9.5. Тепловой расчет испарителей

Задачей теплового расчета является определение геометрических характеристик испарителя и поверхности греющей секции для обеспечения заданной производительности (конструкторский расчет) или определение коэффициента теплопередачи для обеспечения получения заданной производительности при известных поверхности греющей секции и геометрических характеристиках (поверочный расчет). Во обоих случаях производительность испарителя задана и равна максимально возможной при выбранной схеме включения испарительной установки в тепловую схему блока. Как было показано выше, производительность испарительной установки определяется при принятых значениях поверхности нагрева греющей секции испарителя и коэффициента теплопередачи в ней. Таким образом, результатом теплового расчета должно быть уточнение принятого значения коэффициента теплопередачи и определение необходимого типоразмера испарителя.

Теплообмен от греющего пара к трубкам греющей секции проходит при изменении агрегатного состояния пара (конденсации) на поверхности трубок. Определяющим критерием теплообмена при этом является число Рейнольдса для пленки движущегося по стенкам трубок конденсата греющего пара (Re_пл).

где q - тепловой поток на внешней поверхности трубок, кДж/м²; Н - высота активной части трубок, м; n - кинематическая вязкость, м²/с.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности трубок определяется при этом в зависимости от значений Re_пл из выражений: при Re_пл < 100

при Re_пл > 100

Для определения коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности трубок следует учитывать, что внутри трубок имеет место движение воды и пароводяной смеси (в нижней части трубок на экономайзерном участке - вода, в верхней части трубок - пароводяная смесь). Скорость движения потока внутри трубок равна скорости циркуляции в контуре: трубки греющей секции - опускная щель между корпусом испарителя и корпусом греющей секции. Схема циркуляционного контура показана на рис. 9.16. При нагреве воды заполняющей трубки греющей секции в них образуется пароводяная смесь. При выходе из трубок пар, барбатируя через слой воды над греющей секцией, поступает в паровое пространство, а неиспарившаяся вода, при поддержании постоянным уровень над греющей секцией, сливается через щель между корпусом испарителя и корпусом греющей секции. В нижней части испарителя эта вода смешивается с питательной водой поступающей по опускным трубам и входит в трубки греющей секции. В нижней части трубок происходит подогрев воды до начала парообразования (экономайзерный участок). Высота этого участка зависит от теплового потока через трубки и давления в точке закипания воды. С учетом изложенного, расчету теплообмена от стенок трубок к кипящей воде предшествует расчет скорости циркуляции. Определение скорости циркуляции w_ц проводится путем сопоставления движущего напора, возникающего за счет разницы в значениях плотности среды в опускных и подъемных участках, и гидравлических потерь на всех участках контура циркуляции.

Рис. 9.16. Схема циркуляционного контура испарителя:
1 - корпус; 2 - опускные трубы; 3 - трубки греющей секции

Интенсивность теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения в существенной мере зависит от структуры течения парожидкостной смеси, которая характеризуется значениями режимных факторов.

Область режимных факторов, в которой механизм переноса, обусловленный процессом парообразования, не влияет на интенсивность теплообмена при кипении, определяется условием

При соблюдении этого условия коэффициент теплоотдачи к кипящей воде определяется по формуле конвективного теплообмена при турбулентном движении однофазной среды

Здесь Nu_кип и Nu_б.к - числа Нуссельта в процессе теплоотдачи при кипении жидкости и в отсутствии кипения.

При несоблюдении условия (9.24) интенсивность теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения может быть определена по формуле

По полученным из выражений (9.26) и (9.22) или (9.23) значениям коэффициентов теплоотдачи определяется коэффициент теплопередачи в греющей секции испарителя. Поверхность нагрева испарителя определяется из (9.4) при известных значениях Q_и и Dt_и.