Критерии надежности естественной циркуляции
Надежность работы поверхностей нагрева котла зависит от температурного режима работы каждой трубы контура. Если хотя бы одна труба работает ненадежно, то становится ненадежной работа всей поверхности нагрева и самого котла в целом. Оценка надежности естественной циркуляции является важной задачей как при проектировании котла, так и при его эксплуатации, так как на характер работы циркуляционного контура и самой естественной циркуляции и оказывают влияние многие эксплуатационные факторы.
Как показывает опыт, в циркуляционном контуре парового котла возможно возникновение явлений, нарушающих работу контура и приводящих к срыву естественной циркуляции. Такие явления могут возникать как в подъемной, так и в опускной части контура.
Для подъемной части контура к явлениям, приводящим к нарушению режима естественной циркуляции и температурного режима испарительных труб, относят: застой циркуляции; опрокидывание циркуляции; режим предельной кратности циркуляции; расслоение пароводяной смеси.
Для опускной части контура к явлениям, приводящим к срыву естественной циркуляции, относят: парообразование в опускных трубах; кавитацию в опускных трубах; захват пара в опускные трубы.
Застоем циркуляции называется режим медленного движения воды в подъемной трубе вверх или вниз с кратностью циркуляции К≈1. При этом режиме вода в трубе практически неподвижна, а в ней медленно всплывают пузыри пара, которые могут скапливаться и застаиваться на благоприятных для этого участках труб, например, в местах гиба. Режим движения воды в этом случае неустойчив, а скорость поступления воды в подъемную трубу практически равна нулю - w0 ≈ 0 . Режим застоя циркуляции опасен тем, что скапливающийся в застойных зонах пар образует паровые пробки, препятствующие движению пароводяной смеси в подъемной трубе. При малых значениях давлений и тепловых нагрузок ухудшения температурного режима металла трубы, входящей в паровой коллектор ниже уровня воды в нем, при режиме застоя практически не наблюдается. Однако при больших значениях давлений и высоких тепловых нагрузках режим застоя становится опасным.
Опрокидыванием циркуляции называется такой режим, при котором в слабообогреваемых трубах среда начинает двигаться сверху вниз, т.е. подъемная труба начинает работать в режиме опускной.
В зависимости от скорости движения воды вниз, образующийся пар может подниматься вверх, преодолевая встречный поток воды. При этом скорость движения воды вниз настолько мала, что не может препятствовать подъему паровых пузырей против движения основного потока. При этом паровые пузыри могут скапливаться в застойных зонах контура циркуляции (на гибах труб), образуя паровые пробки и ухудшая температурный режим работы подъемной трубы. Такой режим работы подъемной трубы называется режимом опрокидывания с запариванием. Дальнейшее увеличение скорости опускного движения воды приводит к тому, что весь образующийся пар сносится потоком воды вниз. Наступает режим работы подъемной трубы с полностью опрокинутым движением.
Исследования температурных режимов труб показали, что наиболее неблагоприятными являются режимы застоя циркуляции и опрокидывания с запариванием, как обеспечивающие наихудшие условия охлаждения стенки обогреваемой трубы по сравнению с режимом полностью опрокинутого движения.
Режимы застоя и опрокидывания характеризуются величиной полезного напора застоя - S3, и полезного напора опрокидывания - Sonp. Поскольку эти режимы работы подъемных труб являются опасными и могут вызвать повреждения труб испарительной поверхности нагрева, после расчета естественной циркуляции обязательно проводится проверка на отсутствие режимов застоя и опрокидывания.
Происшедшее в последние годы повышение теплонапряженности поверхностей нагрева судовых, и в особенности корабельных паровых котлов, а также создание различных типов парогенераторов для атомных энергетических установок, вызвало необходимость проведения детального исследования температурного режима парогенерирующих труб. Для оценки надежности работы труб испарительной части важно знать значения паросодержаний, при которых возникает ухудшение теплоотдачи (кризис теплообмена второго рода). В котлах и парогенераторах с ЕЦ величина весового паросодержания в любой из труб испарительной части котла должна быть ниже некоторого граничного значения: х<хгр. При увеличении паросодержания выше граничного значения на стенках труб начинают осаждаться легкорастворимые соли, уменьшается толщина слоя водяной пленки, ухудшается теплообмен и режим охлаждения стенки трубы.
Принято считать, что граничное паросодержание, при котором начинается ухудшенный теплообмен, составляет значение хГР≥0,5. Для обеспечения безнакипного режима работы трубы и надежного ее охлаждения, паросодержание в выходном сечении любой трубы должно удовлетворять условию х<хгр. С учетом неравномерности обогрева труб испарительной части котла и некоторого запаса по надежности, можно записать условие, что паросодержание любой трубы должно быть: xi<0,25. Учитывая связь между паросодержанием и кратностью циркуляции, можно сделать вывод, что надежное охлаждение труб испарительной части котла обеспечивается при предельном значении кратности циркуляции: КПРЕД = 4. Т.е. кратность циркуляции для любого ряда подъемных труб должна быть выше предельной кратности циркуляции: K≥4.
Расслоением пароводяной смеси называется такой режим движения двухфазного потока в горизонтальных или слабонаклоненных трубах, при котором происходит хотя бы частичное осушение стенок в верхней части трубы.
Расслоение вызывает неравномерный теплоотвод по периметру трубы и неравномерный нагрев стенки трубы. В той части трубы, которая омывается водой, температура стенки намного ниже, чем в части трубы, омываемой паром. Кроме того, при частичном осушении стенок трубы, при движении паровых пузырей в верхней части трубы возникают циклические колебания температуры стенки, приводящие к быстрому разрушению металла из-за термической усталости.
Исследования показали, что расслоение пароводяной смеси возникает в трубах, имеющих наклон к горизонту < 15°. Предотвратить расслоение пароводяной смеси можно увеличением скорости движения среды выше некоторого предельного значения: w0 > wПРЕД, а также проектированием наклона подъемных труб в котлах с ЕЦ со значением более 30° к горизонту (с учетом возможных кренов и дифферентов судна).
Все
явления, возникающие в опускной части
контура, способные привести к расстройству
и срыву естественной циркуляции,
связывает один признак: появление пара
в опускных трубах. При появлении пара
увеличивается гидравлическое сопротивление
опускной части контура циркуляции -
,
что
приводит к нарушению условия установившейся
естественной циркуляции:
.
Появление пара в опускных трубах может произойти по следующим причинам:
-
из-за парообразования
в опускных трубах, если
опускные трубы получают количество
тепла, превышающее значение величины
недогрева до кипения:
;
из-за возникновения явления кавитации в опускных трубах. Кавитацией в данном случае называется явление парообразования в опускных трубах вследствие падения давления во входном участке трубы ниже давления насыщения при данной температуре;
из-за захвата пара в опускные трубы, который может происходить как из парового пространства парового коллектора (возникновения вихревых воронок над входом в опускные трубы), так и из водяного пространства парового коллектора за счет сноса пара потоком воды, направляющимся к опускным трубам.
а б
Рис. 2. Явление захвата пара в опускные трубы:
а) из парового пространства парового коллектора;
б) из водяного пространства парового коллектора.
Появление пара в опускных трубах уменьшаетвес столба воды в них, что приводит к снижению движущего напораестественной циркуляции. Учитывается это уменьшение движущего напора увеличениемсопротивления опуска на величину нивелирного сопротивления:
(8)
Таким
образом, полное сопротивление опускной
части контура при движении по ним
пароводяной смеси вычисляется как сумма
их гидравлических сопротивлений
и
величины нивелирного сопротивления
.