Криволинейные каналы.

Трубная система поверхностей нагрева паровых котлов и па­рогенераторов, кроме прямолинейных элемен­тов, содержит большое количество криволи­нейных участков в виде трубной системы ци­линдрических циклонных предтопков, витых трубных пакетов парогенераторов АЭС, гибов труб многоходовых панелей топочных экра­нов, гибов труб у амбразур горелочных уст­ройств, лючков и др.

Отличительной особенностью движения жидкости в криволинейных каналах являют­ся центробежные силы, направленные от вну­тренней образующей гиба к наружной. Под действием этих сил жидкость, находящаяся в ядре потока, как более плотная и потому обладающая большей кинетической энергией, отжимается к наружной образующей гиба, вытесняя при этом жидкость с меньшей плот­ностью. Вытесненная жидкость, двигаясь сим­метрично вдоль боковых стенок канала, посту­пает к внутренней образующей гиба. Жид­кость, поступающая из ядра потока, теряет часть своей энергии на трение вблизи стенки и непрерывно вытесняется новыми порциями из ядра потока. Следовательно, в криволиней­ных каналах, кроме основного осевого по­тока жидкости, возникает еще поперечное движение двух встречных симметричных вих­рей— вторичная циркуляция (рис. 10.7).

Наличие двух симметричных вихрей, на­правленных навстречу друг другу, приводит к образованию у внутренней образующей ги­ба узкой полоски поверхности с сравнительно менее активным охлаждением, что заметно ухудшает теплоотдачу в этой локальной зоне.

Гидравлическое сопротивление в криволи­нейном канале при прочих равных условиях больше, чем для прямой трубы; объясняется это усилением обмена энергией в поперечном сечении потока, вызванного поперечной цир­куляцией жидкости.

Критическое число Рейнольдса , отве­чающее переходу ламинарного движения в турбулентное, для криволинейных каналов также выше, чем для прямых труб, причем эта разница тем ощутимее, чем больше отношение , т. е. больше кри­визна.

Вторичная циркуля­ция в целом интенсифи­цирует теплообмен. Вме­сте с тем она создает та­кое распределение ско­ростей и плотностей жид­кости в поперечном се­ чении канала, которое

 

 

 

 

вызывает неравномерный теплообмен по его периметру. Ухудшение теплообмена, а сле­довательно, и ухудшение температурного ре­жима наблюдается на внутренней образую­щей гиба; на наружной образующей условия теплоотдачи лучше, а температура стенки ниже.

На рис. 10.8 показаны поля воспринятой теплоты по наружной поверхности при одно­стороннем обогреве применительно к услови­ям работы топочных экранов для сечений труб двух типов: гладкой и плавниковой с симме­тричными плавниками. Из рис. 10.8 следует, что, несмотря на различие в распределении тепловых потоков по периметрам гладкой и плавниковых труб, тепловая нагрузка в окрестности лобовой точки у них примерно одинакова. Различие в тепловой нагрузке по периметру у обеих труб приводит к растечке теплоты по металлу от лобовой зоны, где теп­ловая нагрузка выше, к тыльной части, где она существенно ниже. У плавниковой трубы, кроме того, теплота перетекает вдоль плавни­ка— от вершины к его основанию (корню). В результате тепловая нагрузка под корнем плавника существенно возрастает и при опре­деленных условиях температура в этой зоне поперечного сечения может оказаться больше, чем на лобовой стенке.

Для надежной работы металла важно, что­бы отвод теплоты от поверхности нагрева про­текал при приемлемой температуре стенки, т. е. температуре, допускающей длительную нормальную работу металла. Под расчетной температурой металла труб t_CT понимается наибольшее местное значение температуры стенки, вычисленное с учетом неравномерно-стей тепловосприятия по сечению газохода и периметру трубы, растечки теплоты по стен­ке, гидравлической и конструктивной нетож­дественности змеевиков.

Рис. 10.8. Тепловые поля в экранной трубе. а — гладкая; б — плавниковая; / — эпюра подводимого тепла.

Гладкие трубы. При равномерном тепловом поле трубы температура стенки на ее вну­тренней стороне зависит от температуры ра­бочей среды интенсивности обогрева(на внутренней поверхности ), коэффици-циента теплоотдачи от внутренней стенки к рабочей средеи в отсутствие внутренних отложений определяется по формуле

 

В основу расчета длительной прочности труб принимается средняя по толщине темпе­ратура металла стенки

.

Температура наружной поверхности стен­ки трубы выше средней. Она служит для оценки вероятности окалинообразования. С учетом термического сопротивления стенки для равномерно обогреваемой по всему пери­метру трубы она определяется по формуле

Кроме известных уже величин, здесь -толщина и теплопроводность стенки; — отношение наружного диаметра трубы к внутреннему.

Для работы металла при заданном зна­чении наиболее неблагоприятно сочетание высокой температуры рабочей среды и интен­сивного обогрева. Поэтому при оценке надеж­ности работы металла поверхностей нагрева проверяют температуру стенки при различных сочетанияхи, имеющих место в каждой конкретной конструкции.

Температурное поле может быть неодина­ковым по периметру поперечного сечения, если неравномерен подвод теплоты к наружной поверхности (односторонний обогрев топоч­ных экранов, поперечное обтекание труб кон­вективных поверхностей) или неравномерный отвод теплоты от внутренней поверхности (расслоение потока по фазам при ДКД или! по плотности при СКД). Неравномерное поле температуры в поперечном сечении канала приводит к растечке теплоты по стенке от участков с наибольшей температурой к участ­кам, где температура металла ниже. С учетом растечки теплоты формула приобретает вил-

,

где —тепловая нагрузка в точке максимального тепловыделения; — коэффициент растечки (перетока) теплоты по сеченик: трубы.

Под коэффициентом растечки в данной точке трубы понимают отношение истинной

 

 

температуры к температуре, которая была бы при равномерном обогреве трубы тепло­вым потоком

Наиболее существенна неравномерность температурного поля в горизонтальных тру­бах при ДКД и трубах любой ориентации, работающих в зоне больших теплоемкостей рабочей среды при СКД.

При СКД в сравнительно узком диапазоне температуры происходит весьма существенное изменение теплофизических свойств рабочей среды (рис. 9.6). В условиях обогрева верти­кальных труб это приводит к градиенту плот­ности по радиусу с образованием области меньшей плотности и теплопроводности, при­мыкающей к теплообменной поверхности, где температура выше. По этой причине снижа­ется интенсивность теплоотдачи и ухудшается температурный режим поверхности нагрева.

В горизонтальных трубах диаметром более 15—20 мм даже в условиях равномерного обо­грева по периметру внутренний теплообмен в верхней части намного хуже, чем в нижней, что обусловлено асимметрией потока смеси вследствие влияния гравитационных сил. По­этому диапазон ухудшенного теплообмена в горизонтальных трубах больше, чем верти­кальных. В наклонных трубах даже при рав­номерном обогреве по периметру при опреде­ленных условиях также может возникнуть несимметричное течение двухфазного потока, приводящее к ухудшению теплоотдачи в верх­ней части трубы. Поэтому в наклонных тру­бах область ухудшенного теплообмена больше по сравнению с вертикальными, но меньше, чем в горизонтальных.

Рис. 10.9. Перегрев верхней образующей горизонтальной трубы по сравнению с нижней при расслоенном режиме течения.

При ДКД и расслоенном режиме течения теплообмен несимметричен и температуры сте­нок верхней и нижней образующих трубы раз­личны (рис. 10.9). Он у верхней образущей трубы хуже, чем у нижней, где темпе-

Рис.10.10. Отношение при СКД

 

ратура стенки близка к температуре на­сыщения. Это связано с режимами течения двухфазного потока в горизонтальных трубах, в которых под воздействием гравитационных сил поток расслаивается (см. § 9.3). Обра­зующиеся при расслоении волны периодиче­ски захлестывают перегретую стенку. Повто­ряющиеся всплески воды вызывают резкое охлаждение. Переменная температура приво­дит к повреждениям усталостного характера. Поэтому в котлах с естественной циркуляцией, характеризующихся малой скоростью по­тока в парообразующих трубах, горизонталь­ные трубы не обогревают. В прямоточных кот­лах скорость потока существенно выше и потому в широком диапазоне нагрузок рас­слоение не возникает.

Перегрезверхней образующей трубы по сравнению с нижней при расслоении не­сколько уменьшается из-за растечки (пере­тока) теплоты по сечению трубы с увеличе­нием толщины стенки и ее теплопроводности.

При СКД в горизонтальных трубах рабо­чая среда расслаивается по плотности в вер­тикальном направлении. Поэтому при прочих равных условиях температура стенки верхней образующей трубы больше температуры стен­ки вертикальной трубы. Отношениезависит от энтальпии потока и параметра (рис. 10.10).

Плавниковые трубы. Ранее уже отмечалось, что при одинаковых условиях обогрева тепло­вая нагрузка в окрестности лобовой точки гладкой и плавниковой труб примерно одина­кова. Это позволяет вести расчет температу­ры стенки лобовой образующей плавниковых труб топочных экранов (односторонний и оди­наковый обогрев параллельных труб) так же, как и для гладких труб.

Для оценки надежности важно знать тем­пературу металла в вершине плавника, кото­рая по данным применительно к симме­тричному полю температур (одинаковый диа­метр свариваемых труб; температуры среды и коэффициенты теплоотдачиу обеих труб одинаковы) записывается в виде

 

 

Коэффициент учета влияния сварных швов определяется по справочным данным. Пе­репад температур между корнем и вершиной плавника

Коэффициент формы плавникаучитыва­ет влияние геометрических характеристик (определяется по справочным данным).

Температура в корне плавника настенного топочного экрана записывается так

Температура в корне плавника двусветного экрана

По условиям обеспечения необходимой массовой скорости потока часто применяются многоходовые гидравлические системы в виде отдельных панелей или секций, через которые рабочая среда проходит, последовательно по­вышая свою энтальпию и температуру. Вместе с тем по отношению к теплоносителю (про­дуктам сгорания) эти панели располагаются параллельно и получают практически одина­ковое количество теплоты. В этих условиях возникает несимметричное поле температур крайних труб соседних панелей. Если эти тру­бы свариваются между собой, как это имеет место в газоплотных экранах, то в них возни­кают значительные температурные напряже­ния из-за разности температур стыкуемых плавников. Эти напряжения могут явиться причиной повреждения свариваемых панелей.

Для газоплотных экранов с тепловой асим­метрией возникает задача о распределении температуры в мембранной панели. Для реше­ния такой задачи применяют принцип супер­позиции: при сложении внешних воздействий складываются и результаты от этих воздейст­вий. Количество теплоты, воспринимаемой плавниковой трубой, складывается из двух составляющих: количества теплоты на цилин­дрическом участке (от лобовой точки до кор­ня плавника) и в плавнике. В каждом из этих участков создается свое индивидуальное поле температур, а их суммирование образует тем­пературное поле плавниковой трубы.

При решении задачи в условиях тепловой симметрии (рис. 10.11,а) предполагается, что количество теплоты, воспринимаемой пере­мычкой, распределяется между трубами по­ровну, а максимум температуры находится на ее середине. При тепловой асимметрии (рис. 10.11,б) максимум температуры сдвинут в сторону трубы с меньшим температурным

Рис. 10.11. Распределение температуры в перемычке в условиях тепловой симметрии(а) и асимметрии(б).

уровнем и распределение теплоты между тру­бами с общей перемычкой будет неодинако­вым. Эта теплота между трубами распреде­лится пропорционально длинам отрезков пе­ремычки, на которые она делится точкой мак­симума температуры: для трубы с более высоким уровнем температуры длина, для трубы с меньшей температурой В соответствии с принятой терминологией — коэффициент смещенности максимума температуры. Расчет коэффициента смещен­ности приводится в специальной литературе .

Температурный режим плавниковой трубы определяется ее тепловыми и геометрическими параметрами. Характерные температурные по­ля показаны в виде избыточных температур (рис. 10.12), т. е. разностей температур ме­талла и среды по развертке половины трубы. Для всех зависимостей характерно, что тем­пература в лобовой зоне трубы и на вершине плавника имеет наибольшие значения. Меж­ду ними температура монотонно убывает от лобовой точки к плавнику. У края плавника температура существенно повышается, а по мере приближения к тыльной зоне трубы убывает.