Часть II ГИДРОДИНАМИКА И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЕЛЬНЫХ

и парогенераторы
Бакалавриат , 7 семестр, направление 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

среда , обладающая
высокой температурой и используемая для осуществления процессов

теплообмена на ТЭС. Может быть несколько последовательно используемых промежуточных теплоносителей:
Дымовые газы (продукты сгорания, зола и влага, избыточный воздух) – первичный теплоноситель.
Теплота, получаемая в результате химических реакций окисления топлива, воспринимается в процессе теплообмена дымовыми газами, увеличивая при этом их температуру и энтальпию. Часть этой теплоты передается поверхностям нагрева котла со снижением температуры дымовых газов. В газовых турбинах дымовые газы после камер сгорания подаются непосредственно на турбины.
Свойства дымовых газов:
Не ограничивают температурный уровень процесса преобразования химической энергии в тепловую;
Высокая температура в котлах ТЭС достигается при атмосферном давлении без значительных затрат на сжатие воздуха и транспортировку дымовых газов;
Недостатками являются химическая агрессивность, низкая теплоемкость, относительно низкий коэффициент теплоотдачи.

перегретый пар)
- вторичный теплоноситель.
Свойства водного теплоносителя:
Широко распространенный дешевый

теплоноситель;
Высокие значения плотности, теплоемкости, теплопроводности, способствующие
интенсивному теплообмену с поверхностями нагрева котельного оборудования;
Недостатком является слабая зависимость энтальпии пара от давления , что требует для повышения КПД термодинамического цикла значительно повышать давления пара ( до критических и сверхкритических давлений);
Коррозионная активность теплоносителя требует организации определенных водно-химических режимов работы котельного оборудования.

давлений и скоростей позволяет определить основные характеристики
гидродинамики и теплообмена
(тепловой

поток, гидравлическое сопротивление и т.д. )

На основании основных законов физики: закона сохранения массы, законов сохранения количества движения и энергии для движения однородной жидкости в обогреваемой (охлаждаемой) трубе можно записать дифференциальные уравнения неразрывности, движения и энергии для одномерного потока (вдоль оси z):

течения
- для стационарного течения
Уравнения движения для элементарного объема

(Изменение количества движения материальной системы равно сумме приложенных к системе внешних сил – теорема о количестве движения )

(турбулентное течение)

Внешние силы : давления потока, вязкостного (гидравлического ) сопротивления,
земного притяжения (нивелирования).

(1)

(3)

(4)

(5)

(2)

, позволяет получить формулу для определения перепада давления в трубе:

(10)

(11)

Для вертикальной трубы:
при подъемном движении
при опускном

(14) преобразуем к следующим видам :
(15)
(16)
Подводимая

к жидкости теплота

- элементарный подвод тепла

(18)
В расчетах котлов необходимо определить подвод тепла к внешней поверхности

трубы:

(19)

- нестационарный теплообмен

(20)

- стационарный теплообмен

(21)

знать
такие теплофизические параметры теплоносителя как плотность, теплоемкость ,

динамическую вязкость, теплопроводность и др. В общем случае они зависят от
температуры и давления. Эти зависимости могут быть представлены в табличной
форме, в виде графиков или в виде формул. Для реальных жидкостей уравнения,
определяющие такого рода зависимости, базируются на анализе имеющихся
экспериментальных данных.

Начальные и граничные условия

Для конкретизации решения задач о движении и теплообмене жидкости ,
необходимо установить ряд условий.
Начальные условия задают поля скоростей, температур и давлений
во всем объеме рассматриваемой области, а также на ее границах, в начальный момент времени. Они не задаются при решении стационарных задач.
Граничные условия задают геометрическую форму области, условия движения жидкости и теплообмена на ее границах.

Совокупность уравнений неразрывности, движения и энергии, уравнений состояний, начальных и граничных условий представляют замкнутую систему математического описания процесса движения жидкости и конвективного теплообмена в обогреваемых трубах котельных установок.

пар при докритическом давлении, теплоноситель при сверхкритическом давлении) описывается уравнениями

неразрывности (1), (2), движения (8),(9), (11) , энергии (13), (15), (17) , состояния, а также заданными начальными и граничными условиями.
В общем случае для определения конкретных значений параметров состояния теплоносителя необходимо располагать данными о структуре потока, распределении температуры, давления и скорости потока по длине и сечению трубы.
При проведении теплогидравлических расчетов принимают давление по сечению потока постоянным и изменяющимся только по длине трубы.

В одномерном приближении (по оси трубы) температуру и скорость принимают постоянными по радиусу трубы (в ее поперечном сечении) и переменными по длине трубы. Также постоянными принимают характеристики жидкости по сечению потока.

Распределение скорости (а) и температуры (б) однофазной жидкости в трубе:
1- изотермическое течение;
2 – охлаждение жидкости;
3 – нагревание жидкости

средняя скорость жидкости в сечении
(23)
- средняя энтальпия потока в

данном сечении

(24)

- давление в рассматриваемом сечении

(25)

Полученные согласно (24) и (25) значения энтальпии и давления используются для
определения параметров состояния потока в данном сечении.

- среднеинтегральное значение плотности

(26)

- среднеинтегральное значение удельного объема

(27)

из экономайзера
2 – вода в опускные трубы
3 - пароводяная смесь

из подъёмных труб
4 – насыщенный пар в парогенератор

Барботаж пара через воду - процесс всплытия паровых пузырей под действием силы Архимеда (сила FА направлена вверх)

Сепарация пара – процесс отделения воды от насыщенного пара (сила FА направлена вниз)

Безнапорное движение двухфазной среды – это движение одной фазы потока в неподвижном или медленно движущемся слое второй фазы при наличии свободной поверхности, разделяющей эти фазы.

сечениях потока
Сопротивления: трения, местные, ускорения, нивелирное (гидростатическое)
Схемы

принудительного движения (а, б) и естественной циркуляции (в)

Будет ли движение
на участках 1 и 2 ?

(1)

ускорения положительно при подводе тепла, отрицательно при отводе и равно

нулю при адиабатном течении.
Нивелирное сопротивление при подъемном течении положительно (увеличивает потенциальную энергию потока) и отрицательно при опускном (начальная потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую).

- движущий напор

опускном
участке за счет снижения подвода тепла к потоку

теплоносителя и уменьшать
плотность теплоносителя на подъемном участке за счет увеличения подвода тепла.

Подводимая к теплоносителю теплота является внешним источником энергии, позволяющим преодолеть сопротивление движению потока в замкнутом контуре.

Естественная циркуляция потока – это движение среды по замкнутому контуру ,
возникающее вследствие разности плотностей среды в необогреваемых или слабонагреваемых трубах с опускным движением и в обогреваемых трубах с подъемным движением.
Многократная принудительная циркуляция - это движение среды по замкнутому контуру циркуляции при наличии в нем встроенного насоса.