипения воды в котлах сложны и своеобразны. Как только температура воды в поверхности нагрева котла достигает температуры насыщения, начинается кипение, которое носит спокойный характер. При этом процесс начинается в слоях жидкости, соприкасающихся с внутренней стенкой поверхности нагрева. По мере увеличения температуры стенки число действующих центров кипения растет и процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки постепенно отрываются от поверхности и, проходя сквозь слой воды, увеличиваются в своем объеме. Это объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости несколько выше температуры насыщения (по опытным чанным на 0,2-0,4 °С).

При форсировке топки увеличивается разность температуры стенки и температуры насыщения. При этом температура насыщения при постоянном давлении в парогенераторе остается неизменной. Повышение разности температур стенки и кипящей воды приводит к увеличению количества теплоты, отводимой кипящей водой от стенки поверхности нагрева. В конечном итоге количество вырабатываемого котлом пара возрастает. Однако отвод теплоты с увеличением температурного напора между стенкой и кипящей водой возрастает до определенного предела, после превышения которого начинает уменьшаться.

Температурный напор, при котором отвод теплоты от поверхности нагрева к кипящей жидкости достигает максимального, принято называть первым критическим значением. Режим кипения до момента наступления первого критического значения называется пузырьковым.

В поверхностях нагрева котлов не допускают превышения температурного напора сверх первого критического значения во избежание выхода поверхности нагрева из строя.

Поверхности нагрева котла обычно выполняют из труб, в которых на развитие кипения, кроме указанных факторов, влияют и такие, как скорость движения жидкости или пароводяной смеси и характер распределения паровой и жидкой фаз в трубах.

При движении жидкости в вертикальных трубах различают следующие режимы течения: пузырьковый, снарядный, стержневой и эмульсионный.

Пузырьковый режим течения в вертикальных трубах наблюдается при умеренном паросодержании и небольшой скорости течения пароводяной смеси. Пузырки пара небольшие и довольно разномерно распределены по сечению трубы. При пузырьковом течении в горизонтальных трубах пузыри пара располагаются в верхней части трубы, а вода - в нижней ее части.

Снарядный режим течения наблюдается при увеличении паросодержания в потоке. Для этого режима характерно объединение мелких пузырей в крупные, напоминающие по очертанию снаряды.

Стержневой режим характеризуется наличием сплошного парового стержня, движущегося по центру трубы, со сплошной кольцевой пленкой, прилегающей к внутренней части трубы.

Эмульсионный режим наблюдается при большой скорости пара и высоком давлении. Основная масса водяной пленки срывается пузырями пара и уносится в виде капель. На внутренней стенке трубы остается тонкая водяная пленка.

В горизонтальных трубах при малых скоростях происходит расслоение потока. В верхней части трубы движется пар, имеющий меньшую плотность по сравнению с водой, а в нижней части - основная масса воды.

При низких давлениях наблюдается снарядный режим течения. С повышением давления до 3-4 МПа он переходит в снарядно-пузырьковый и при давлениях 10 МПа в пузырьковый, который при определенных условиях может перейти в стержневой, а затем в эмульсионный.

Процесс кипения в трубах может также происходить при температуре воды, меньшей температуры насыщения. Это наблюдается при интенсивном подводе теплоты, когда температура стенки выше температуры насыщения и кипение происходит в тонком (пограничном) слое жидкости. Однако образование пара в пристенной области, попав в ядро потока, быстро конденсируется. Такое кипение называют кипением в пограничном слое или кипением недогретой жидкости.

Исследования процесса кипения показали, что для пузырькового режима характерна высокая интенсивность теплоотдачи и возможность отвода с единицы поверхности больших потоков теплоты, но не превышающих первого критического значения температурного напора.