6. Sự ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU VÀ TRAO Đổi NHIỆT TRONG LỊ ĐỐT CỦA NỔI HO
7.3. Cấu trúc và tính tốn thuỷ lực vách buồng đốt nồi hơi kiểu thuận dịng
Trong hệ thống thuỷ lực, trở kháng thuỷ lực của nhánh nước - hơi được vượt qua bởi bơm cấp với mọi kiểu bố trí ống. Do đĩ, cũng vậy trong nồi hơi kiểu thuận dịng các ống vách được bố trí tuỳ ý.
H ìn h 1.17. Bố trí các vách thẳng đứng trong buồng đốt:
a- kiểu nối tiếp; b- kiểu song song; c- vách nồi hơi cơng suất lớn' 1- các vách thẳng đứng; 2- các ống dẫn xuống; 3- cụm nút hỗn hợp.
Các vách thẳng đứng của buồng đốt nồi hơi kiểu thuận dịng gợi nhớ tới các vách của nồi hơi kiểu tuần hồn tự nhiên và cũng nằm ở các vách buồng đốt. Để hạn chế sự khơng đồng đểu nung nĩng các ống song song và đảm bảo vận tốc cần thiết của mơi chất, các ống được thiết kế thành từng nhĩm theo độ rộng, được gắn nối tiếp (hình 1.17a) hoặc song song với nhau (hình 1.17b). Theo điều kiện độ tin cậy thì vận tốc khối 0)() cần phải ở mức 1500 2000 kg/(m2/s). Khi nối các vách theo sơ đồ hình 1.17a cần cĩ các ống dẫn xuống và dịng chảy trong các ống này sẽ loại trừ khả nãng phân nhánh nhiệt, tuy nhiên làm phức tạp thêm cấu trúc các vách. Một dạng khác của vách kiểu thẳng đứng là dạng vách với các ống sinh hơi lên xuống (hình 1.18) trong đĩ chuyển động dịng mơi chất đi lèn.
Hình 1.18. Các vách với chuyên
động lên xuống của mơi chất.
H ình 1.19. Các vách xoắn ngang và hơi nghiêng:
a- vách buồng đốt nồi hơi kiểu Ramzin; b- vách ziczấc với các ống nằm ngang; 1- ống gĩp đầu vào; 2- ống gĩp đầu ra; 3- các vách buồng đốt.
Vách buồng đốt kiểu ngang đặc trưng cho kiểu nồi hơi Ramzin. Các ống được cuộn xoắn với nhau trên cả bốn vách buồng đốt và đảm bảo dịng chuyển động đi lên (hình 1.19).
chu vi buồng đốt với các ống tạo hơi cĩ mơi chất chuyển động đi lên (hlnh 1.19b). Các vách kiểu này sẽ khơng nhạy cảm với sự nung nĩng khơng đồng đều khi kích thước của buồng đốt khá lớn.
r «
H ìn h 1.20. Các vách ống trơn (a) và cĩ cánh (hàn khí) (b).
Các vách buồng đốt kiểu nhẩn (trơn) được làm từ các ống nhẵn (trơn) (hình 1.20a). Trong các vách buồng đốt nhẵn, mật độ giữa các ống khơng được đảm bảo.
Trên hình 1,20b biểu diễn vách được làm từ các ống cĩ cánh tản nhiệt chế tạo bằng cách hàn khí.
Trong các nồi hơi kiểu này các vách buồng đốt cũng như các tường vách, và trần đều là các panel được hàn vào cột ống chung (hình 1.17c).
Các vách kiểu hàn khí cĩ khối lượng nhỏ hơn kiểu vách ống cĩ cánh khoảng 10 -r- 15% trên một đơn vị diện tích nhận nhiệt, do bước ống (khoảng cách giữa các ống) cĩ thể lớn hơn tương ứng với việc giảm số lượng ống và lựa chọn tổng tiết diện ống theo điều kiện đảm bảo vận tốc khối cần thiết của mơi chất. Các vách này cĩ mơi trường làm việc tốt hơn vì một phần nhiệt nhận được bởi cánh ống sẽ được truyền từ phía sau ống do tản nhiệt, như vậy phần này của ống sẽ trở thành bề mặt nung nĩng tích cực. Ở đây loại trừ những ống của vách phẳng cĩ chế độ nhiệt kém.
Các vách kiểu hàn khí đồng thời cũng làm nhẹ điều kiện làm việc của các tường vách, đặc biệt khi thải xỉ dạng lỏng, vì các ống khơng cĩ sự giao nhau nên cĩ thể giảm khối lượng ống, đồng thời cho phép dịng chảy bao quanh ống khơng làm thấm ướt lớp cách nhiệt.
Khi mơi chất chuyển động trong ống sẽ cĩ các trở kháng, do đĩ sẽ cĩ độ giảm áp giữa các tiết diện. Độ giảm áp tồn phần Ap trong các ống nung nĩng được biểu diễn dưới dạng tổng:
= ^Pm .s ^Pc.bo + Apg.toe + Apth.chuan (1.5 1)
ở đây Apm s - trở kháng ma sát, Pa;
APc.bo - tổn thất áp suất do trở kháng cục bộ, Pa; Apg.toc - tổn thất áp suất do gia tốc dịng chảy;
Apthxhuan - thành Phần trờ kháng thuỷ chuẩn (khi dịng chảy lên cĩ giá trị dương, khi
Trong các nồi hơi với ống nằm ngang và hơi lệch (hình 1.19), chiều dài của các ống L cĩ thể đạt tới hàng trăm mét và cĩ nhiều chỗ uốn khúc ở các gĩc buồng đốt (bốn chỗ theo chu vi buồng đốt) do đĩ đặc trưng cho các nồi loại này là trở kháng thuỷ lực Apth |UC = Apm s + Apc bo khá lớn. Thành phần thuỷ chuẩn trong vịng tuần hồn này khơng lớn chừng nào độ cao nhỏ hơn nhiều so với chiều dài H « 1. Tuy nhiên trở kháng do gia tốc cũng khơng lớn, đặc biệt khi áp suất cao. Do đĩ trở kháng tồn phần đới với vịng tuần hồn cĩ ống nám ngang hoặc độ nghiêng khơng lớn sẽ được xác định bởi trở kháng thuỷ lực:
Ap = Apthluc (1.52)
Điểm khác biệt của vịng tuần hồn với chuyển động lên xuống thẳng đứng (hình 1.18) là cĩ số vịng nhỏ, do đĩ độ dài đường ống và số điểm uốn cũng nhỏ. Trở kháng thuý lực của hệ thống như vậy cũng khơng lớn. Ngồi ra, áp lực thuỷ chuẩn đối với các ống thảng đứng đĩng vai trị đáng kể trong thành phần giảm áp tồn phần, đặc biệt khi phụ tải nhỏ, lúc này ảnh hưởng của Apm s sẽ nhỏ đi, khi đĩ:
Ap = Apth.luc - Apth.chuan (1-53) Các giá trị Apth luc ± Apth chuan cĩ ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính thuỷ lực, do đĩ với độ ổn định dịng chảy trong nồi hơi thuận dịng.
Độ tin cậy của các ống sinh hơi phụ thuộc nhiều vào độ bền vững của dịng chảy, tức là vào độ ổn định của lưu lượng mơi chất chảy qua các ống song song. Độ bền vững cúa chuyển động được mơ tả bằng đặc tính thủy lực, tức là s phụ thuộc của độ giảm áp tồn phần vào vận tốc khối của mơi chất Cùp (hay lưu lượng G).
Người ta phân biệt đặc tính thuỷ lực bền vững và khơng bền vững. Đặc tính thuỷ lực bền vững khi và chỉ khi nếu ứng với một sự giảm áp chung trong hệ các ống song song chỉ cĩ một giá trị lưu lượng mơi chất (hình 1.21a) và nĩ khơng bền vững nếu ứng với một giá trị giảm áp cĩ một số giá trị lưu lượng (ví dụ như ba giá trị chẳng hạn) (hình 1.21b).
Tính khơng đơn trị của đặc tính thuỷ lực thể hiện ở chỗ các giá trị lưu lượng kh¿íe nhau đi qua các ống riêng biệt nối với nhau bởi một ống gĩp chung. Chế độ nguy hiểm nhất là lưu lượng nước thay đổi qua một ống, điều này gây ra khi độ nung nĩng khơng thay đổi thì nhiệt độ của tường vách sẽ dao động và xuất hiện các ứng suất nhiệt mỏi khá nguy hiểm trong các tường vách. Hoạt động của nồi hơi lúc này cĩ thể bị ngừng do đường ống cĩ thể bị vỡ.
Bản chất của tính khơng đơn trị của đặc tính thuỷ lực là sự thay đổi các tính chất vật lý nhiệt của mơi chất - như thể tích riêng, khi cĩ sự thay đổi từ lưu lượng này sang lưu lượng khác khi độ nung nĩng khơng thay đổi và ảnh hưởng của áp lực thuỷ chuẩn. Vấn đề cịn phức tạp hơn khi ảnh hưởng của áp lực thuỷ chuẩn sẽ khác nhau khi mơi chất chuyển động lên hoặc xuống. Tất cả những vấn đề này làm phức tạp các biểu thức giải tích, vì vậy các biểu thức đối với một đối tượng cụ thể thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị: sơ đồ thuỷ lực, các thơng số hình học của hệ thống đường ống, giá trị áp suất, entanpi của mơi chất ỏ đầu vào...
H ình 1.21. Đạc tính thuỷ lực đơn trị (a) và đa trị (b).
Nhiệt độ nước vào các ống cĩ những ảnh hưởng nhất định tới độ bề vững đặc tínhthuỷ lực trong các ống nằm ngang. Nhiệt độ cĩ thể bằng, hoặc gần bằng nhiệt độ bão hồ tva() ~ t' hoặc nhỏ hơn rõ rệt tvao < t’. Khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hồ (Aih n = i’ - i0 > 0) thì sự hình thành hơi bắt đầu từ ngay đầu vào ống. Và tương ứng với nĩ, các ống sinh hơi được chia thành hai đoạn: hâm nhiệt và tạo hơi (hình 1.22). Độ dài của các đoạn này phụ thuộc vào lưu lượng nước qua ống. Khi lưu lượng tăng, lượng nhiệt trên một đơn vị lưu lượng sẽ giảm, do đĩ độ dài đoạn hâm nhiệt sẽ tăng và ngược lại độ dài đoạn sinh hơi sẽ giảm.
Khi cĩ đoạn hâm nhiệt (hình 1.22) trở kháng tồn phần được xác định theo cơng thức:
A p= ¿ ( <Op2K . n 1h .n + ^ ( ® p 2)v bayhoi0-lh.n) (1-54) 5 v' ;ig v';i';X=0 X * * J vx ị h x " t <f* t ỉ ị ! t í t t ? ^hn ị ^b.hơi . r h l *" ’ ..... ..........................
H ình 1.22. Sự thay đổi các thơng số mơi chất trong ống nằm ngang khi tv. , < i.
Thể tích riêng của mơi chất trên các đoạn hâm nhiệt và tạo hơi cĩ khác nhau. Thể tích riêng trên đoạn hâm nhiệt ít thay đổi theo chiều dài và bằng:
- _ v 0 + v’
v h . n = - ^ ----- ( 1 . 5 5 )
Trên đoạn tạo hơi, thể tích riêng của hỗn hợp hơi - nước thay đổi mạnh, do đĩ lấy giá trị tích phân trung bình. Để đơn giản, khi độ nung nĩng trên tồn bộ chiều dài ống phân bố đều thường cĩ thể chấp nhận sự thay đổi này là tuyến tính:
_ _ x(v"-v')
(1.57)
ở đây độ khơ X của hơi ở tiết diện ra của ống bằng:
X = 0 ~ ^h.n ) _ QI (l ~~ Ih.n )
Gr copfr
trong đĩ: d0 - đường kính ống; 1 - chiều dài đoạn ống; f - tiết diện ống. Chiều dài của đoạn hâm nhiệt bằng:
lh., = (i, - i o ) ^ l = ih-n -mP^f (1.58)
Q Q|
Chiều dài đoạn tạo hơi (bay hơi):
Ib.h — 1 ~ Ih.n ( 1 . 5 9 )
Thay vh n; vb h; lh n; lb h vào (1.54) ta cĩ phương trình bậc ba:
Ap = A (cop)3 - B(cop)2 + C(cop) ( 1.60) trong đĩ A, B, c - các số phức bao gồm các giá trị hình học (d0 , f, 1), vật lý nhiệt (v1, v", r, Aih n), nhiệt lượng (qj) và hệ số trở kháng thuỷ
Phương trình (1.60) cĩ thể cĩ một nghiệm thực và hai nghiệm ảo, hoặc cả ba nghiệm thực. Trường hợp đầu đặc tính Ap = f(pco) đơn trị, trường hợp thứ hai - đa trị. Tính đơn trị của đặc tính thuỷ lực thể hiện ở chỗ, khi nung nĩng ống khơng đổi, mặc dù tăng lưu lượng nước chưa đun nĩng thì vận tốc khối của hỗn hợp cũng khơng tăng mà ngược lại cịn giảm, tương ứng với nĩ trở kháng thuỷ lực của ống sẽ thay đổi.
Theo mức tăng lưu lượng nước, trở kháng thuỷ lực của đoạn hâm nhiệt tăng lên, trở kháng thuỷ lực của đoạn sinh hơi giảm đi. Phụ thuộc vào các trở kháng này, tổng trở kháng cĩ thể tăng hoặc giảm trong một khoảng giá trị lưu lượng nào đĩ. Lúc này đặc tính cĩ thể là đơn trị hoặc đa trị.
Khi cấp nước vào cĩ nhiệt độ bằng t' (Aihn = 0), hệ số A sẽ bằng 0, cịn hệ số B sẽ đổi dấu, cơng thức (1.60) cĩ dạng phương trình bậc hai thể hiện đặc tính thuỷ lực đơn trị:
Ap = B(cop)2 + C(cop) (1.61)
Nguyên nhân cơ bản của sự khơng đơn trị đặc tính thủy lực là do sự khác biệt giữa thể tích riêng của nước và hơi nước. Khi áp suất tăng lên thì sự khác biệt đĩ giảm đi, do đĩ đặc tính trở nên ổn định hơn và chuyển động của mơi chất bền vững hơn.
lực (Ç).
Hình 1.23. Loại trừ đặc tính thuỷ lực khơng
ổn định bằng cách lắp đặt đĩa tiết lưu: Apb.dau - đặc tính thuỷ lực ban đầu; Ap( |ưu - đặc tính tiết lưu;
Tính khơng ổn định của đặc tính thuỷ lực cĩ mối liên hệ với sự cĩ mặt của đoạn hâm nhiệt. Khi mức độ chưa đun nĩng tới sơi của nước ở lối vào càng nhỏ thì đặc tính càng trở nên ổn định và nĩ sẽ trở thành đơn trị khi Aih n = 0.
Tăng nhiệt độ nước ở lối vào tới nhiệt độ sơi sẽ rất nguy hiểm, bởi vì khi đĩ khơng chỉ cĩ nước mà cả hơi sẽ qua ống gĩp đi vào các ống tạo hơi. Sự phân bố tỷ lệ giữa nước và hơi sẽ khơng đồng đều giữa các ống: cĩ ống nhiều hơi ít nước và ngược lại cĩ ống nhiều nước ít hơi. Điều kiện làm việc như thế của cả ống sẽ dẫn tới mức độ đun nĩng được tăng cường mạnh và cĩ thê làm vỡ ống. Do vậy, trong các nồi hơi kiểu thuận dịng trong bộ hâm nhiệt luơn luơn thiết kế để khơng cĩ sơi.
Và để biến đặc tính thuỷ lực khơng ổn định thành ổn định người ta đặt thêm trở kháng thuỷ lực (đĩa đệm tiết lưu) ỏ lối vào của đoạn hàm nhiệt, trở kháng này sẽ thay đổi theo quy luật parabơn khi lưu lượng của mơi chất tăng lên. Tổng của đặc tính ban đầu và đặc tính thêm vào sẽ trở thành đặc tính ổn định (hình 1.23). Đặc tính thêm vào cần phải cĩ độ dốc đủ lớn.
Trong các ống thẳng đứng với chuyển động của mơi chất đi lên hoặc ít số vịng lên xuống (hình 1.24), khi đĩ chiều cao của ống gần tương ứng với tổng chiều dài ống và đặc tính thuỷ lực cũng được xác định bởi độ chưa nung nĩng tới sơi và áp suất của nước. Đặc điểm thủy lực của hệ thống này chịu ảnh hưởng mạnh của áp lực thủy chuẩn Apth chuan (xem cổng thức 1.53).
Trong vách thẳng đứng với một vịng lên xuống, mơi chất cần phải thắng cả trở kháng thuỷ lực và áp lực thuỷ chuẩn: