Самоокутывание газоотводящих труб

Термин "самоокутывание" газоотводящих труб отражает явление окутывания (обволакивания) верхней наружной части дымовой трубы газами, выходящими из трубы в атмосферу. Из наблюдений за работающими газоотводящими трубами установлено, что при определенных условиях часть дымовых газов, выходящих из трубы, опускается вдоль ее наружной поверхности с подветренной стороны, вызывая окутывание трубы. Смешиваясь с атмосферным воздухом и атмосферными осадками, соприкасаясь с наружной поверхностью трубы, опускающиеся дымовые газы охлаждаются. Содержащиеся в них водяные пары конденсируются, и образующаяся жидкая агрессивная среда вызывает разрушение окутываемого участка трубы. Корродируют и разрушаются также внешние металлоконструкции (светофорные площадки, лестницы, элементы грозозащиты), попадающие в зону самоокутывания. Ремонт оголовков газоотводящих труб может потребовать останова подключенного к трубам оборудования и связан со сложными и дорогостоящими высотными работами.

Для разработки конструктивных решений по защите газоотводящих труб от разрушений при самоокутывании проведены необходимые аэродинамические исследования.

Верхняя часть ствола газоотводящих труб выполняется либо цилиндрической, либо конической с малым углом конусности. Поэтому обтекание ветром верхней части газоотводящей трубы можно рассматривать как поперечное обтекание цилиндра равномерным потоком.

При плоском безвихревом обтекании круглого цилиндра идеальной жидкостью скорости на его поверхности распределяются по закону синуса

u = 2u_∞ sin φ (1.1)

где u_∞ – скорость набегающего потока вдали от цилиндра;

φ – полярный угол, отсчитываемый от передней критической точки цилиндра в направлении обтекания потока (критическими точками называются точки разветвления потока).

При направлении движения, указанном на рис. 1, точка А называется передней критической точкой, точка В – задней.

Рисунок 2.6 - Изменение коэффициента давления по поверхности бесконечного цилиндра при поперечном его обтекании: 1 — потенциальное обтекание; 2 — турбулентный режим обтекания (Rе ≥ 2•10⁵)

В передней критической точке происходит полное торможение потока и скорость u = 0. Максимальное значение скорость на поверхности цилиндра принимает в точках С и D миделевого сечения цилиндра, и равна удвоенной скорости невозмущенного потока

u_макс = 2u_∞

За миделевым сечением цилиндра скорость снижается и в задней критической точке снова становится равной нулю. Согласно уравнению Бернулли

р_ст + р_д = р_ст∞ + р_д∞, (1.2)

где р_ст, р_д, р_ст∞, р_д∞ – статическое и динамическое давление в произвольной точке на поверхности цилиндра и вдали от него.

Относительная разность статического давления (коэффициент давления)

. (1.3)

Для плоского безвихревого обтекания с учетом (1.1) получим

∆р_ст = 1 – 4sin² φ . (1.4)

Согласно соотношению (1.4) по бокам обтекаемого цилиндра создается максимальное разрежение, относительное значение которого равно

∆р_{ст.макс} = –3.

Если полагать, что для возникновения самоокутывания необходимо затормозить поток газов, выходящих из трубы, то для выполнения этого условия необходимо, чтобы значение разрежения, возникающего на поверхности трубы при обтекании ее ветром, было равно по абсолютной величине динамическому давлению газов в устье трубы:

|∆р_ст| = р_д0 (1.5)

Разделив обе части соотношения (1.5) на р_д∞, получим выражение для гидродинамического параметра J:

J = р_д0 / р_д∞ = |∆р_ст| (1.6)

Это соотношение является основным для определения условий самоокутывания. Поскольку при поперечном обтекании цилиндра потенциальным потоком наибольшее возникающее разрежение равно ∆р_ст = –3, то получаем теоретическое решение для условия возникновения самоокутывания: J ≤ 3. Реальное обтекание цилиндра (трубы) происходит с отрывом потока в кормовой части цилиндра, поэтому распределение давления отличается от теоретического (кривая 2 на рис. 1).

Экспериментальные исследования показали, что процесс самоокутывания газоотводящей трубы зависит главным образом от распределения давления в верхней части трубы, где существенную роль играет краевой эффект обтекания. Для газоотводящих труб при обтекании их потоком ветра характерны большие значения числа Рейнольдса (Rе>10⁶). Распределение давления по поверхности трубы на крупномасштабной модели газоотводящей трубы при закритических числах Рейнольдса исследовалось в большой аэродинамической трубе А-6 Института механики МГУ.

Проведенные исследования показали, что при J < 2,4 в распределении давления по верхней части газоотводящей трубы проявляется краевой эффект обтекания, причем чем меньше значение J, тем этот эффект сильнее. При значениях гидродинамического параметра J ≤ 1,6 разрежение в верхней части поверхности трубы возрастает при удалении от устья трубы, поэтому периферийная часть дымового факела будет подсасываться по бокам трубы этим разрежением вниз, т.е. будет происходить процесс самоокутывания (рис. 6).

Разрежение при удалении от устья трубы вниз при 1,6 < J < 2,4 сначала возрастает, а за-тем начинает убывать, поэтому самоокутыванию может подвергаться лишь та часть поверхности трубы, где наблюдается отрицательный градиент давления ( z < 0,5).

При J = 2,4 выходящая из трубы струя обтекается потоком ветра так, что распределение давления по поверхности газоотводящей трубы в верхней ее части оказывается таким же, как и на значительном удалении от устья, т.е. происходит как бы удлинение трубы и характер ее обтекания соответствует обтеканию бесконечного цилиндра.

При J > 2,4 проявляется эжектирующее действие выходящей из трубы струи газов и максимальное разрежение возникает на торце трубы, а при удалении от устья трубы вниз разрежение уменьшается, поэтому обтекающий трубу воздух будет подсасываться вверх в дымовой факел. Положительный градиент давления в направлении от устья трубы вниз будет препятствовать опусканию дымовых газов ниже устья трубы.

Рисунок 2.7 - Изменение минимальных значений коэффициента давления по высоте трубы:

а) – J = 0; б) – J = 0,2; в) – J = 2,4

Снижение интенсивности коррозии может быть достигнуто рациональным подключением оборудования к газоотводящим стволам и выбором соответствующих скоростей газов в них. При этом следует стремиться к тому, чтобы при расчетном режиме работы оборудования выполнялось соотношение J = р_Д.Г. / р_Д.В. ≥ 2,4. Так, например, если на тепловой электростанции к одной одноствольной газоотводящей трубе подключено оборудование, работающее в базовом и пиковом режимах, то вероятность самоокутывания будет увеличиваться при отключении пикового оборудования.

В зоне самоокутывания наружную поверхность стволов и оболочек следует защищать противокоррозионными покрытиями. Выбор типа и состава их зависит от характера агрессивной среды. Высота защищаемого участка должна составлять не менее трех наружных верхних диаметров газоотводящей трубы.

• Основы проектирования дымовых труб. Основные факторы и исходные данные для разработки проекта (Страница 1)
• Расчет высоты и выходного диаметра трубы. Расчет выходного диаметра и высоты трубы для обеспечения естественной тяги. Расчет высоты трубы при принудительной тяге (Страница 2)
• Основы аэродинамического расчета дымовых труб. Особенности внутренней аэродинамики (Страница 3)
• Диффузоры и их аэродинамика (Страница 4)
• Самоокутывание газоотводящих труб (Страница 5)
• Основы теплотехнического расчета (Страница 6)
• Основы силового расчета (Страница 7)
• Нагрузки и воздействия, реакция на них сооружения, особенности учета при расчете и проектировании. Нормативные и расчетные значения нагрузок (Страница 8)
• Особенности учета собственного веса. Температурные технологические воздействия (Страница 9)
• Ветровые нагрузки (Страница 10)
• Нормативные и расчетные значения прочностных и других характеристик материалов и грунтов. Проектирование ствола трубы (Страница 11)
• Проектирование и расчет оснований и фундаментов (Страница 12)

Подробную информацию про разработку проектной документации можно найти на странице о проектировании.