Двухфазное течение в трубах

за счет лучистого теплообмена топки воспринимают 40-50% общего количества теплоты,

отдаваемой воде в котле в целом, 20-25% воспринимают за счет лучисто-конвективного нагрева поверхности горизонтального газохода , 30-40% за счет конвективного теплообмена воспринимают конвективные поверхности нагрева опускной шахты.
( Вода :Ркр.= 22,13МПа, tкр.=374,15°С)

Барабанные котлы

Прямоточный котел

1. Котлы среднего давления (10 Мпа

> Р ≥ 4,0 Мпа )

В барабанных котлах среднего давления экономайзер обычно становится кипящим и в нем питательная вода не только подогревается до температуры кипения, но и частично превращается в пар (17%). Это происходит потому, что количества тепла, воспринимаемого в процессе радиационного теплообмена в топочной камере (64%) недостаточно для покрытия полной потребности в парообразовании и начальный процесс парообразования производится начинается уже в экономайзере и далее на выходе из топки.
Для конструкции котлов среднего давления характерны конвективные испарительные поверхности из 3-4 рядов труб на выходе из топки с собственным нижним коллектором , питаемым водой из барабана, а также разводка труб заднего экрана в два-три ряда в зоне пересечения ими горизонтального газохода (фестон) .

2. Котлы высокого давления (Р ≥

10,0 МПа )

В барабанных котлах высокого давления экономайзер выполняет свою основную функцию: осуществляет подогрев питательной воды.
Размер тепловосприятия экранов в топочной камере становится достаточным для генерирования необходимого количества пара (51% вместо 64% для котлов среднего давления).

3. Котлы сверхвысокого давления (Р ≥

18,5 МПа )

В паровых котлах СКД значительно возрастает доля пароперегревательных поверхностей. Расширяется область нагрева воды: в конвективных пакетах экономайзера и в нижней части топочных экранов (радиационный экономайзер) происходит нагрев воды до зоны фазового перехода. Далее в топочном пространстве располагаются поверхности нагрева , в которых совершается фазовый переход от воды к пару и его перегреву в средней и верхней радиационной части экранов топки.
Пароперегревательные поверхности уже не могут разместиться только в горизонтальном газоходе, поэтому часть поверхности пароперегревателя размещается вверху топки (потолок, настенные панели).

потока
Модель гомогенного потокам
(Инженерные расчеты)
Модель гетерогенного потока
(Математическое моделирование)

Обе фазы

(жидкая и паровая) распределены равномерно и непрерывно одна в другой, скорости их движения и температуры одинаковы для данного поперечного сечения трубы.
Обе фазы находятся в термодинамическом равновесии.
Движение потока рассматривается как движение сплошной среды.
Параметры и характеристики потока принято называть расходными.

Фазы разделены межфазными границами (гетерогенная среда) и движутся в общем случае с разными скоростями. Уравнения составляются отдельно для каждой из фаз.
Начальные и граничные условия также записываются для каждой из фаз отдельно
с учетом условий переноса ( механического, массы и тепла) на границах.
Параметры , характеризующие движение каждой из фаз или потока в целом
( с учетом движения каждой из фаз), называют истинными параметрами.

Соотношения между расходными и истинными параметрами потока имеют сложный характер и зависят от структуры потока и распределения скоростей в паровой и жидкой фазах.
Предельные случаи : однофазные потоки пара ( жидкость отсутствует) и жидкости ( отсутствует пар). Режимы течения двухфазного потока – ряд устойчивых сочетаний структуры потока и скоростей фаз между предельными случаями , которым свойственны типичные зависимости между расходными и истинными параметрами двухфазного потока.

пара, кг/с
- расход воды, кг/с
Количество теплоты, воспринятое потоком в

сечении Z:

(1)

(2)

(3)

Из (3) получаем :

(4)

расходное массовое паросодержание (доля пара в массовом расходе
смеси)

- расходное массовое содержание жидкости

(6)

(5)

- массовое паросодержание для равновесного двухфазного потока

(7)

- недогретая жидкость ;

- жидкость на линии насыщения

- пар на линии насыщения ;

- перегретый пар

в сечении Z
(9)
- тепловой баланс для сечения z

- длина экономайзерного участка

- величина недогрева жидкости на входе в трубу

- массовое расходное паросодержание

(10)

(11)

(12)

(12а)

Вышеприведенные формулы (12 и 12а) позволяют в любом сечении трубы определить:
массовый расход пара
массовое паросодержание
воды

фазы (жидкость или пар занимают все сечение трубы)
,

скорость циркуляции ( поток имеет плотность воды на линии насыщения)

- скорость воды на входе в трубу

- скорость потока пароводяной смеси

Уравнение неразрывности

(13)

На основании (13 ) можно определить искомую скорость через любую известную.

По этой причине объемный расход пароводяной смеси будет равен сумме

объемных расходов воды и пара:

(14)

(15)

(15)

(15а)

Связь между объемным и массовым паросодержанием :

При критическом давлении

, следовательно

(16)

от массового паросодержания

для различных давлений

(17)

и жидкой фаз различаются. Если известна структура потока, то можно

определить его истинные параметры.
Определяющей характеристикой потока является распределение паровой и жидкой фаз по сечению трубы. Через заданное сечение трубы в разные моменты времени проходит различное количество паровой и жидкой фаз. Усредненные статистические значения сечений, по которым проходят пар и жидкость в данном сечении консервативны для заданного режима течения.

- истинное объемное паросодержание

(18)

действительные скорости паровой
и жидкой фаз

(19)

(20)

Для участка трубы протяженностью суммарная масса обеих фаз в объеме

(21)

(22)

истинная средняя плотность
двухфазного потока

, что величину можно определить

экспериментально (просвечивая
рентгеновскими лучами трубу). Появляется возможность определения истинного
паросодержания.

Действительная скорость пароводяной смеси (25) определяется из соотношения :

(24)

(25)

ВЫВОД : Истинные значения скоростей фаз, средней плотности и скорости
пароводяной смеси могут быть рассчитаны, если известна величина истинного паросодержания.

рассчитываются по уравнениям для гомогенной среды, когда
скорости жидкой и

паровой фаз принимаются равными. Однако, в действительности
они различаются. Например, при подъемном движении в вертикальной трубе
истинная скорость паровой фазы больше, чем скорость жидкой фазы:

(26)

При подъемном течении , при опускном

- коэффициент (фактор) скольжения фаз

(27)

Для гомогенного потока , для подъемного течения , для опускного

Преобразования (27) к виду

(28)

позволяет получить зависимость:

(29)

При критическом давлении , так как

,

При докритическом давлении

от скорости смеси
для подъемного движения в вертикальной трубе при

(Показывает соотношение скорости пароводяной смеси, полученной
для гомогенного потока, к действительной скорости пара).

Гомогенный поток (при равенстве
скоростей фаз)
Для реального потока :
при подъемном течении , ,

при опускном течении

(30)

(31)

- скорость подводящей смеси при равенстве скоростей фаз(для гомогенной модели)

(32)

(32а)