Для надежной работы поверхностей нагрева паровых котлов требуется непрерывный отвод от них теплоты в соответствии с интенсивностью обогрева. В экономайзерах и пароперегревателях это обеспечивают устойчивостью движения потока воды и пара при соответствующей скорости за счет напора насоса. В парообразующих поверхностях докритического давления отвод теплоты достигают непрерывным смачиванием поверхности нагрева водой и отводом от нее образующегося пара. При сверхкритическом давлении в зоне фазового перехода надежная работа обеспечивается умеренным обогревом и соответствующей скоростью потока.

Движение пароводяной смеси, а следовательно, и охлаждение экранных труб в топках паровых котлов различных систем организуются по-разному. В котлах с естественной циркуляцией   пароводяная смесь в подъемных трубах экранов перемещается в результате движущегося напора естественной циркуляции, возникающего при обогреве труб. Скорость воды на входе в парообразующие трубы после растопки котла быстро возрастает и достигает максимального значения (порядка 1,2-1,5 м/с). По мере дальнейшего роста нагрузки скорость несколько уменьшается из-за того, что увеличивающееся парообразование при большом удельном объеме пара приводит к повышению сопротивления труб.

Рисунок 2.18 – Упрощённая схема естественной циркуляции (а) и структура потока пароводяной смеси в трубках (б-е):

1 и 5- отводящие и подводящие (опускные) трубы; 2 и 4- верхний и нижний коллекторы; 3- обогреваемые подъёмные трубы; 6- барабан.

 

В котлах с принудительной циркуляцией движение воды и пароводяной смеси в экранных трубах осуществляется за счет энергии насоса принудительной циркуляции, поэтому независимо от нагрузки скорость рабочей среды почти постоянна и для надежного охлаждения металла труб устанавливается на более высоком уровне (около 1,5-2 м/с).

В прямоточных паровых котлах скорость движения рабочей среды пропорциональна нагрузке. Однако при малой нагрузке скорость может оказаться недопустимо низкой, так как тепловыделение в ядре горения топлива остается высоким, что может привести к повреждению труб из-за их перегрева. В связи с этим приходится ограничивать минимальную нагрузку прямоточного котла на уровне около 30 % его номинальной паропроизводительности.

На интенсивность отвода теплоты в парообразующих трубах сильное влияние оказывают режимы течения пароводяного потока. В свою очередь режимы течения при прочих равных условиях зависят от расположения в пространстве труб (вертикальные и горизонтальные трубы и их гибы).

Под режимом течения в данном случае понимают характер распределения паровой и водяной фаз в сечении трубы.

При течении жидкости, смачивающей стенки трубы, на внутренней ее поверхности обычно сохраняется жидкая пленка, а паровые пузыри отрываются от стенки и концентрируются в ядре потока. На начальной стадии парообразования при небольшой скорости пароводяной смеси отдельные пузырьки пара малых размеров (при высоком давлении – диаметром около 1 мм) распределены практически равномерно по сечению трубы. Такой режим течения получил название пузырькового. С увеличением паросодержания паровые пузырьки все в большей мере концентрируются в центральной части потока, создавая здесь пароводяную смесь со значительным количеством мелких паровых пузырей, как бы равномерно перемешенных с водой. Этот режим назван эмульсионным режимом течения. При относительно невысоких давлениях рабочей среды (р<4 мПа) мелкие паровые пузырьки обладают возможностью объединяться в крупные водяные пузырьки, диаметр которых несколько меньше внутреннего диаметра трубы, а длина их может быть значительной. Эти образования пара внешне напоминают форму снаряда, и поэтому такой режим течения называется снарядным.

При дальнейшем увеличении паросодержания паровые пузырьки при высоком давлении вытесняют воду из центральной части потока, а при низких давлениях отдельные паровые «снаряды» соединяются между собой, образуя в итоге сплошной паровой стержень, движущийся по оси трубы, в котором распылена часть капель жидкости. Паровой стержень окутан сплошной кольцевой водяной пленкой, движущейся по стенке. Эта пленка надежно охлаждает стенку трубы. Такой режим течения получил название стержневого или дисперсно-кольцевого.

 В итоге на коротком участке трубы образуется режим движения влажного пара, когда на стенке трубы уже нет пленки влаги (температура стенки выше температуры насыщения), а в потоке насыщенного пара еще несутся отдельные капли жидкости, испаряющиеся по мере получения паром теплоты от стенок трубы.