6. Sự ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU VÀ TRAO Đổi NHIỆT TRONG LỊ ĐỐT CỦA NỔI HO
7.2. Cấu trúc và tính tốn thuỷ lực vách buồng đốt nồi hơi tuần hồn tự nhiên
Trong nồi hơi áp suất cao, bề mặt sinh hơi duy nhất là các vách buồng đốt. Trên hình 1.14 biểu diễn bố trí các vách trên tường buồng đốt và các thành phần của nồi hơi tuần hồn tự nhiên. Các vách được thiết kế dạng các khối ống thẳng đứng, ở mỗi khối các ống dẫn được hàn với ống gĩp phía dưới và phía trên. Tất cả các ống gĩp phía trên được bơ' trí ở cùng một độ cao và được treo lên khung vỏ nồi hơi.
Các vách 1, 6, 7 được viền chung quanh bởi các đai thép cứng và cĩ thể chuyẩn động thẳng đứng theo các đai này. Các vách này được giữ bởi bức tường cĩ bề mặt được phủ một lớp áo lị. Như vậy trên khung vỏ lị ngồi các hệ thống ống cịn cĩ tường và áo lị.
Trong nồi hơi tuần hồn tự nhiên, áp lực chuyển động (độ chênh áp gây dịng chuyển động) được hình thành khi đốt nĩng các ống dẫn lên. Cơng thức (1.1) được viết với giả thiết là trong các ống dẫn lên cĩ hỗn hợp nước - hơi ở tồn bộ chiều cao ống. Trến thực tế sự sơi phát triển (sơi mạnh) trong các ống dẫn lên bắt đầu từ lối vào, do đĩ tồn bộ chiều cao H của ống được chia thành từng đoạn: hâm nhiệt hh n và sinh hơi hhoi (hình 1.15).
Hình 1.14. Sơ đồ bố trí các vách lị của
nồi hơi áp suất cao, tuần hồn tự nhiên: 1- vách phía mặt trước; 2- các ổng dẫn xuống; 3- các ống trên trần; 4- các ống dẫn ra; 5- ống íeston; 6- vách phía mặt sau; 7- nhĩm các vách bên thành cạnh; 8- chỗ chia nhánh các ống ở ống lĩt; 9- khung (vỏ) lị; 10- phễu lạnh; 11- đai cứng; 12- các ống gĩp phía dưới; 13- các ống gĩp phía trên.
Hình 1.15. Các vịng tuần hồn tự nhiên:
với nối trực tiếp các ống sinh hơi tới thùng chứa (a) và qua ống dẫn hơi (b).
Tiết diện mà ở đĩ bắt đầu cĩ sự sơi phát triển gọi là tiết diện hắt đầu sơi. Ở thiết bị
hâm nhiệt khơng sơi, entanpi của nước ở đầu ra i"h n < i' và ở trường hợp này nhiệt độ của nước trong thùng chứa nhỏ hơn nhiệt độ sơi ở áp suất trong thùng. Lúc này lượng nước sơi từ các ống dẫn lên đi vào thùng chứa sẽ lớn hơn lượng nước cấp một giá trị được xác định bằng bội số tuần hồn (số lần tuần hồn) K. Do đĩ độ chưa sơi trong thùng chứa (balơng) bằng:
AÌbalong = ( Ì ' - Ì " h . n ) / K ( 1 . 3 9 )
Ở đầu vào các ống dẫn xuống nước cũng chưa được đun nĩng đến sơi. Độ chưa sơi trong ống dãn xuống lớn dần theo chiều chuyển động do sự tăng dần áp suất thuỷ tĩnh của nước và sẽ đạt tới giá trị lớn nhất trong ống gĩp dưới:
Alo.g.d - Albalong Ai' , + p g Ap ( V APo.x p'g (1.40)
Ap() x - trở kháng thuỷ lực của ống dãn xuống, Pa.
ở đây —-p 'g - sư thay đổi entanpi của nước sơi trên mơt đơn vi chiều cao, kJ/(kg.m);
Ap
Nước với độ chưa nung nĩng (chưa sơi) được đưa tới ống dẫn lên. Theo dịng chuyển động trong ống tới tiết diện bắt đầu sơi, áp suất thuỷ tĩnh giảm dần và tương ứng với nĩ độ chưa sơi cũng giảm đi một lượng:
Aih.n = hh.n p 'g ^ - (1-41)
Ap
Do đĩ độ chưa sơi nước đối với một đơn vị lưu lượng (1 kg) tới tiết diện bắt đầu sơi
bằng:
Alo.g.d Alh n Albalơng ^ p ê h(>.x APo.x p'g
, Ai - h h . n p g - ^
Ap (1.42)
và đối với tồn bộ lưu lượng G, kg/h, sẽ là:
Ia- Ai ,
Ị Al balong + p ẽ 1*0. X APo.x p'g )
- h , „ p ' g ^ G
LÚC này trên đoạn hâm nhiệt lượng nhiệt được trao đổi:
Qh.n - hh.nQt.hồn I H
(1.43)
(1.44)
ở đây Qt.hồn - nhiệt lượng của vịng tuần hồn, kJ/kg; H - chiều cao được nung nĩng của vịng tuần hồn, m.
Chiều cao của đoạn hâm nhiệt được xác định từ: lượng nhiệt năng cần truyền cho nước
ở đoạn hâm nhiệt trong đơn vị thời gian (1.43) để đun nĩng nĩ tới nhiệt độ sơi, và lượng
nhiệt năng nhận được của đoạn hâm nhiệt (1.44), do đĩ:
hh.n Aibalong Al p g Q/.hoan ÁI ht.hoanG Ap APo.x " p'g > p'g (1.45)
Theo (1.38) thì biểu thức đối với độ chênh chuyển động tuần hồn được viết dưới dạng:
Sdong = hhơi (p' - Ph.h)-g (1.46)
Ph.h = <p-P"+( 1 - <p).p’ (1.47)
ở đây p', p" - tỷ trọng nước và hơi trên đường bão hồ, kg/m3;
ệ - phần tiết diện chiếm bởi hơi nước trong ống dẫn lên (xác định theo đồ thị được
Ở chế độ xác lập, áp lực chuyển động tuần hồn cân bằng với trở kháng thuỷ lực xuất hiện theo sự chuyển động của nước và hơi trong vịng tuần hồn trong các nhánh lên và xuống:
^dong ~ APo.l + Apo x ( 1.48) Phần áp lực dư cịn lại trong ống dẫn lên sau khi đã thắng trở kháng gọi là áp lực hữu ích của sự tuần hồn:
Sh.ich = Sdong - APo.l (1.49)
Từ (1.48), (1.49) ta cĩ phương trình áp lực tuần hồn hữu ích:
Sh.iđ ĩ = APo.x (1.50)
rõ ràng thấy rằng áp lực tuần hồn hữu ích sẽ tiêu hao dể thắng trở kháng thủy lực trong các ống dẫn xuống.
Trong các nồi hơi hiện đại cơng suất lớn, các vách buồng đốt là các vịng tuần hồn đơn. Trong các vịng tuần hồn đơn các ống dẫn lên cĩ cùng đặc tính hình học (đường kính, độ dài, hình dáng) và đặc tính nhiệt (điều kiện nung nĩng), chúng được nối với nhau hoặc tại thùng chứa, hoặc tại ống gĩp (hình 1.15).
Chúng ta xem xét phương pháp tính vịng tuần hồn với trường hợp các ống tạo hơi được nối với nhau ở thùng chứa (hình 1.15a). Phương trình tuần hồn cơ bản (1.50) khơng thể giải bằng giải tích. sh ich và Ap0 x phụ thuộc vào nhiều tham số, trong đĩ cĩ vận tốc tuần
hồn C0o.
Vận tốc tuần hồn được hiểu là vận tốc nước vào ống dẫn lên và nĩ xác định lưu lượng nước qua ống. Vận tốc tuần hồn càng lớn thì lượng nước qua ống càng nhiều và hiệu quả tải nhiệt từ các ống nĩng càng tốt. Vận tốc đủ lớn của vịng tuần hồn sẽ đảm bảo cho chế độ làm việc tin cậy của các vách buồng đốt. Vận tốc tuần hồn càng lớn thì áp lực hữu ích càng nhỏ cịn trở kháng của ống dẫn xuống sẽ lớn (hình 1.16). Để dựng đồ thị tuần hồn thường người ta cho trước một số giá trị (thường là 3) vận tốc tuần hồn C0() = 0,5 -r 1,5 m/s và với mỗi giá trị đĩ ta xác định sh ich và ApQ x.
Trên cơ sở các giá trị nhận được ta xây dựng đồ thị tuần hồn (hình 1.16). Giao điểm của các đường sh ictl = f (co0) và Ap0 x = f ((D0) xác định điểm làm việc của đồ thị tuần hồn,
toạ độ của điểm đĩ thoả mãn phương trình tuần hồn (1.50). Hồnh độ của điểm làm việc biểu thị vận tốc thực của tuần hồn 0) 0. Theo giá trị này và lượng hơi tạo thành xác định bội số tuần hồn thực (số vịng quay tuần hồn) và tính chính xác lại các thơng số của tuần hồn. Các tính tốn vịng tuần hồn được thực hiện đối với các điều kiện làm việc trung bình. Vịng tuần hồn tự nhiên thực chất là hệ thống các đường ống song song nhau làm việc ở các điều kiện khác nhau. Cĩ đa phần các ống làm việc theo chế độ tính tốn, cịn một phần các ống vì lý do này hoặc lý do khác cĩ thể nhận lượng nhiệt lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với giá trị tính tốn. Các ống nung nĩng khơng giống nhau cĩ thể do đặc điểm cấu trúc hệ thống và quá trình vận hành.
Từ quan điểm tin cậy của sự tuần hồn và do đĩ là đảm bảo chế độ nhiệt bình thường, các ống đa phần nhận nhiệt nhỏ hơn so với tính tốn. Trong các ống này cĩ áp lực chuyển động tuần hồn nhỏ hơn. Ngồi ra tất cả các ống dẫn lên đều nối với nhau ở cùng một thê tích (các ống gĩp hoặc thùng chứa) và cùng làm việc với độ chênh áp cưỡng bức Ap„ x, bằng s h ịch. Từ đĩ suy ra áp lực tuần hồn hữu ích đối với tất cả các ống đều như nhau. Tuy nhiên khi các ống cĩ độ nung nĩng khác nhau thì lưu lượng nước tuần hồn trong các ống sẽ khác nhau.
Trong trường hợp chế độ nhiệt tốt nhất cĩ thể của đa số các ống, vẫn cĩ những ống cĩ độ nung nĩng
khơng đồng đều và lượng nước chảy qua các ống cĩ độ nung nĩng kém nhất sẽ rất ít, như vậy trong ống cĩ thể sự tuần hồn bị phá vỡ dẫn đến chế độ nhiệt của kim loại xấu đi.
H ình 1.16. Đồ thị tuần hồn của
vịng tuần hồn đơn; (0othực - vận tốc tuần hồn thực