Гидродинамика парогенераторов с естественной циркуляцией. Схема расчета циркуляции.

Принципиальные схемы организации движения воды, пароводяной смеси и пара в котлах приведены на рис. 10.7.

В котлах с естественной циркуляцией (рис. 10.7, а) движение воды и пароводяной смеси в испарительной системе осуществляется за счет давления, создаваемого разностью массы столба воды в опускных трубах и столба пароводяной смеси в обогреваемых подъемных трубах системы. При этом кратность циркуляции к = Gц/D, т. е. отношение массы воды, циркулирующей в системе за единицу времени, к массе вырабатываемого пара за то же время, составляет 15—100. Движение воды в экономайзере в этих котлах осуществляется при помощи питательного насоса, а пара в пароперегревателях— за счет разницы давлений в барабане котла и паропроводе за котлом.

Схема расчета циркуляции. Целью расчета циркуляции в испарительной системе котла является определение скорости воды и пароводяной смеси. Испарительные системы состоят из ряда параллельно включенных элементов, объединяемых коллекторами и барабанами. Циркуляционные контуры могут иметь последовательное или параллельное соединение отдельных обогреваемых участков. Для контуров с последовательным включением участков полезное давление контура при циркулирующем в нем количестве воды G_ц равен

(10.40)

Для контуров с параллельно включенными участками, например для испарительных поверхностей нагрева экрана с несколькими рядами труб, объединенных общим колектором и барабаном (рис. 10.9), в каждом ряду устанавливается одинаковое полезное давление с общим количеством циркулирующей воды

G_Ц = G_Ц1 + G_Ц2 + G_ЦЗ+... (10.41)

Определить Gц в контуре можно по скорости циркуляции во входных участках подъемных труб, которые равны w₀, и их сечению. Следовательно, в начале расчета необходимо знать скорость циркуляции w₀, определение которой является итоговой целью расчета. Поэтому в начале расчета данного контура приходится ориентировочно задавать­ся несколькими значениями скорости циркуляции и далее строить гидравлические характеристики при этих значениях w₀, по которым графически и определяется истинное значение w₀ в данном контуре.

Увеличение скорости циркуляции w₀ приводит к уменьшению полезного давления, так как увеличивается сопротивление опускных труб и снижается объемное паросодержание φ в них. Для циркуляционного контура, представленного на рис. 10.9, для принятых трех величин w₀ определяют три значения S_пол по формуле (10.26)

и ∆ р по формуле (10.20),

затем строят гидравлические характеристики контура — зависимости S_пол и ∆ р_оп от значений G, определяемых по данному значению w₀ (рис. 10.10). На пересечении кривых находится расчетная точка А, для которой S_пол =∆ р_оп - Эта точка соответствует истинному значению G и истинному полезному давлению контура. По истинному значению G определяются действительная скорость циркуляции w₀ и кратность циркуляции контура к, кг/кг,

к = Gц/D (10.42)

С увеличением тепловой нагрузки кратность циркуляции уменьшается.

Для испарительного пучка, состоящего, например, из трех рядов труб (рис. 10.11), определяется S_пол и ∆ р_оп для трех принятых значений w₀ и строятся гидравлические ха­рактеристики для каждого ряда труб. Затем, складывая Gц для одинаковых значений S_пол отдельных рядов, строят суммарную кривую S_пол ^сумм. Расчетная точка А находится на пересечении кривых S_пол ^сумм и ∆ р_оп, причем ∆ р_оп одинаково для всех рядов труб, так как они соединяются общим кол­лектором и барабаном. Пересечение прямой, проведенной из точки А параллельно оси абсцисс, с кривыми полезных давлений для каждого ряда определяет расходы воды, циркулирующей через каждый ряд труб пучка. Зная Gц1, Gц2, Gц3, находят скорость циркуляции в каждом ряду труб и общую кратность циркуляции.

При уменьшении нагрузки котла кратность циркуляции возрастает, так как движущее давление уменьшается в меньшей степенн, чем сопротивление опускных труб. При паропроизводительности котла, равной 50 % номинальной, кратность циркуляции возрастает примерно в 1, 6 раза.

После определения расходов G_u в отдельных контурах и их элементах следует провести проверку правильности предварительно принятых в расчете скоростей циркуляции, расходов воды и сопротивлений, а также недогрева воды в барабане котла. Недостаточная кратность циркуляции указывает на большое сопротивление опускных труб кон­тура и необходимость его уменьшения.

Надежность циркуляции. При однофазном потоке па­дежное охлаждение обогреваемых труб обеспечивается устойчивым движением среды при скорости, определяющей необходимое значение α ₂. При двухфазном потоке для хо­рошей теплоотдачи от стенок труб необходимо непрерыв­ное смачивание металла водой. Наличие непрерывно теку­щей водяной пленки па стенке испарительной трубы со­храняется при пузырьковой структуре двухфазного потока. Такая структура потока возникает при определенном пре­дельном паросодержании х_кр и удельном тепловом потоке q_пр. Например, при давлении 10—14 1МПа и плотности теп­лового потока q =700 кВт/м², х_пр = 0, 5.

При высоком паросодержании и больших тепловых на­грузках возникает эмульсионная структура потока, при ко­торой водяная пленка на поверхности трубы уменьшается и срывается. В этом случае необходимое значение α ₂ мо­жет быть обеспечено за счет высоких скоростей потока.

Выполнение требований надежного охлаждения различ­ных поверхностей нагрева усложняется гидравлической и тепловой неравномерностью работы параллельно вклю­ченных труб, связанных с рядом их конструктивных осо­бенностей и условий эксплуатации. В котлах с естествен­ной циркуляцией при относительно малом паросодержании пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева основной причиной перегрева труб являются нарушения нормального гидравлического режима.

11 Сжигание газообразного топлива.

Общие положение

Основными горючими составляющими большинства газообразных топлив являются оксид углерода СО, водород Н₂, метан СН₄ и — значительно реже — высокомолекулярные углеводороды С_nН_m.

При расчетах горения газообразного топлива обычно используют результативные реакции соединения горючих составляющих топлива и окислителя. Эти реакции дают представление только о конечных результатах сгорания отдельных составляющих топлива, не отражая фактического хода процесса горения. В действи­тельности механизм горения газа более сложен и характеризуется наличием ряда промежуточных химических преобразований, протекающих в определенных физических условиях. Напомним, что горение основных составляющих газов протекает по разветвленным цепным реакциям.

Суммарная скорость реакции горения водорода определяется зависимостью, характерной для реакции Н+О₂→ ОН+О, протекающей медленнее других:

(4.1),

где Сн С_О2, — концентрации атомарного водорода и молекулярного кислорода; k — константа скорости химической реакции.

Скорость реакции горения оксида углерода выражается зависимостью

, (4.2)

где С со—концентрация СО в зоне реагирования; Сн₂ о — начальная концентрация водяных паров в смеси.

Скорость реакции цепного горения метана СН₄ и других углеводородов также зависит от концентрации в зоне реагирования атомарного водорода, кислорода и водяных паров.

Полнота, интенсивность и устойчивость горения газов в первую очередь зависят от физических факторов—температуры и условий смешения горючего с окислителем. Повышение температуры газовоздушной смеси согласно закону Аррениуса вызывает увеличение скорости реакции и определяет тепловыделение, пропорциональное величине e^-E/RT. Еслитеплопотери зоны горения, связанные с теплообменом с окружающей средой, превышают тепловыде­ление, то горение невозможно. Для отдельных горючих газов и газообразных топлив имеется температура воспламенения, существенно зависящая от условий протекания процесса (теплоотдачи). Температура воспламенения водорода составляет 410—630, оксида углерода 610—660, метана 630—790 °С. Температура воспламенения природного и доменного газов около 530°С.

Газовоздушные (газокислородные) смеси при некоторых соотношениях газа и окислителя не горят. Для каждого конкретного горючего газа имеется нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени, зависящие от ряда факторов (температуры, давления, содержания примесей и т.п.). Для Н₂ в газовоздушной смеси они равны соответственно 4 и 74, 2 %; для СО — 12, 5 и 74, 2 %, для СН, — 5 и 15 % (при температуре 20 °С).

Обогащение воздуха кислородом, используемым для горения газа, расширяет концентрационные пределы воспламенения. Так, для водорода в смеси с кислородом пределы воспламенения 4, 65—93, 9, для оксида углерода — 15, 5—93, 9, для метана —5, 4 — 59, 2 %.

Повышение температуры смеси расширяет концентрационные пределы воспламенения и увеличивает скорость распространения пламени.

Влияние температуры на процесс воспламенения и интенсивность горения газов дает возможность сделать следующие практические выводы:

1) температура в топке котла должна быть выше температуры воспламенения горючей смеси, в противном случае горение будет неустойчивым;

2) предварительный нагрев горючей смеси (компонентов горения) ускоряет зажигание и интенсифицирует процесс горения.

На интенсивность и полноту горения, а также на характеристику факела (размеры, светимость, температурный уровень) первостепенное влияние оказывает фактор смешения газового топлива с окислителем. При недостаточном перемешивании горючего газа с воздухом окислительные реакции тормозятся. При этом возможно появлениепродуктов неполного горения (химический недожог), а при сжигании углеводородистых газов также и продуктов их термического разложения. Устранение химической неполноты горения при плохом перемешивании требует увеличения коэффициента избытка воздуха в топке а_т, что приводит к увеличению потери теплоты с уходящими газами.

В зависимости от способа подачи в топочную камеругазов и воздуха (окислителя) и условии их смешения различают следующие варианты организации процесса горения (рис. 4.1): с внешним (после горелки) смешением газа и воздуха (рис. 4.1, а), условно называемым диффузионным принципом горения; с полным предварительным (в горелке) смешением с образованием однородной смеси (рис. 4.1, 6), условно называемым кинетическим принципом горения; с неполным предварительным смешением без образования однородной смеси (рис. 4.1, а) и с частичным предварительным смешением с образованием однородной смеси, но с недостатком окислителя в начальной смеси (рис. 4.1, г); последние два случая организации процесса горения газа относятся к смешанному диффузионно-кинетическому принципу горения.

В зависимости от относительного содержания так называемого первичного воздуха в начальной хорошо перемешанной газовоздушной смеси α =V_cм/V_в (отношение количества воздуха в смеси к теоретически необходимому для горения) можно осуществить сжигание по одной из указанных схем. Так, при α = 0 имеет место диффузионное, при α ≥ 1 — кинетическое, а при α < 1—смешанное диффузионно-кинетическое горение. Смешанное горение происходит и при α > 1, но при недостаточно эффективном перемешивании.

Содержание воздуха в исходной газовоздушной смеси оказывает существенное влияние на пределы устойчивости работы горелки. Нормальная ее работа характеризуется устойчивым факелом, стабилизировавшимся в определенном объеме и не изменяющим своего пространственного расположения. Неустойчивая работа горелки связана с возможными явлениями пульсационного затягивания (проскоком) пламени в горелку или, наоборот, с отрывом пламени.

На рис. 4.2 показаны примерные границы устойчивости пламени в зависимости от α и скорости газовоздушной смеси на выходе из горелки. Нижний предел устойчивого горения изменяется по кривой, напоминающей кривую изменения скорости горения в зависимости от концентрации газовоздушной смеси. Верхний предел устойчивого горения с увеличением а круто снижается. Таким образом, горение оказывается устойчивым в широком диапазоне скоростей лишь при малом количестве первичного воздуха в исходной горючей смеси. Устойчивость горения в этом случае связана с хорошим источником воспламенения — диффузионным факелом, возникающим в камере при горении газа за счет вторичного воздуха.

С увеличением α пределы устойчивого горения сокращаются, так как влияние диффузионного фронта воспламенения уменьшается. При α =1 диффузионное горение вообще отсутствует и горение смеси устойчиво лишь в весьма узких пределах. Чтобы в этих условиях предотвратить отрыв пламени от горелки, стремятся повысить температурный уровень в зоне горения для обеспечения непрерывного воспламенения газовоздушной смеси. Последнее, например, решается путем установки керамических туннелей между горелкой и топкой, а также путем осуществления меро­приятий, обеспечивающих подсос раскаленных продуктов горения к корню факела. С увеличением диаметра горелки увеличивается возможность проскока пламени в горелку.

В зависимости от организации процесса сжигание газа может осуществляться в коротком или длинном факеле. Если газ и окислитель подаются в топочную камеру раздельно, то сгорание газа может происходить в растянутом факеле по мере смешения газа с воздухом. Факел при этом часто получается светящимся (при сжигании газа с большим содержанием С_nН_m и местном недостатке воздуха). При сжигании предварительно приготовленной газовоздушной смеси факел получается коротким, несветящимся. При этом значительно повышается полнота горения и уменьшается потребный избыток воздуха.

Процесс смешения горючего с окислителем оказывает, таким образом, определяющее влияние па характер горения газов.

Из изложенного следует, что условиями рационального сжигания газообразного топлива являются:

1) хорошее (желательно предварительное, до топки) перемешивание газа с окислителем;

2) повышение температурного уровня процесса, что достигается подогревом компонентов горения, а также снижением (в определенных пределах) коэффициента избытка воздуха, приводящими к увеличению скорости распространения пламени;

3) создание хороших очагов воспламенения и стабилизации горения, что достигается подсасыванием в корень факела горячих продуктов горения и воздействием раскаленнойобмуровки на факел;

4) увеличение поверхности фронта горения, что достигается турбулизацией факела и делением газовоздушной струи на ряд мелких потоков.

Топки. Классификация горелок для газообразного топлива.

Газообразное топливо сжигается в камерных топках. Если сжигаются только газы (или вместе с жидким топливом), камера может иметь очертания, показанные на рис. 4.3, а. При сжигании газа совместно с угольной пылью в нижней части топочной камеры предусматривается воронка для удаления твердых очаговых остатков, выпадающих из горящего факела (рис. 4.3, 6).

В топочную камеру газ и окислитель подаются через горелки. Назначением горелки, кроме ввода в топку необходимых для достижения заданной производительности агрегата количеств газа и окислителя, является организация смесеобразования и создание у ее устья устойчивого фронта воспламенения для зажигания выходящей из горелки газовой смеси.

Для сжигания газов применяется большое число различных типов горелок, отличающихся как по принципу работы, так и по конструктивному оформлению. Существующий парк промышленных горелочных устройств имеет в настоящее время более 1, 5 млн единиц не менее 250 типов.

По способу организации перемешивания компонентов горения горелки можно разделить на горелки без предварительного смешения, горелки с полным предварительным смешением, горелки с неполным предварительным смешениеми горелки с частичным предварительным смешением.

Горелки без предварительного смешения и с частичным предварительным смешением, а также горелки с неполным предварительным смешением при сжигании газов, содержащих углеводороды, дают растянутый видимый светящийся факел Более длинный факел характерен для горелок без предварительного смешения. Горелки, дающие при работе видимый факел, называют факельными Горелки с полным предварительным смешением газа и окислителя дают очень короткий невидимый факел. Такие горелки условно называют беспламенными.

Горелки иногда классифицируют и по другим признакам Так, по способу подачи воздухагорелки делят на две группы с принудительной подачей воздуха от вентилятора и с подачей воздуха путем эжектирования его газовой струей или за счет разрежения в топке. В свою очередь горелки с принудительной подачей воздуха от вентилятора (дутьевые горелки) по характеру истекающих потоков делятся на прямоточные и вихревые. В прямоточных горелках структура факела зависит от формы устья горелки, которая может быть прямоугольной, щелевой или круглой. Вихревые горелки могут быть с простым тангенциальным, с улиточным тангенциальным, а также с лопаточным тангенциальным или аксиальным подводами воздуха.

По способу регулирования крутки потока применяют горелки с изменением сечения входного патрубка или живого сечения лопаточных завихрителей, с изменением угла наклона лопаток, с перепуском части воздушного потока мимо завихрителей. Способ подвода воздуха в дутьевых горелках оказывает решающее влияние на форму факела и угол его раскрытия, размеры зон рециркуляции газов, интенсивность турбулентного перемешивания и т.п.

По давлению газа горелки можно разделить на горелки низкого давления (перепад давления в горелке до 500 Па), среднего давления (до критического перепада давлений) и высокого давления (сверхкритического перепада давлений).

По скорости истечения продуктов сгорания из горелки их можно разделить на горелки с низкой (около 5 м/с), средней (около 20 м/с) и высокой (около 100 м/с) скоростью истечения.

Различают горелки ипо степени автоматизации их управления— горелки с ручным управлением, полуавтоматические, автоматические.

Для котлов малой производительности, а также для отопительных установок находят применение однопроводные инжекционные горелки (атмосферные горелки) частичного и полного смешения. Инжекционные горелки, работающие на газе среднего давления, обеспечивают полное перемешивание газа и воздуха в смесителе и сжигание газа при небольших избытках воздуха. Недостатками таких горелок являются значительные их размеры и шум при работе.

Наибольшее применение в котельных установках нашли рассматриваемые далее дутьевые горелки с принудительной подачей воздуха и газа.