Котельные установки и парогенераторы Кризисы теплообмена в трубах Лекция № 5

теплоотдачу влияют режимные параметры (

, ), теплофизические свойства рабочей среды ( , , и др. ),
структура потока , геометрические характеристики канала и его пространственное положение , конструктивные особенности выполнения ( интенсификаторы теплообмена, изгибы и др. ).

В прямоточном котле структура пароводяного потока постепенно изменяется по длине канала и при достижении кризиса теплообмена происходит увеличение температуры стенки трубы.
В барабанном котле испаряется часть жидкости, структура потока и содержание пара
в испарительной части контура определяются кратностью циркуляции.



Решаемая задача: установить параметры возникновения кризиса теплообмена с целью его устранения в барабанных котлах и сведения в прямоточных к допустимым пределам его отрицательного воздействия.

кризисом;
3-3 – сечение после кризиса.

а) поток сильно недогретой жидкости;
б)

пузырьковый режим течения;
в) дисперсно-кольцевой (начало кризиса);
г) дисперсный режим

- критический тепловой поток

критическое паросодержание
истинное паросодержание

АВ – зона кризиса 1-ого рода
ВД – зона кризиса 2-ого рода
без орошения ( ~ const )
ВЕ –зона кризиса 2-го рода с
орошением ( )
ВG – кризис 2-го рода с
интенсивным орошением
Д(Е)F - зона кризиса с орошением

- граничное паросодержание

нарушается устойчивость двухфазного пограничного слоя :
движущийся от стенки поток

пара препятствует поступлению жидкости к стенке,
в результате этого на стенке вместо слоя жидкости образуется паровая пленка.
Две разновидности кризиса первого рода:
в недогретой жидкости ( , температура жидкости меньше температуры насыщения при данном давлении)
в полностью прогретой жидкости ( , температура жидкости достигла температуры насыщения при данном давлении)
Кризис второго рода – кризис теплообмена при дисперсно-кольцевом режиме:
происходит полное высыхание жидкой пленки, прилегающей к стенке трубы.
Две разновидности кризиса второго рода:
без орошения ( происходит при постоянном граничном паросодержании)
с орошением каплями из потока ( происходит при более высоком паросодержании с «задержкой»)
Кризис орошения – кризис при отсутствии падающих капель на поверхность нагрева.

Зависимость критического теплового потока от паросодержания и недогрева при кипении

воды в трубе диаметром 8 мм при давлении 16 МПа:

- граница перехода кризиса первого рода в кризис второго рода

≤ 0,8 МВт

Пульсационный режим (!!!):

Пульсации расхода в параллельных трубах приводят к пульсациям в них паросодержания.

Пульсационные режимы не допускаются , т.к. при этом реальное значение критического теплового потока может уменьшиться в 5 раз

(1)
- уменьшение поверхности нагрева, но повышение вероятности выхода
на

кризис теплообмена какого-то элемента теплообменной поверхности

Рис. Зависимость скачка температуры
на стенке в момент наступления кризов теплообмена ( р=14,7 МПа):
а) первого рода
б) второго рода

Способы уменьшения :
снижение теплового потока ( переход из зоны кризиса 1-го рода в зону кризиса 2-го рода);
увеличение массовой скорости потока ( увеличение затрат на прокачку теплоносителя )

заранее известны:
конструкция поверхностей нагрева
(материал, количество труб и их

размеры)
средняя массовая скорость
средняя расчетная плотность теплового потока и ее распределение по длине и ширине
давление среды
энтальпия на входе и выходе

- допустимые значения теплового потока

(2)

АВС – с учетом поправок на неравномерность обогрева по периметру и диаметр трубы

- коэффициент запаса до кризиса теплообмена

(3)

воды на входе в отдельные трубы (

)

неравномерность тепловосприятия между стенками топки , по высоте топки , по ширине стены топки

неравномерность расхода среды по трубам (гидравлическая разверка ), конструктивная нетождественность труб

погрешности расчета

отклонение фактического тепловосприятия от расчетного

отклонение реальной мощности парового котла от расчетной

отклонение мощности парового котла из-за колебаний нагрузки на турбогенераторе

- величины минимального запаса до кризиса теплообмена

(3)

- условие выбора запаса до кризиса теплообмена

(4)

между стенкой трубы и средой не превышает 80°С.
Рис. Массовые скорости

потока среды, обеспечивающие разность температур
между стенкой и водой до 80°С.

Давление в трубе:

– 3,9 МПа
– 9,8 Мпа
– 14,7 МПа
– 17,6 Мпа
5 - 19,6 МПа

жидкости
(5)
Экономайзерная зона (от температуры воды на входе до начала

кипения):

Зона поверхностного кипения (кипение воды, недогретой до температуры насыщения)

суперпозиция кипения в большом
объеме и конвективного теплообмена

(6)

- коэффициент теплоотдачи при развитом кипении в большом объеме

Зона развитого кипения (пузырьковый, снарядный, эмульсионный, дисперсно-кольцевой, кольцевой режимы кипения – до кризиса теплообмена)

В зоне развитого кипения температура стенки на несколько градусов выше, чем в потоке среды.

(7)

и параметры

определены для насыщенного пара , а при температуре стенки.

Минимальные значения в сечении кризиса ( = мах; < 80°C).
Далее в закризисной зоне по длине трубы коэффициент теплоотдачи растет , но температура стенки при этом уменьшается незначительно. Минимальная температура стенки в закризисной зоне будет в конце области двухфазного потока и начала перегрева пара в ядре потока.
Расчет теплообмена в закризисной зоне можно производить по (8) для
Увеличение приводит к росту , и снижению , но увеличивает гидравлическое сопротивление канала.