Критерии надежности естественной циркуляции

Как показывает опыт, в циркуляционном контуре возможно возникновение явлений, нарушающих работу контура естественной циркуляции и приводящих к ее срыву. Такие явления могут возникать как в подъемных, так и в опускных трубах.

К явлениям, приводящим к срыву ЕЦ в подъемных трубах, относят;

- Застой циркуляции;

- Опрокидывание циркуляции;

- Расслоение пароводяной смеси;

- Нарушение режимов предельной кратности циркуляции.

К явлениям, приводящим к срыву ЕЦ в опускных трубах, относят;

- Парообразование в обогреваемых опускных трубах;

- Кавитация в опускных трубах;

- Захват пара в опускные трубы;

- Падение давления пара в котле (вскипание воды в опускных трубах).

Wn « 0

Застоем циркуляции называется режим медленного движения воды в подъемной трубе вверх или вниз с кратностью циркуляции К ~ 1. При этом режиме воды в трубе практически неподвижна, а в ней медленно всплывают пузыри пара, которые могут скапливаться и застаиваться в некоторых участках труб. Режим движения воды в этом случае неустойчив, а скорость поступления воды в подъемную трубу w0 ~ 0 .

Опрокидыванием циркуляции называется такой режим, при котором в слабообогреваемых трубах среда начинает двигаться сверху вниз, т. е. подъемная труба начинает работать в режиме опускной.

Wn

В зависимости от скорости движения воды вниз, образующийся пар может подниматься вверх - режим опрокидывания с запариванием, или уноситься вместе с потоком воды вниз - полностью опрокинутое движение.

Исследования температурных режимов труб показали, что наиболее неблагоприятными являются режимы опрокидывания с запариванием.

Режимы застоя и опрокидывания ЕЦ характерны прежде всего для слабообогреваемых труб. Основными причинами, приводящими к застою и опрокидыванию циркуляции, являются;

-

Wn

Неравномерность нагрева подъемных труб;

- повышение сопротивления опуска;

- питание котла холодной водой (большой недогрев до кипения А/);

- интенсивное применение нижнего продувания.

Расслоение пароводяной смеси - это такой режим течения при движении в горизонтальных или слабонаклоненных трубах, при котором происходит хотя бы частичное осушение стенок в верхней части трубы.

Расслоение вызывает неравномерный теплоотвод по периметру трубы. Исследования показали, что расслоение пароводяной смеси возникает в трубах, расположенных с наклоном к горизонту < 15°.

Предотвратить расслоение пароводяной смеси можно следующими способами;

-

:=й=®:о:=^

Увеличением скорости движения среды в трубах с наклоном < 15 °;

- проектированием наклона подъемных труб (с учетом возможного крена судна) > 30° к горизонту.

Предельная кратность циркуляции;

В судовых паровых котлах и парогенераторах с ЕЦ одной из причин повышения температуры металла парообразующих труб является кризис теплообмена 2-го рода и сопутствующее ему накипеобразование.

Граничное паросодержание, при котором начинается ухудшенный теплообмен, составляет 0,5 и выше;

Xгp > 0,5

Чтобы обеспечить безнакипный режим работы парообразующих труб, паросодержание на выходе из любой трубы должно быть меньше граничного;

X; ^ ХГр

С учетом неравномерности обогрева подъемных труб и некоторого запаса по надежности, можно записать условие;

Х1 < 0,25

С учетом связи между паросодержанием и кратностью циркуляции, можно сформулировать условие надежности работы циркуляционного контура;

Кратность циркуляции в парообразующих трубах любого ряда в котлах с ЕЦ должна быть не ниже 4:

К > 4

Надежность работы подъемных труб значительно зависит от нормального режима работы опускных труб (величины АрОП). Снижение расхода воды через опускные трубы неизбежно приводит к пережогу

Подъемных труб. Основной причиной снижения величины Ооп является

Увеличение Apoп из-за наличия пара в опускных трубах.

Парообразование в опускных обогреваемых трубах; может произойти в том случае, если количество тепла, передаваемое опускным трубам продуктами сгорания, превысит величину недогрева до кипения в опускных трубах - А/оя .

Для предотвращения закипания воды в опускных трубах необходимо;

- непрерывно подавать в котел питательную воду;

- равномерно распределять питательную воду между опускными трубами;

- не допускать увеличения обогрева опускных труб.

В современных паровых котлах опускные трубы располагают, как правило, в необогреваемой зоне за экранным пучком труб.

Кавитацией в опускных трубах называется явление парообразования в них вследствие падения давления во входном сечении трубы ниже давления насыщения при данной температуре котловой воды.

Условия возникновения кавитации зависят от;

- уровня воды в паровом коллекторе над входом в опускные трубы;

- гидравлического сопротивления входного участка опускной трубы;

- недогрева воды до кипения А, в паровом коллекторе;

- Стабильности поддержания давления в котле или ПГ с ЕЦ.

Захват пара в опускные трубы может произойти как из парового, так и из водяного пространства парового коллектора.

Из парового пространства пар проникает в опускные трубы через образующиеся над входом в них вихревые воронки. Обычно образование воронок происходит при небольшой высоте слоя воды над опускными трубами.

Поэтому при определении минимального уровня воды в паровом коллекторе котла необходимо учитывать возможные крены и дифференты судна.

Явление захвата пара из водяного объема парового коллектора изучено недостаточно. Поток воды, идущий к опускным трубам, сносит некоторое количество пара в виде пузырей, не успевших выделиться из толщи воды.

Решающее влияние на унос пара оказывают;

- конструкция внутриколлекторных устройств;

- скорость потока воды, движущегося к опускным трубам;

- давление пара в котле;

- солесодержание котловой воды;

- недогрев воды до кипения А/ .

Вопрос

Основное влияние на эффективность тарелок любых конструкций оказывают гидродинамические условия их работы. Эти условия в значительной мере зависят от скорости газа и в существенно меньшей – от плотности орошения и физических свойств фаз. В зависимости от скорости газа различают три основных гидродинамических режима работы тарельчатых аппаратов: пузырьковый, пенный и струйный (или инжекционный). Эти режимы различаются структурой газожидкостного слоя на тарелке, которая в основном определяет его гидравлическое сопротивление, высоту и поверхность контакта на тарелке.

Барботажный режим. При низких скоростях газа пузырьки поднимаются независимо друг от друга в близком контакте. По мере увеличения скорости газа они деформируются и образуют ячеистую структуру. Дальнейшее увеличение нагрузок по газу приводит к турбулентному перемешиванию потоков. Следовательно, барботажный режим соответствует таким нагрузкам, когда газ распределен в жидкости (рис. 4.11).

Средний радиус сферического пузырька равен

 

,

 

где R₀ – радиус отверстия на тарелке, м; – поверхностное натяжение, Н/м; – плотности жидкости и газа, кг/м³.

 

Рис. 4.11. Схема движения потоков на барботажной тарелке и структура барботажного слоя: 1 – область струй; 2 – пенный слой

 

Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда его пузырьки, выходящие из прорезей или отверстий, сливаются в струи, которые вследствие сопротивления барботажного слоя разрушаются (на некотором расстоянии от места истечения) с образованием большого числа мелких пузырьков. При этом на тарелке образуется газожидкостная система – пена, которая является нестабильной и разрушается мгновенно после прекращения подачи газа. Основной поверхностью контакта фаз в такой системе является поверхность пузырьков, а также струй газа и капель жидкости над газожидкостной системой, которые образуются при разрушении пузырьков газа в момент их выхода из барботажного слоя. Поверхность контакта фаз при пенном режиме наибольшая, поэтому пенный режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых абсорберов.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что значительное количество вещества (до 75–100 %) передается на небольшом расстоянии от входа газа в слой жидкости, т.е. в газовых струях. Это явление получило название «входного эффекта» или активного участка.

Инжекционный режим. Дальнейшее увеличение нагрузок по газу приводит к тому, что непрерывной фазой становится газ, а дисперсной - жидкость. Структура дисперсной системы в инжекционном режиме характеризуется наличием значительных газовых пустот, подвижных агрегатов жидкости с мелкими пузырями и циркуляционными токами по высоте слоя. Характерной особенностью дисперсной системы в этом режиме является также наличие интенсивных пульсаций газосодержания и перепада давления в слое. Для инжекционного режима характерно также интенсивное обновление поверхности контакта фаз газовых агрегатов и исключительная устойчивость пузырей небольшого размера в агрегатах жидкости.

Гидродинамические режимы работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости газа. При низких скоростях газа жидкость на тарелке не задерживается, так как мала сила трения на поверхности контакта жидкости и газа.

При увеличении скорости газа наступает режим работы, который сопровождается резким увеличением гидравлического сопротивления из-за возникновения на тарелке слоя жидкости. При этом могут возникать ранее рассмотренные гидродинамические режимы. Верхней границей скорости является скорость захлебывания.

Для тарельчатых колонн со сливными устройствами характерна гидродинамическая неравномерность по длине тарелке, которая является следствием гидравлического сопротивления движению жидкости по длине тарелки. Эта неравномерность объясняется тем, что при движении жидкости по тарелке ее уровень повышается (например, из-за наличия колпачков или под действием перпендикулярного потока проходящего через жидкость газа), по длине пути движения жидкости возникает гидравлический градиент. Такое явление приводит к неравномерному распределению газа по площади тарелки: большая часть газа движется через часть тарелки, прилегающую к сливному порогу, где уровень жидкости ниже, что становится особенно заметно на тарелках больших диаметров, когда величина гидравлического градиента значительна. Для снижения гидравлического градиента в аппаратах большого диаметра (от 1–2 м и выше) уменьшают путь прохождения жидкости.

Характеристиками дисперсных или барботажных систем газ-жидкость в массообменных аппаратах являются: удельная поверхность контакта фаз, задержка жидкости, объемное газосодержание, относительная плотность и высота дисперсной системы и средний диаметр пузыря или капель. Из перечисленных характеристик первые две - основные, определяющие массопередачу и гидродинамику двухфазных течений.

Удельная поверхность контакта фаз рассчитывается обычно на единицу объема дисперсной системы (a_v) или на единицу поверхности контактного устройства (a_f). Задержка жидкости (h_ст) - это количество жидкости, удерживаемое в гетерогенной системе газ – жидкость. В аппаратах без фиксированной поверхности контакта фаз задержка жидкости определяется уровнем жидкости или высотой столба светлой жидкости. Газосодержание представляет собой отношение объема, занятого газом, к общему объему дисперсной системы. Плотность дисперсной системы обычно определяется по отношению к плотности чистой, невспененной жидкости. В аппаратах с поверхностью контакта, образуемой в процессе взаимодействия фаз, высота дисперсной системы H_Пявляется величиной переменной, в то время как в аппаратах с фиксированной поверхностью контакта фаз она совпадает с высотой аппарата. При усреднении диаметров пузырей или капель в дисперсных системах газ-жидкость обычно пользуются средним объемно-поверхностным диаметром.

Поток газа увлекает капли жидкости, а иногда и струи жидкости и уносит их с нижележащего контактного устройства на вышележащее.

При малоинтенсивных режимах взаимодействия фаз унос жидкости по массе состоит в основном из мелких витающих капель, размеры которых при максимальной плотности вероятности их распределения для систем с поверхностным натяжением жидкости порядка (5¸10)×10^-3 Н/м составляют 5–10 мкм. С увеличением нагрузки по газу заметно увеличивается доля крупных капель в массовом уносе жидкости и размеры их с максимальной плотностью вероятности распределения для систем с поверхностным натяжением жидкости (20¸40)×10^-3 Н/м достигают уже 3–6 мм.

Количество жидкости, увлекаемое потоком газа, зависит от способа взаимодействия фаз, т.е. главным образом от конструкции контактного устройства, гидродинамического режима движения потоков и физических свойств газожидкостной системы.

Из-за сложности и недостаточной изученности механизма увлечения жидкости потоком газа даже в простейших условиях взаимодействия фаз, например при пленочном течении жидкости или барботаже, в настоящее время для обобщения опытных данных используют только эмпирические зависимости. При этом опытные данные, как правило, получают в результате испытания разных конструкций контактных устройств на гидродинамических моделях, т.е. в условиях без массопередачи.

Различают минимальную и максимальную предельные нагрузки по газу и жидкости, отвечающие началу и прекращению устойчивой и эффективной работы контактных устройств соответственно или резкой смене гидродинамических режимов движения потоков. При минимальных предельных нагрузках на контактных устройствах с переливами прекращается значительный провал жидкости на нижележащую тарелку, а на провальных тарелках образуется устойчивый барботажный слой и в насадке интенсивно накапливается жидкость.

Максимальные предельные нагрузки для всех типов контактных устройств соответствуют захлебыванию или чрезмерному межтарельчатому уносу жидкости. Экспериментальное изучение гидродинамики потоков в массообменных аппаратах и обобщение обширного материала по эксплуатации промышленных колонн показывают, что предельные нагрузки для колонн, работающих под атмосферным или повышенным давлениях, определяются обычно захлебыванием тарелок, а для вакуумных колонн - чрезмерным межтарельчатым уносом жидкости.

Вопрос