Прямолинейные каналы.

Изменение темпе­ратуры рабочего тела по водопаровому тракту барабанного и прямоточного котлов ДКД по­казано на рис. 10.4. При любой системе котла в экономайзере температура питательной во­ды повышается до насыщения (в преде­ле), в парообразующих трубах получаемая от стенки теплота затрачивается на парооб­разование практически с сохранением посто­янства температуры пароводяной смеси

Рис. 10.4. Изменение температуры по водопаровому тракту барабанного (а) и прямоточного (о) котла ДКД.

I — экономайзер; 2 — парообразующие трубы; 3 — пароперегре­ватель; А — температура рабочего тела; Б— температура стенки барабанного котла; Б' — то же прямоточного котла; В —допу­стимая температура металла.

а в перегревателе температура пара повыша­ется до расчетного значения

На участке экономайзера / температура потока и стенки ниже температуры на­сыщения: Теплофизические свой­ства воды в пристенном слое мало изменяют­ся с температурой. В этих условиях теплоот­дача подчиняется законам конвективного теп­лообмена

где

Индекс «п» означает, что в качестве опре­деляющей температуры принята температура потока. Для прямолинейных каналов Теплообмен совершается при температур­ном напоре , На участке эко­номайзера теплообмен между стенкой и во­дой протекает при слабом обогреве и высоких значениях коэффициен­та теплоотдачи и по­тому температура стенки превышает темпера­туру воды всего лишь на несколько градусов.

На участке // температура потока ,но температура стенки Это означает,что на стенке уже началось парообразова­ние— поверхностное кипение. Образовавшие­ся пузырьки пара, переходя в поток, конден­сируются. Здесь поток воды прогревается в пределе до Это тоже зона экономайзера, но теплообмен в ней более интенсивный, чем на участке

По мере дальнейшего подвода теплоты на­чинается устойчивое развитое пузырьковое кипение: В этой зоне кипения (участок III) теплообмен протекает независи­мо от скорости потока (при скоростях, ха­рактерных для паровых котлов), но опреде­ляется интенсивностью обогрева и тепло-физическими свойствами жидкости и пара на линии насыщения. Последние однозначно свя­заны с давлением , и в диапазоне давлений 0,4—16 МПа коэффициент теплоотдачи в зоне развитого кипения определяется по прибли­женной эмпирической формуле

Теплообмен протекает при значитель­ных коэффициентах теплоотдачи и потому даже при очень интенсивном обогреве, какое только возможно в высокофорсированных топках па­ровых котлов и отсутствии отложений (см. § 10.4), температура стенки незначительно превышает температуру потока. Такие усло­вия имеют место на всем протяжении паро­образующих труб барабанных котлов (уча­сток ///), в которых благодаря высокой крат­ности циркуляции массовое паросодержаниех даже x на выходе ограничено (менее 20 ). В прямоточных котлах паросодержание по длине труб изменяется в пределах На участках парообразующих труб, когда зна­чение сравнительно невелико вследствие развитого кипения, также весьма значи­тельно и рассчитывается тоже по формуле (10.2). В этих условиях близко к

Начиная с некоторого значения паросодержания , зависящего от давления и интен­сивности обогрева, наблюдается значительный рост температуры стенки (кризис кипения, связанный с высыханием пленки, см. §10.2), свидетельствующий об ухудшении теплообме­на (участок IV). Для этого участка с извест­ным приближением можно полагать, что ко­эффициент теплоотдачи к пароводяной смеси в зоне т. е. после наступления кризиса кипения, изменяется примерно про­порционально линейной скорости пароводяной смеси в степени 0,8; такая же закономерность и для коэффициента теплоотдачи к су­хому насыщенному пару Поэтому

Допущение о движении в зоне ухудшенно­го теплообмена пароводяной смеси как гомо­генной среды в первом приближении позволя­ет определить коэффициент теплоотдачи так же, как и для сухого насыщенного пара, сред­няя скорость которого равна скорости смеси

3. Л. Миропольским предложена формула для расчета а_пл в зоне ухудшенного теплооб­мена. Негомогенность среды в этой зоне при паросодержании несколько меньше 1 учи­тывается поправочным коэффициентом него­могенности :

где

Коэффициент негомогенности , завися­щий от паросодержания и отношения определяется по эмпирической формуле

После достижения максимума температу­ра обогреваемых труб снижается, что связано с интенсификацией теплообмена при уве­личении линейной скорсти пара в зоне безо­статочного выпаривания жидкой фазы (уча­сток ). На границе сечений для барабанного и прямоточного котлов мас­совое паросодержание достигает , а эн­тальпия Дальнейший подвод теплоты при­водит к перегреву пара.

В области пароперегревателя (участок ) теплоотдача к перегретому пару снова ухудшается и независимо от типа котла тем­пература металла труб повышается. В этой области снова вступают в силу законы кон­вективного теплообмена однофазной среды, но для перегретого пара

При ухудшенных режимах теплообмена значение существенно меньше, чем при раз­витом кипении, однако достаточно, чтобы при выборе соответствующей массовой скорости потока обеспечить надежную работу металла поверхностей нагрева.

С ростом давления уменьшается поверх­ностное натяжение и теплообмен ухудшается при меньших значениях х_гр. Такое же влияние на х_гр оказывает и повышение тепловой на­грузки вследствие ускоренного испарения вла­ги в трубах.

В эксплуатации в результате воздействия режимных факторов место перехода в область ухудшенного температурного режима может перемещаться по длине парообразующей тру­бы. На границе перехода к ухудшенному тем­пературному режиму металл подвержен изме­нениям температуры, приводящим к тепловой усталости. Для уменьшения амплитуды коле-

Рис. 10.5. Температура стенки и потока по водопаровому тракту котла СКД.

1. — температура потока;

2. — температура стенки при низких q; 3 — темпе­ратура стенки при высо­ких д.

баний температуры металла ограничивают температурный напор между внутренней стен­кой трубы и потоком в области перехода к ухудшенному теплообмену . Это достигается обеспечением достаточной скоро­сти потока.

Общая картина изменения температуры потока и стенки в прямоточном вертикальном контуре СКД для различной интенсивности обогрева показана на рис. 10.5. Всю область генерации пара условно можно разделить на три участка теплообмена: или -подогрев воды, или — псевдокипение и — пере­грев пара. В области температура потока и стенки при данном давлении меньше темпе­ратуры условного фазового перехода Теплофизические свойства рабочего тела в пристенном слое изменяются мало. В этих условиях теплоотдача подчиняется законам конвективного теплообмена и расчет теплооб­мена выполняется. На участке температура стенки медленно по­вышается, следуя за изменением температуры потока.

На участке температура потока также остается ниже , но температура стенки превышает ее. Поэтому в пристенном слое теплофизические свойства потока могут су­щественно отличаться от теплофизических свойств основного потока (см. § 9.5), что при­водит к существенным особенностям теплооб­мена в этой .зоне; интенсифицируется тепло­обмен при низких (линия 2 на рис. 10.5) и, наоборот, ухудшается теплоотдача при вы­соких (линия 3). На рис. 10.6 показано влияние на в зоне фазового перехода: если при малых значения имеют макси­мум, то при больших они приобретают ми­нимальные значения. Уменьшение скорости и увеличение тепловой нагрузки расширяет об­ласть удельных энтальпий с ухудшенным теп­лообменом.

Особенности теплообмена при СКД в этой зоне обусловлены двумя главными фактора­ми: воздействием переменности свойств пото­ка на процессы турбулентного обмена и по-

Рис. 10.6. Влияние энтальпии среды и теп­лового потока на ко­эффициент теплоотда­чи при СКД.

явлением заметных термогравитационных сил — свободной конвекции. Значение термо­гравитационных сил характеризуется отношением При можно не учи­тывать влияние свободной конвекции, и теп­лоотдача при вертикальном подъемном течении рассчитывается по формуле В. С. Про­топопова

в которой —значение числа для изо­термических условий:

Кроме известных обозначений: число Грасгофа

коэффициент гидравлического сопротивле­ния средняя теплоемкость

теплоемкость потока плотность потока соответственно при тем­пературе потока и температуре стенки и

Показатели степени и даются эмпи­рическими формулами.

При теплоотдача ухудшается из-за частичного вырождения турбу­лентности потока при подъемном течении вследствие большого вклада гравитационных сил. Для этих условий расчет ведется с по­правкой на влияние свободной конвекции,т. е. значения .

Режимы, соответствующие кривой 3 (см. рис. 10.5), возникают при для заданного или же при .

На участке /// температура потока пре­вышает и теплообмен подчиняется зако­номерностям для перегретого пара .