Паровые котлы
Устройство и принцип работы паровых котлов
Паровым котлом называется устройство для выработки пара, использующее для этих целей теплоту сгорания органического топлива.
Простейшим котлом, с которого началось развитие паровых котлов, является цилиндрический котел, схема которого приведена на рис. 5.1. Вода в таком котле подается в барабан по питательному трубопроводу, а полученный пар собирается в сухопарнике и отводится по паропроводу к потребителю. Верхняя поверхность воды в барабане, где происходит образование пара, называется зеркалом испарения. Под барабаном располагается топочная камера, в которой происходит сжигание топлива. Горячие дымовые газы, омывая барабан, отдают теплоту воде и охлажденные уходят в дымовую трубу. Поверхность, омываемая с одной стороны дымовыми газами, а с другой стороны — нагреваемой водой, называется поверхностью нагрева котла. Обмуровка котла выполняется из красного или огнеупорного кирпича и образует газоплотные поверхности, препятствующие потере теплоты дымовых газов в окружающую среду и подсосу внешнего воздуха в газоходы котла. В обмуровке имеются необходимые для эксплуатации котла дверцы, лазы, лючки, гляделки, заслонки, называемые гарнитурой котла.
Обеспечение надежности и безопасности работы котла достигается установкой соответствующей арматуры: манометров, предохранительных клапанов, водоуказательного стекла и пробных кранов, запорных и регулирующих приспособлений на трубопроводах.
Рис. 5.1. Простой цилиндрический котел
1 — барабан; 2 — сухопарник; 3 — топка; 4 — водоуказательное стекло; 5 — манометр; 6 — предохранительный клапан; 7 — питательный вентиль; 8 — обратный клапан; 9 — паровой вентиль; 10 — обмуровка котла; 11 — дымовая заслонка
Обладая несомненной простотой, такой котел имеет ряд крупных недостатков: низкий коэффициент полезного действия, большую металлоемкость, ограничения по давлению и производительности.
Поэтому сразу же началось его совершенствование путем введения трубных поверхностей нагрева для общего увеличения поверхностей нагрева.
Развитие шло по двум направлениям — по пути создания газо- и водотрубных котлов (рис. 5.2).
В газотрубных котлах дымовые газы проходят внутри труб, а вода омывает их снаружи, а в водотрубных котлах наоборот.
В зависимости от угла наклона кипятильных труб к горизонту водотрубные котлы разделяют на горизонтально-водотрубные (с небольшим углом наклона труб) и вертикально-водотрубные (с углом наклона 50° и более).
В настоящее время горизонтальные водотрубные котлы не выпускаются.
Жаротрубные котлы, где в барабане размещены одна или две жаровые трубы большого диаметра, тоже не выпускаются из-за большой металлоемкости и малого коэффициента полезного действия. Практическое применение нашли конструкции, включающие как жаротрубную, так и дымогарную части.
Рис. 5.2. Схемы развития паровых котлов
/ — простой цилиндрический котел; 2— жаротрубный котел; 3 — дымогарный котел; 4 — горизонтально-водотрубный котел; 5 — вертикально-водотрубный
котел; 6 — экранный водотрубный котел
Тепловоспринимающие поверхности котла делятся на радиационные и конвективные поверхности нагрева.
Радиационные поверхности нагрева котла расположены в топочной камере и воспринимают теплоту преимущественно в результате лучеиспускания горящего топлива и продуктов сгорания и работают с большим теплонапряжением.
Конвективные поверхности нагрева получают теплоту от дымовых газов непосредственно от соприкосновения с ними движущихся горячих продуктов сгорания.
При работе котла от поверхностей нагрева, обогреваемых с одной стороны дымовыми газами, теплота с другой стороны должна отводиться рабочим веществом (вода, пароводяная смесь, пар), непрерывное движение которого обеспечивается путем создания естественной или принудительной циркуляции.
Естественная циркуляция образуется в замкнутом контуре за счет разности плотностей смеси в опускных и подъемных трубах. Принудительная — за счет применения побудителя движения воды (насоса), обеспечивающего принудительную циркуляцию воды через котел. Такие котлы бывают с многократной циркуляцией и прямоточные. Котлы с многократной принудительной циркуляцией из-за сложности их эксплуатации не получили широкого применения. Прямоточные котлы, в которых наблюдается однократная принудительная циркуляция воды и полное испарение происходит за время одного прохождения ее по поверхности нагрева, применяют на крупных энергетических станциях.
На рис. 5.3 изображен простейший контур естественной циркуляции, состоящий из барабана, коллектора и двух труб. Левая из труб контура нагревается и в ней частично образуется пар. Так как плотность смеси пара и воды в ней будет меньше, чем в правой, столб смеси в левой трубе не уравновесит столба жидкости в правой трубе и начнется движение жидкости, называемое естественной циркуляцией. Вода по необогреваемой опускной трубе движется вниз, а пароводяная смесь по обогреваемой подъемной трубе движется вверх. Получившийся пар удаляется из контура через барабан, а на его место поступает питательная вода. Количество образующегося пара в подъемной трубе контура меньше, чем количество воды, поступающей в опускную трубу за тот же промежуток времени, т.е. не вся вода за один оборот по контуру превращается в пар. Отношение количества воды, проходящей через контур в определенный промежуток времени, к паропроизводительности контура называют кратностью циркуляции. Для котлов с естественной циркуляцией эта величина колеблется в пределах от 10 до 40.
Расчет циркуляции сводится в основном к решению двух уравнений, отражающих массовый баланс и баланс сил. Первое уравнение показывает, что количество рабочего вещества при движении по контуру остается неизменным:
(5.1)
где (?под — количество пара и воды, движущихся в подъемных
трубах , кг/с;
(?оп — количество воды, движущейся в опускных трубах, кг/с.
Второе уравнение показывает, что движущий напор циркуляционного контура, создаваемый разностью плотностей воды рв, кг/м3, и пароводяной смеси рсм, кг/м3, умноженной на высоту паросодержащего участка подъемной трубы А , м, уравновешивается суммой сопротивлений, возникающих в опускных и подъемных трубах:
Рт = ЕДРоп + ГД/>г,од, Па, (5.2)
где Рш — движущий напор, Па, равный йпар (ув - уш);
- 1АРоп — сумма сопротивлений движению в опускных трубах, Па;
- 1ДР1ЮЛ — сумма сопротивлений движению в подъемных трубах, Па.
Рис. 5.3. Схема естественной циркуляции воды
Избыточную часть движущего напора, оставшуюся после покрытия потерь на сопротивление движению в подъемной трубе, называют полезным напором циркуляции:
/’пол = /,дв - 2д/>под. Па. (5.3)
Или иначе это можно выразить так:
Л™ = ^Рои, па. (5.4)
Следовательно, полезный напор служит для преодоления сопротивления движению в опускных трубах.
В результате расчета циркуляции должны быть выбраны число и диаметр опускных и подъемных труб, обеспечивающих необходимую скорость движения жидкостей по трубам для заданной высоты контура.
При недостаточных скоростях может произойти застой и даже опрокидывание циркуляции, т.е. изменение движения воды в подъемных трубах сверху вниз, а в опускных — снизу вверх. Эти явления очень опасны, так как при них в подъемных трубах будут возникать паровые мешки из-за скапливания пузырьков пара, что приведет к местному перегреву стенок и разрыву труб.
Устойчивая циркуляция, обеспечивающая в контуре котла непрерывное движение с необходимой скоростью потоков воды и пароводяной смеси, гарантирует надежную и безопасную работу котла.
Котлы с естественной циркуляцией могут быть как газотрубные, так и водотрубные.
Стационарные паровые котлы подразделяют на следующие типы: Пр — котел с принудительной циркуляцией, Е — с естественной циркуляцией, ЕПр — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара, ППр — прямоточный с промежуточным перегревом пара, КПр — с комбинированной циркуляцией и промежуточным перегревом пара. Первое число в обозначении котла после типа показывает паропроизводитель-ность (т/ч), второе — абсолютное давление пара в МПа (кгс/см2), затем проставляется индекс топки: Ж — с жидким шлакозолоуда-лением, В — вихревая, Ц — циклонная, Р — слоевая, Г — газ, М — мазут. В случае если котел работает под наддувом проставляется индекс Н.
