Особенности температурного режима горизонтальных труб, криволинейных труб и каналов и газоплотных экранов.

Горизонтальные и слабонаклонные трубы используются в экономайзерах и пароперегревателях, расположенных в конвективной шахте, в радиационных поверхностях прямоточных котлов.

При движении пароводяной смеси с относительно низкой скоростью в горизонтальных трубах большого диаметра возможны режимы течения (слоистый, волновой, поршневой), при которых верхняя часть трубы непрерывно или периодически омывается паром, а нижняя часть - водой. При обогреве трубы теплоотдача к паровой фазе ниже, чем к жидкой, и это вызывает значительный перегрев верхней части трубы по сравнению с нижней (рис. 10.11).

При перепаде температуры по периметру трубы более 50°С, пульсации ее за счет наброса воды на верхнюю часть трубы происходит разрушение оксидной пленки на поверхности металла и интенсификация коррозионных процессов, появляются усталостные трещины в металле. Расслоенные режимы течения недопустимы.

Минимальные массовые скорости, при которых не возникают расслоенные режимы течения, составляют при р = 15 МПа и q = 200 кВт/м²: для труб с d_вн = 50 мм (ρw)_мин = 1200…1500 кг/(м²∙с); для труб с d_вн = 20…30 мм (ρw)_мин = 1000…1200 кг/(м²∙с). В барабанных котлах с естественной циркуляцией обеспечить такие массовые скорости невозможно, поэтому в них горизонтальные обогреваемые участки не выполняют.

Экономайзеры кипящего типа (желательно, чтобы х_вых< 0,25) располагаются в зоне невысоких тепловых потоков (q < 20 кВт/м²), для них (ρw)_мин = 500…700 кг/(м²∙с), рекомендуется принимать ρw = 800…1000 кг/(м²∙с). Для некипящих экономайзеров ρw = 500…600 кг/(м²∙с).

В прямоточных котлах и барабанных котлах с многократной принудительной циркуляцией в испарительных поверхностях нагрева можно исключить расслоенные режимы, приняв ρw >1000…1200 кг/(м²∙с). Но и при этих значениях ρw толщина жидкой пленки у верхней образующей трубы меньше, чем у нижней, и кризис теплообмена на верхней образующей возникает при меньшем значении q_кр и х_гр (рис. 10.12).

Для горизонтальных испарительных труб рекомендуется принимать граничное паросодержание х_гр: при р = 5,0…10 МПа х_гр = 0,2; при p = 10…15 МПа х_гр = 0,1.

В слабонаклонных парообразующих трубах может возникнуть асимметрия потока, когда паровая фаза смещена к верхней образующей, поэтому зона ухудшенного теплообмена в них начинается раньше, чем в вертикальных. При угле наклона более 15°С значение (ρw)_мин резко уменьшается, поэтому в контурах с естественной циркуляцией можно иметь обогреваемые участки с таким углом наклона.

При сверхкритическом давлении в зоне больших теплоемкостей в горизонтальных и слабонаклонных трубах теплоотдача по периметру трубы также различается, так как пристенный слой жидкости с меньшей плотностью и более высокой температурой поднимается к верхней образующей, где коэффициент теплоотдачи снижается по сравнению со средним значением и значением у нижней образующей (рис. 10.13).

В горизонтальных пароперегревателях ДКД и СКД при движении однофазной среды различия в плотности у верхней и нижней образующих практически нет.

Криволинейные каналы (изогнутые трубы) являются элементом змеевиковых поверхностей нагрева. При турбулентном течении воды и пара в изогнутых трубах при ДКД возникает кручение потока, увеличиваются перемешивание и интенсивность теплообмена. Коэффициент в изогнутых трубах становится выше, чем в прямых. Соотношение значений α₂ при одинаковых условиях для изогнутой и прямой труб определяется выражением

(10.25)

где D - диаметр гиба; d - диаметр трубы.

При движении двухфазного потока в изогнутых трубах с увеличением скорости возрастает влияние инерционных сил и происходит разделение потока: вода отжимается к наружной образующей гиба, а пар - к внутренней ((рис. 10.14), сечение а), поэтому на криволинейных участках может возникнуть зона ухудшенного теплообмена раньше, чем в прямых трубах.

С учетом сказанного выполнение криволинейных участков в испарительных поверхностях при ДКД, особенно в зоне высоких тепловых потоков, нежелательно. При необходимости изготовления гибов в зоне обогрева проводят проверку температурного режима изогнутых участков труб.

При сверхкритическом давлении в криволинейных каналах с малым радиусом гиба коэффициент теплоотдачи близок к значению для прямых труб. В этом случае можно применять изогнутые трубы в зоне обогрева.

Газоплотные экраны представляют собой трубы, соединенные перемычками в цельносварную панель. Независимо от конструктивного выполнения половина соединительной перемычки, прилегающей к трубе, называется плавником.

На (рис. 10.15) показано выполнение плавниковой трубы и обозначены основные размеры: S - шаг трубы; h - высота плавника; b_b , b_k - толщина плавника в вершине и корне соответственно. При равномерном падающем (подводимом) тепловом потоке q воспринятый тепловой поток q по полупериметру трубы и температура стенки трубы и плавника будут различными. Максимальная температура стенки трубы имеет место на лобовой образующей, а плавника - в его вершине. Из-за возникшего градиента температуры между лобовой и тыльной сторонами происходит растечка тепла по стенке трубы, а также вдоль плавника.

Температура на лобовой образующей стенки плавниковой трубы определяется, как для обычной гладкой трубы.

На прочность цельносварных панелей большое влияние оказывает разность температур в свариваемых (соседних) трубах, вызывающая термические напряжения в плавниках и трубах. Допускается разность температур рабочей среды в свариваемых трубах не более 50°С. Необходимы специальные меры, чтобы выдержать это требование в НРЧ котлов сверхкритического давления, где на фронтовой и задней стенах (реже на боковых) располагаются рядом панели, включенные последовательно по ходу рабочей среды и, соответственно, имеющие разную температуру среды и стенок труб в месте их стыка.

Для уменьшения разности температуры среды по панелям выполняют байпас первого хода НРЧ, т.е. через панель пропускается часть воды, средняя температура ее при этом увеличивается и становится близкой к температуре второго хода. Оставшаяся вода по необогреваемым байпасным трубам поступает в смесительную камеру, где оба потока воды смешиваются и направляются во второй ход.