Rolul dinamicii fluidelor în fiabilitatea tuburilor
Fiecare tub de cazan se bazează pe o peliculă continuă de apă sau amestec abur-apă pentru a transporta căldura departe de metal. Dacă filmul se defectează, temperatura metalului crește brusc și tubul se defectează în câteva minute. Dinamica fluidelor stabilește, prin urmare, anvelopa de funcționare în interiorul căreia un tub ASTM A192, A210 sau A213 își poate asigura viața de proiectare și este motivul pentru care două cazane construite din material tubular identic pot prezenta istorice de defecțiuni foarte diferite.
Regimuri de flux în două faze și DNB
Pe măsură ce apa este încălzită de-a lungul unui tub, fluxul trece prin regimuri cu bule, melc, agitare și inelare. Fiecare regim transferă căldura în mod diferit, iar tranziția dintre ele decide unde peretele este cel mai fierbinte. Condiția critică este îndepărtarea de la fierbere nucleată, în care pelicula lichidă de la perete nu mai poate fi menținută și se formează un petic uscat local. Prin urmare, proiectarea necesită un flux de masă adecvat în fiecare punct al circuitului, în special la intrarea tubului și la începutul zonei cu cel mai mare flux de căldură, astfel încât starea locală să rămână bine în interiorul regiunii sigure.
Instabilitatea fluxului este a doua preocupare. Vitezele de fază diferențiate dintre abur și apă creează oscilații de presiune care se pot transforma într-un ciocan de berbec în timpul tranzițiilor regimului de curgere, iar circuitele cu tuburi paralele pot oscila unul împotriva celuilalt. Orificiile la admisiile tuburilor, designul atent al colectorului și controlul stabil al presiunii sunt contramăsurile obișnuite.
Limite de viteză, tasare și eroziune
Viteza este un compromis între două probleme opuse:
O viteză prea mică permite solidelor în suspensie să se depună, formând depuneri care favorizează coroziunea subdepozitului și supraîncălzirea locală. Practica comună de proiectare menține viteza apei în regiunea de 1 până la 3 m/s, în funcție de dimensiunea particulelor și densitatea materialului în suspensie.
O viteză prea mare îndepărtează pelicula de oxid de protecție și accelerează coroziunea și eroziunea accelerată de curgere, în special în aval de fitinguri și la intrarea tubului. Valorile peste aproximativ 4 m/s în zonele afectate sunt în mod normal evitate în circuitele din oțel carbon.
Fluxul de masă, nu numai viteza, este variabila de proiectare utilizată pentru zona încălzită, deoarece densitatea amestecului de abur și apă se modifică continuu de-a lungul tubului. Proiectarea trebuie să garanteze un flux de masă suficient pentru a răci peretele la condiția de vârf a fluxului de căldură, menținând în același timp căderea de presiune în două faze în interiorul capacității sistemului de circulație.
Raportul de circulație și aspectul circuitului
Cazanele cu circulație naturală depind de diferența de densitate dintre apa din conductele de coborâre și amestecul de abur și apă din tuburile de ridicare. Raportul de circulație, masa amestecului vehiculat pe unitatea de masă de abur generat, trebuie să fie suficient de mare pentru a menține pereții tubului umezi și pentru a limita calitatea aburului la ieșirea tubului. Sistemele de circulație forțată folosesc pompe pentru a garanta debitul în timpul pornirii, funcționarea la sarcină redusă și schimbările de sarcină, atunci când circulația naturală este cea mai slabă.
Aspectul contează la fel de mult ca și calculul. Dimensionarea colierului de coborâre și a ascensoarelor, poziția bancului de tuburi în raport cu cuptorul, distribuția fluxului de căldură pe trecerea gazului și direcționarea colectoarelor de conectare influențează modul în care fluxul este împărțit uniform între tuburile paralele.
Îmbunătățirea transferului de căldură în interiorul tuburilor
Promotorii de turbulență interioară, cum ar fi inserțiile de bandă răsucite și tubulatura striată sau cu nervuri interioare, cresc coeficientul de transfer de căldură în mod apreciabil la un flux de masă dat, ceea ce îmbunătățește răcirea peretelui în zonele cu flux de căldură ridicat și reduce riscul de depărtare de la fierbere nucleată. Compartimentul este o cădere de presiune mai mare și o tendință mai mare de a colecta depozite, astfel încât inserțiile sunt de obicei aplicate selectiv în secțiunea cea mai încărcată, mai degrabă decât prin întregul circuit.
FAQ
Î: De ce este fluxul de masă mai util decât viteza pentru proiectarea tubului cazanului?
Deoarece densitatea amestecului de abur-apă se modifică de-a lungul tubului. Fluxul de masă rămâne constant în timp ce viteza crește pe măsură ce se formează aburul, astfel încât capacitatea de răcire este evaluată pe fluxul de masă în fiecare punct al circuitului.
Î: Ce se întâmplă dacă viteza în interiorul tubului cazanului este prea mică?
Particulele se depun și formează depuneri pe coroana tubului, care izolează peretele, crește temperatura locală a metalului și creează locuri pentru coroziune sub-depozit.
Î: Ce cauzează lovitura de berbec în circuitele cazanului?
Schimbări rapide ale regimului de curgere sau ale debitului care permit melcilor de apă să se deplaseze cu viteză mare în fitinguri și colectoare. Controlul stabil al ratei și nivelului de tragere, plus aranjarea corectă a conductelor, îl împiedică.
Î: Inserțiile tubulare îmbunătățesc întotdeauna fiabilitatea cazanului?
Ele îmbunătățesc transferul de căldură și răcirea pe pereți acolo unde fluxul de căldură este cel mai mare, dar cresc căderea de presiune și pot prinde depunerile. Prin urmare, acestea sunt aplicate selectiv, nu pe întregul banc de tuburi.
Î: Cum influențează cerințele fluidodinamice specificațiile tubului?
Ei determină grosimea peretelui prin calculul de proiectare al ASME BPVC Secțiunea I și decid ce grad este necesar, deoarece un flux de masă mai mare și o răcire mai bună a peretelui pot menține un tub de oțel carbon la temperatura sa admisă, în loc să necesite o calitate de aliaj.
