Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева

Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева

Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева котла может быть обеспечена только при хорошем охлаждении стенки труб, расположенных в зоне высоких температур продуктов сгорания. Средой, охлаждающей испарительные поверхности нагрева, является вода или смесь ее с образовавшимся паром. Надежное охлаждение стенки труб поверхности нагрева может быть обеспечено только при правильной организации движения среды, охлаждающей трубы (вода, пароводяная эмульсия). Непрерывное движение среды, охлаждающей поверхность нагрева, называют циркуляцией.

Движение воды по испарительной поверхности нагрева может происходить под действием внешних источников энергии (например, насоса) или за счет естественной циркуляции в испарительных поверхностях нагрева. С момента появления паровых котлов охлаждение стенок труб поверхностей нагрева осуществляет естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева, наглядное представление о которой дает стеклянная модель, показанная на рис. 6-1. Модель состоит из двух трубок (ветвей), присоединенных к барабану, заполненному водой.

Если начать подводить тепло Q к левой ветви, то вода в ней начнет подниматься, а в правой опускаться. Такая естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева начнется потому, что плотность воды в левой ветви при ее нагреве будет меньше плотности холодной воды в правой ветви. По мере увеличения нагрева левой ветви скорость движения воды в ней начнет повышаться.

Если подвод теплоты к левой ветви будет непрерывно продолжаться, то через некоторое время в ней начнут появляться паровые пузырьки. Смесь воды с паровыми пузырьками называют пароводяной эмульсией или пароводяной смесью. Средняя плотность пароводяной эмульсии будет меньше плотности некипящей воды в правой ветви. Пузырьки пара, поднявшись в барабан, будут скапливаться в его верхней части.

Левая ветвь, по которой вода поднимается, называется подъемной, а правая - опускной. Система труб, по которым происходит циркуляция воды, называется циркуляционным контуром.

Если из барабана по трубе 1 отводится пар, то для поддержания постоянного уровня воды в барабан необходимо по трубе 2 подавать холодную воду в количестве, равном количеству воды, превратившейся в пар. Поступившая по трубе 2 в барабан вода смешивается с оставшейся и опускается по необогреваемой опускной ветви. Аналогично описанному происходит естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева в парогенераторе.

Движущая сила в циркуляционном контуре, возникшая вследствие разности плотностей, расходуется на создание скорости циркуляции и преодоление сопротивлений циркуляционного контура.

В обогреваемых трубах только часть воды превращается в пар. Следовательно, для превращения в нар всей воды, поступившей в обогреваемые трубы, она должна пройти по трубам много раз. Отношение массы воды, поступившей в испаритель­ный контур, к массе пара, выработанного контуром за то же время, называется кратностью циркуляции. Для котлов с естественной циркуляцией в зависимости от конструкции и параметров пара кратность циркуляции колеблется в пределах от 8 до 50. Большинство современых промышленных котлов имеет естественную циркуляцию и, как правило, несколько параллельно работающих циркуляционных контуров.

Расчет циркуляции базируется на двух уравнениях: уравнении неразрывности движения и уравнении энергии

где М^под, М^оп - массы жидкости, движущейся в подъемных и опускных трубах, кг/с; р - полное движущее давление циркуля­ции, Па; ∑∆р - полное гидравлическое сопротивление контура.

Полное движущее давление циркуляции зависит от разности плотности жидкости в опускных трубах и плотности пароводяной смеси в подъемных трубах, а также от высоты циркуляционного контура. При этом движущее давление возникает лишь в звеньях контура, по которым протекает пароводяная смесь.

Движущее давление определяется (в паскалях) по формуле

где р^оп_тр, р^под_тр - плотность жидкости в опускных трубах и плотность пароводяной смеси в подъемных трубах, кг/м³; Н - высота циркуляционного контура, м; g - ускорение силы тяжести, м/с².

Полное гидравлическое сопротивление контура (в паскалях)

где ∆p^оп_тр, ∆p^под_тр - потери на трение в опускных и подъемных трубах, Па; ∆p^оп_м, ∆p^под_м-потери от местных сопротивлений в опускных и подъемных трубах, Па; ∆р_уск - потери давления на создание ускорения движения смеси в подъемных трубах, Па.

Полезным движущим давлением называют разность полного движущего давления циркуляции и суммы потерь давления на трение в подъемных трубах, уменьшенную па потери давления на создание ускорения смеси в них. Это означает, что полезное движущее давление затрачивается па преодоление потерь давления от трения в опускных трубах н потерь давления от местных сопротивлений во всем контуре (в опускных и подъемных трубах). Полезное движущее давление, требуемое для создания надежной циркуляции, должно быть тем больше, чем выше скорость воды в контуре и давление в парогенераторе, а также чем сложнее конструктивное исполнение контура. С учетом сказанного полезное движущее давление (в паскалях)

Расчеты циркуляции котлов производятся в соответствии с нормами, разработанными ЦКТИ и ВТИ. Циркуляция воды в котле не влияет на его экономичность, но определяет надежность работы поверхностей нагрева.