Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи 44
1.1. Обзор основных конструкций и паровых нагрузок сепараторов центробежного типа 44
1.1.1. Выбор критерия для сопоставления и оценки нагрузок сепараторов М
1.1.2. Центробежные сепараторы котельных агрегатов 47
1.1.3. Сепараторы специфического назначения для разделения парогазожидкостных смесей
1.2. Обзор работ по созданию и исследованию внутрибарабанных сепарационных устройств в условиях, характерных для котлов низкого и среднего давления.
2. Экспериментальные установки, методика и порядок проведения исследований 59
2.1. Воздуховодяной стенд для отработки конструкции осевого центробежного сепаратора 59
2.2. Пароводяной стенд для исследования высокофорсированных осевых сепараторов SZ
2.3. Водяной стенд для исследования истечения жидкости
из отверстий перфорированной обечайки 68
2.4. Опытно-промышленный паровой котел E-I-9M 7Z
2.5. Опытно-промышленные установки для испытаний центробежных сепараторов непрерывной продувки 7
3. Экспериментальные исследования на стендовых установках
3.1. Отработка конструкции осевого сепаратора на воздуховодяной стенде
3.1.1. Описание конструкций моделей сепаратора
3.1.2. Визуальные наблюдения и результаты исследования
3.2. Результаты и анализ исследования моделей высокофорсированного осевого сепаратора на паровом стенде натурных параметров
3.2.1. Определение сепарационных и гидравлических характеристик моделей сепаратора при р=3,0; 4,0; 6,5 МПа 100
3.2.2. Проверка эффективности работы осевого сепаратора при повышенном солесодержании котловой воды И5
4. Экспериментальные исследования на опытно-промышленных объектах .
4.1. Исследование внутрибарабанных устройств для котлов типа Б-І-9
4.2. Отработка конструкции и исследование осевого центробежного сепаратора на котле E-I-9M
4.2.1. Описание конструкций
4.2.2. Результаты исследования моделей осевого сепаратора
4.3. Исследование новых конструкций сепараторов непрерывной продувки центробежного типа
5. Разработка и экспериментально-теоретическое обоснование метода расчета сепараторов с отводом жидкости через перфорированную обечайку
5.1. Основные положения метода расчета
5.2. Исследование истечения жидкости из отверстий перфорированной обечайки
5.3. Физико-математическая модель расчета .
5.4. Алгоритмы расчета сепаратора
5.5. Результаты и анализ расчетных исследований
Заключение
Список использованных источников
Приложение: I. Расчеты экономической эффективности
- Обзор основных конструкций и паровых нагрузок сепараторов центробежного типа
- Воздуховодяной стенд для отработки конструкции осевого центробежного сепаратора
- Отработка конструкции осевого сепаратора на воздуховодяной стенде
- Исследование внутрибарабанных устройств для котлов типа Б-І-9
- Основные положения метода расчета
Обзор основных конструкций и паровых нагрузок сепараторов центробежного типа
Для оценки удельных нагрузок центробежных сепараторов по аналогии с принятыми для этой цели показателями нагрузок котельных барабанов могут использоваться:
fts - объемная и массовая удельная нагрузка поперечного сечения, м3/ч»м , кг/см2, т/ч»м ; Rv - объемная и массовая удельная нагрузка парового объема сепаратора, м3/ч«м3, кг/с»м3, т/ч»м3; Wo - скорость пара, приведенная к поперечному сечению, м/с.
Эти показатели в равной степени использовались разными авторами. Так, R\/ применялась для оценки нагрузок выходных горизонтальных внутрибарабанных циклонов f36] и осевых центробежных сепараторов f37j, величиной Rs оценивались нагрузки поперечных сечений парогенераторов с центробежными сепараторами [35, 39], приведенная скорость пара Wo неоднократно применялась как показатель форсировки сепарационных устройств различного назначения [38, 40, 4l]. Однако значения 5 и в ка честве однозначных показателей могут объективно использоваться для сопоставления нагрузок разных сепарационных устройств только при равных давлениях, а значения /?v еще и в случае равных высот паровых объемов. Пренебрежение последним условием может привести к такому результату, когда при сравнении сепараторов с разными допустимыми скоростями пара большему значению R\/ соответствует меньшее значение приведенной скорости, как например.
B [43] для сравнительной оценки нагрузок циклонов на разных давлениях принят относительный показатель Котн » равный отношению осевой критической скорости пара W p к критической скорости при барботаже для того же давления. Его использование предполагает наличие пропорциональной зависимости \tfKp- f(P) для барботажного процесса и выносного циклона, что в значительной степени близко к действительности. Однако показатель Коти не содержит определенного физического смысла, а его применение несколько затрудняет пересчет h/кр на другие давления.
Воздуховодяной стенд для отработки конструкции осевого центробежного сепаратора
Принципиальная схема воздуховодяного стенда, разработанного и установленного в НПО ЦКТИ, приведена на рис.2.1. Основными элементами стенда являются: рабочий участок I, состоящий из камеры и установленного на ней барботера-накопителя, циркуляционный насос центробежного типа 2, трубопроводы воды 3 и воздуха 4, смеситель 5, измерительные приборы и приспособления.
Основные измеряемые величины и приборы для их определения:
- расход воздуха (стандартная диафрагма в комплекте с дифманометром (ДМ) 6 типа ДТ-50,
- расход циркулирующей воды (стандартная диафрагма в комплекте с ДМ 7),
- сопротивление сепаратора (ДМ 8),
- температура воздуха () (термометр лабораторный),
- давление воздуха (Р) (манометр образцовый).
Воздух от станционного воздухопровода подавался к смесителю 5, куда по напорному трубопроводу 3 циркуляционного насоса 2 поступала вода. Образующаяся в смесителе воздуховодяная смесь подводилась к рабочему участку, внутри камеры которого устанавливались исследуемые модели II сепаратора. Камера имела несколько окон для организации подсветки й ведения визуальных наблюдений. Отсепарированная вода стекала в водяной объем камеры и далее поступала в приемный патрубок насоса. Влажный воздух из сепаратора направлялся в барботер, где происходило его осушение и накопление выделившейся влаги, количество которой определялось по положению уровня в водоуказательной трубке 9.
Отработка конструкции осевого сепаратора на воздуховодяной стенде
Как показано в обзоре (глава I), одним из реальных путей повышения удельных нагрузок выносных циклонов, а также создания высокофорсированных сепараторов для тепловой и атомной энергетики, является разработка конструкции осевого центробежного сепаратора, который удовлетворял бы следующим требованиям:
- обеспечивал влажность пара на уровне 0,01%;
- имел гидравлическое сопротивление не более 10 КПа;
- допускал повышение удельных нагрузок до К=3,2 и выше при кратности пароводяной смеси Кц=3 5;
- имел захват пара отсепарированной водой менее 0,5% по массе.
На первом этапе работ необходимо было решить принципиальный вопрос о возможности создания такого сепаратора с повышенной производительностью и низким гидравлическим сопротивлением, определяющим его использование в контурах с естественной циркуляцией.
Поскольку тип сепаратора - осевой, центробежный, с нижним подводом пароводяной смеси - был определен как перспективный при анализе нагрузок центробежных сепараторов, то предстояло разработать основные его элементы: закручивающее устройство (ЗУ), устанавливаемое в нижней части корпуса и обеспечивающее закрутку потока и устройство для отвода пленки жидкости, обладающее высокой эффективностью разделения расслоенных закрученных потоков пара и воды.
Ввиду отсутствия данных о конструктивном исполнении таких высокоэффективных устройств, было решено использовать положительный результат, полученный [34] при исследовании на воздухо-водяном стенде модели выносного циклона с перфорированной вставкой в его верхней части, способствовавшей повышению его допустимой нагрузки.
Исследование внутрибарабанных устройств для котлов типа Б-І-9
Как отмечено, создание внутрибарабанных сепарационных устройств для моноблочных малогабаритных котлоагрегатов малой производительности, эффективно работающих на котловой воде закри-тического солесодержания, является технически трудной и до настоящего времени лишь частично решенной задачей (для второй ступени испарения котлов типа ДЕ-25-І4) [135].
Повышенные кратности циркуляции в котлах типа E-I-9, достигающие значений Кц=І50 200, в сочетании с барабаном малого диаметра (0,65 м), дополнительно увеличивают эти трудности и выдвигают данные котлы в разряд наиболее сложных для практического осуществления поставленной задачи.
Кроме того, наличие сильно развитого конвективного пучка, трубами которого занята почти вся нижняя половина обечайки барабана, практически не дает возможности выделения внутрибара-банного "соленого" отсека и использования преимуществ ступенчатого испарения.
Одноступенчатое испарение исключает промежуточный "чистый" отсек между пароотводящими трубами и объемом барабана, заполненным вспениваемой водой. Обычно в "чистом" отсеке осуществляется гравитационная сепарация значительной части влаги, выносимой паром из "соленого" отсека при закритическом солесодержании котловой воды. При одной ступени испарения пар с повышенной влажностью, обусловленной набуханием всей котловой воды в барабане и сокращением высоты парового объема, поступает непосредственно на выходные (вторичные) сепарационные устройства.
Вторичные сепарационные устройства, как .правило, выполняют юль сепараторов "тонкой" осушки, обеспечивая за котлом требуе-гае качество пара. Для размещения таких устройств, например жа-оозийных сепараторов или выходных горизонтальных циклонов, тре-5уется использование некоторой части парового объема, уменьшение высоты которого не всегда компенсируется положительным эффектом от их установки, что наиболее вероятно при малых диаметрах барабана. Кроме того, как показано, известные устройства при работе на вспениваемой воде не обеспечивают требуемое качество пара, а попытки создания новых конструкций, размещаемых в барабане, оказались безуспешными.
Основные положения метода расчета
Как было отмечено, первоначальное объяснение причин уноса злати из сепаратора с рассредоточенным отводом жидкости через іерфорацию базировалось на общепринятых положениях о кризисном карактере процесса сепарации, экспериментально установленном цля ряда конструкций сепарационных устройств и вызванном срывом влаги с поверхности стекающей вниз пленки жидкости при достиже-яии критических скоростей легкой фазы. Тем более, что характер первоначально полученных на воздуховодяном стенде зависимостей od-j(Wo) в „целом соответствовал этим положениям, а численные значения Wnp по результатам испытаний на воздуховодяной смеси были близки к критическим значениям нагрузок при противо-точном осенаправленном движении фаз (вода-вниз, воздух-вверх). Это послужило поводом для предположения о невозможности повышения нагрузок сепаратора выше критических значений, соответствующих критерию К = 3,2.
Исследования на паровом стенде показали несостоятельность данного предположения, так как нагрузки были увеличены до К = = 5,1 и это не являлось пределом, поскольку при уменьшении К и, они могли быть увеличены. Позже, в работе [92] для сепаратора с тремя ступенями закрутки потока пароводяной смеси (рис.1.4) отмечен рост нагрузки до К = 10 (относительно поперечного сечения перфорированной обечайки). Полученные результаты вызвали необходимость пересмотра первоначального предположения о кризисном характере процесса в осевых центробежных сепараторах с рассредоточенным отводом пленки.
Действительно, если в выносном циклоне, где имеется тан-енциальный подвод пароводяной смеси и противоточное движение азделенных фаз (вода-низ, пар-вверх), кризис наступает в резуль-ате увлечения пленки жидкости закрученным потоком пара, то в севом сепараторе сознательно организовано спутное подъемное вижение разделяемых фаз, при наличии высоких начальных скоро-тей. В этом случае поток пара оказывает дополнительное подкру-:ивающее воздействие на пленку жидкости, поскольку она тормозится быстрее из-за трения о поверхность перфорированной обечайки г уменьшения ее толщины. В пределе для сепаратора "бесконечной" щеоты тормозящее действие стенок на пленку окажется достаточно ильным и приведет к появлению относительной скорости пара, лопаточной для срыва капель с поверхности пленки и ее разрушения. Это может иметь место только при значительном удалении от места расположения закручивающего устройства ( " уФ УЮ) [43], где юток пара приобретает осепараллельное движение (крутка гаснет), В противном случае, находясь в поле центробежных сил, капли жидкости, возникшие при локальном разрушении гребней волн на поверхности пленки, неизбежно должны осесть на пленку, тем более ЇТО центробежные ускорения в сепараторе составляют десятки а Рядом авторов также отмечается повышенная устойчивость движения закрученной пленки жидкости [8б].
