Особенности отложения примесей в прямоточных котлах СКД

Особенности отложения примесей по тракту котла СКД связаны с изменением характеристик тепло- и массообмена в зоне большой теплоемкости (ЗБТ). В ЗБТ существенно снижаются значения коэффициента диффузии (рис. 1.3), при этом замедляются все процессы, связанные с диффузией примеси.

На рис. 1.10. представлены профили скорости, температуры и концен­трации примеси по сечению обогреваемой трубы.

Рис. 1.10. Изменение скорости , температуры и концентрации примеси по сечению потока.

Рассмотрим профиль концентрации примеси. Как правило, примеси, находящиеся в водном теплоносителе, имеют сходство с веществами, входящими в металл труб. За счет ван-дер-ваальсовых сил притяжения, электростатических сил и других концентрация примеси у поверхности металла существенно больше, чем средняя величина концентрации в потоке (случай «а» на рис. 1.10). При кристаллизации вещества на поверхности трубы концентрация примеси непосредственно у поверхности трубы снижается (случай «б»).

С учетом этих замечаний рассмотрим изменение температуры водного теплоносителя и концентрации примеси по ходу среды в прямоточном котле сверхкритического давления

На рис. 1.11, а изображены графики изменения средней энтальпии потока , средней температуры потока и температуры на внутренней поверхности стенки . В отличие от энтальпии потока, температура потока изменяется по длине трубы нелинейно в зоне, где температура потока близка к температуре максимальной теплоемкости , скорость роста температуры по длине трубы при этом значительно снижается. В сечении (см. рис. 1.11, а) температура стенки достигает значения и может наступить режим ухудшенного теплообмена, температура стенки при этом резко возрастает. При подходе к сечению , где существенно увеличивается удельный объем водного теплоносителя, что приводит к росту линейной скорости потока и улучшению теплообмена между стенкой трубы и ядром потока. В этой зоне наблюдается снижение температуры стенки трубы.

Рис. 1.11. Распределение по длине трубы температуры потока (а), концентрации (б), и массы отложений (в).

Растворимость веществ в ЗБТ уменьшается с ростом температуры, а затем растворимость может расти. Характер изменения растворимости вещества в двух сечениях трубы () по длине трубы показан на рис. 1.11, б - по температуре стенки и температуре потока . Здесь же показано изменение средней концентрации примеси в потоке (при )

и вблизи стенки (как уже отмечалось ).

Величина характеризует минимум растворимости по длине трубы. Возможны случаи: 1) ; 2) . В первом случае примесь должна была бы пройти через паровой котел транзитом, однако, как уже отмечалось для легкорастворимых веществ, за счет адсорбционных процессов и часть примеси все же осаждается на поверхности нагрева. Для продуктов коррозии железа характерен второй случай, который и представлен на рис. 1.11,б.

В сечении и начинается процесс кристаллизации вещества на стенке, масса отложений увеличивается (рис. 1.11, в).При увеличении концентрационного напора скорость роста отложений возрастает. При приближении к температуре максимальной теплоемкости скорость диффузии в поверхностном слое жидкости резко падает, что приводит к торможению собственно процесса кристаллизации, величина и снижается (рис. 1.11, в, сечение ). При этом в пристенном слое жидкости создается избыток примеси и может начаться кристаллизация в объеме слоя на имеющихся там частицах примеси.

Когда , кристаллизация на стенке ускоряется и масса отложений растет. Кристаллы из объема пристенного слоя частично осаждаются на наружном (эпитактическом) слое отложений. Достигнув максимума, скорость роста отложений падает. Это снижение величины обусловлено достижением ЗБТ ядра потока , когдамассообменные процессы в потоке теплоносителя замедляются (скорость диффузии падает) и уменьшается доставка примеси из ядра в пристенный слой. Второй минимум находится в области сечения (рис. 1.11). При дальнейшем прогреве ядра потока массообменные процессы улучшаются, величина и снова растет, достигая третьего максимума. Последующее снижение скорости роста отложений связано с уменьшением концентрации в потоке , на стенке и концентрационного напора .

Таким образом, при СКД весь диапазон отложений можно разделить на три участка: ; ; . В пределах каждого из участков скорость роста отложений достигает максимального значения . Зависимость от теплового потока, массовой скорости и других параметров на разных участках различна.

1.4. Особенности отложения примеси в прямоточном котле

докритического давления

Особенностью отложения примеси в прямоточном котле докритического давления является полное упаривание воды в испарительных поверхностях нагрева и, соответственно, повышение концентрации примеси в жидкой фазе[3].

Представим прямоточный котел ДКД в виде трубы, на вход которой подается питательная вода, а на выходе — перегретый пар (рис. 1.12). По ходу рабочей среды имеются экономайзерный (эк), испарительный (исп) и перегревательный (пе) участки.

Рис. 1.12. Принципиальная схема прямоточного котла докритического давления

На испарительном участке происходит испарение воды, при этом часть примеси переходит в паровую фазу, а основное количество примеси остается в жидкой фазе двухфазного потока.

Напишем баланс примеси в пароводяной смеси

(1.24)

где - концентрация примеси в жидкой и паровой фазах;

- массовое паросодержание.

Преобразуем формулу (1.24):

(1.25)

где - коэффициент распределения примеси

Из (1.25) определим относительное изменение концентрации примеси в жидкой фазе:

(1.26)

Для паровой фазы аналогично:

(1.27)

Для сильных электролитов , тогда

(1.28)

В этом случае при концентрация бесконечно растет (рис.1.13).

У слабых электролитов составляет сотые и десятые доли, что существенно снижает концентрацию примеси в жидкой фазе и увеличивает в паровой (рис. 1.13). При , вся примесь из воды, в принципе может перейти в пар. Это условие отвечает критическому давлению.

Из рис. 1.13 видно, что даже при концентрация примеси в жидкой фазе при в 5 раз больше концентрации в питательной воде.

Рис. 1.13. Зависимость относительного увеличения концентрации примеси в жидкой фазе от массового паросодержания.

Растворимость примеси в пароводяной смеси уменьшается от растворимости в воде на линии насыщения до растворимости в паре :

(1.29)

На рис. 1.14 показано изменение растворимости по длине обогреваемой трубы. Возьмем концентрацию примеси в питательной воде меньше, чем минимум растворимости в паре (если больше – рассуждаем аналогично). По мере испарения воды увеличивается и в каком-то сечении будет , т.е. начнется отложение примеси на стенке трубы. Отложение примеси будет происходить до сечения, где находится . На рис. 1.14 показаны две кривые для . Для кривой 1 диапазон отложений мал, но величина их большая (рис. 1.14, б). У второй кривой диапазон отложений больше, а максимальная величина меньше. Характер отложений зависит от давления, концентрации примеси, коэффициента распределения и других факторов.

Рис. 1.14. Изменение концентрации примеси (а) и массы отложений (б) по длине обогреваемой трубы в прямоточном котле ДКД

При малых тепловых нагрузках (паровые котлы малой мощности на низкое давление), когда кризис кипения происходит при больших значениях , характер отложений аналогичен кривым 1 на рис. 1.14. В этом случае имеет смысл зону интенсивных отложений вынести из топки в конвективную шахту, где тепловой поток ниже в несколько раз. Такую поверхность нагрева называют переходной зоной. В ней происходит доиспарение воды и частичный перегрев пара. Назначение переходной зоны состоит в накапливании отложений на внутренней поверхности труб до величин, предельно допустимых для температурного режима труб. В переходной зоне на единицу поверхности можно допустить отложений больше во столько раз, во сколько в ней меньше тепловой поток (по сравнению с топочными экранами, при одинаковых марках стали) (индексы: кш- конвективная шахта, т- топка):

; ;

; .

При высоких тепловых потоках и высоком давлении среды диапазон отложений сильно расширяется и организовать переходную зону практически не удается. К тому же основная масса примеси выпадает на стенку в зоне кризиса теплопередачи 2-го рода, т.е. при относительно низких значениях массового паросодержания.