Схема устройства и принцип действия парового котла

Водотрубный котел, одна из принципиальных схем которого показана на рисунке 6.2, состоит из цилиндрических барабанов - коллекторов, которые соединены трубками небольшого диаметра (29-57 мм), заполненными водой и обогреваемыми горячими газами.

Пространство в котле, заполненное водой - нижний водяной коллектор, водогрейные трубки и часть верхнего пароводяного коллектора - называется водяным пространством, а занимаемая паром — верхняя часть парового коллектора - паровым пространством. Поверхность воды, разделяющее паровое и водяное пространства, называется зеркалом испарения, а его проекция на вертикальную плоскость - уровнем воды в котле. Уровень воды в котле должен сохраняться постоянным посредством непрерывного возмещения питательными насосами испаряющейся жидкости. Поверхность, омываемая с одной стороны водой, паром или воздухом, а с другой газами, называется поверхностью нагрева. Поверхностью нагрева, служащая для испарения воды, называется испарительной поверхностью котла.

 

 

 

Рисунок 6.2 - Принципиальная схема водотрубного котла с естественной циркуляцией.

1 - топливо; 2 - перегретый пар; 3 - питательная вода; 4 - атмосферный воздух;

5 - воздухоподогреватель; 6 - экономайзер; 7 - насыщенный пар; 8 - второй конвективный пучок; 9 - первый конвективный пучок; 10 - пароперегреватель; 11 - лучевоспринимающая (радиационная) поверхность.

 

Из парового пространства большая часть насыщенного пара направляется в пароперегреватель, где повышается его температура. Испарительная и пароперегревательная поверхности являются основными поверхностями нагрева котла. Для снижения потери тепла с отходящими газами, а следовательно, повышения КПД за основными поверхностями нагрева в газоходе котла устанавливают поверхности, служащие либо для подогрева питательной воды (водяной экономайзер), либо для подогрева воздуха (воздухоподогреватель). Иногда устанавливают одновременно водяной экономайзер и воздухоподогреватель.

Горячие газы, образующиеся при сгорании мазута в топке 14, двигаются к газоходу 15 и пересекают конвективные пучки труб 9 и 8. Первые ряды трубок, расположенные ближе к топке, воспринимают больше теплоты, чем трубки последних рядов. Поэтому в первых рядах трубок за один и тот же промежуток времени образуется больше пара, чем в трубках, расположенных дальше от зоны горения.

Т.к. пар в несколько сотен раз легче воды, занимающей тот же самый объем, то плотность пароводяной смеси в первых рядах конвективного пучка 9 и 8 будет меньше чем в последних рядах. Следовательно, в течении всего времени работы котла в его трубках происходит непрерывное движение воды и пароводяной смеси, направленное вверх в трубках первых рядов. Это движение воды внутри котла, вызываемое неодинаковым нагревом трубок, называется естественной циркуляцией воды в котле.

Трубки, по которым вода и пароводяная смесь поднимается вверх, называются подъемными, а трубки, по которым вода опускается - опускными. Пар из подъемных трубок попадает в пароводяной коллектор, проходи толщу воды и собирается над поверхностью воды. Так образуется насыщенный пар.

Массовый расход среды в сложном контуре Дцк., равный расход воды через спускные трубы, значительно превышает количество образующегося в контуре пара Дпк. Отношение Дцк и Дпк называется кратностью циркуляции воды в этом контуре, т.е. Кк = Дц.к./Дц.к..

Применительно ко всему паровому котлу среднее значение кратности циркуляции получим по формуле К = Дц/Дп, где Дц - количество воды, поступающей в единицу времени во все опускные трубы ПК, кг/с; Дп - количество пара, образующегося за это же время в паровом котле, или просто паропроизводительность, кг/с.

Кратность циркуляции вспомогательных вертикальных водотрубных ПК находится в пределах 20-40 и более. Т.о. количество воды, циркулирующей по контуру, в десятки раз больше паропроизводительности контура. Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции, которая в экранных трубах и трубах первого ряда достигает 1,1-2,4 м/с и 0,3-0,9 м/с в трубах последующих рядов.

В опускные трубы поступает вода, которая представляет собой смесь питательной и кипящей воды, выходящей из подъемных труб. Т.к. температура питательной воды ниже температуры кипящей, то в опускные трубы входит вода, недогретая до кипения. По мере опускания воды в необогреваемой трубе недогрев воды увеличивается из-за повышение давления на величину массы столба воды за вычетом напора, израсходованного на преодоление гидравлического сопротивления.

Т.о. в подъемные трубы поступает недогретая до кипения вода. Поэтому на некотором участке подъемной трубы называется экономайзерным, происходит лишь подогрев воды; закипание происходит лишь в точке К. Тот участок, по которому движется пароводяная смесь (выше точки К) называется паросодержащим. Его высоту от точки К до уровня зеркала испарения в пароводяном коллекторе обозначают Нпар.

Из теплового подъема трубы можно определить положение точки К и величину Нпар. Зная высоту паросодержащего участка, найдем движущий напор циркуляции:

 

S = Нпар(Рв - Рсм)g,

 

где: Рв - плотность воды, кг/м; Рсм - плотность пароводяной смеси; g = 9,81 м/сек - ускорение свободного падения.

Предельное значение коэффициента циркуляции не должно быть менее 4, т.е. К> 4, в противном случае прекращается циркуляция воды и наступает опрокидывание котла (застой).

На промысловых судах используются вспомогательные котлы низких параметров. Давление пара обычно не превышает 1,2 МПа (12 кгс/см2). Температура насыщенного пара при этом от 152° С при р = 0,5 МПа до 188° С при 1,2 МПа (12 кгс/см2).

Процесс перехода жидкости в пар называется парообразованием, а пар в жидкость - конденсацией.

Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он получен, называется насыщенным. Процесс кипения происходит при определенной температуре, т.е., при t = const, называемой температурой кипения или температурой насыщения ts, давление р при котором происходит кипение также постоянно, т.е. р = const.

 

Основы теплопередачи

В общем случае тепло может передаваться нагретому телу теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность - это процесс перехода тепла внутри тела, осуществляемый непосредственным соприкосновением отдельных его не перемещающихся частиц; он может происходить в твердом, жидком и газообразном теле.

Конвекция - это процесс теплообмена в движущихся массах жидких и газообразных тел, происходящий путем перемещения частиц и их взаимного перемешивания; он сопровождается и теплопроводностью в самом теплоносителе.

Тепловое излучение - это процесс распространения энергии электромагнитными волнами. При передаче теплоты излучением тепловая энергия горячего тела превращается в энергию излучения. Энергия излучения, встречая на своем пути какое-либо тело, частично или полностью может опять превратится в тепловую энергию, воспринимаемую этим телом.

Совокупное действие теплопроводности, конвекции и теплового излучения при теплообмене называется теплопередачей.

Во всех частях парового котла участвуют все виды распространения тепла. Однако в зависимости от теплового источника и конструкции котла в разных его частях преобладает один из указанных способов распространения- тепла. Так, например, поверхность нагрева, обращенная к топке, воспринимает преимущественно тепло, излучаемое факелом пламени или раскаленным горящим слоем твердого топлива, и ее называют лучевоспринимающей (радиационной) поверхностью. В других частях котла тепло от газов передается поверхностям нагрева преимущественно конвекцией; такие поверхности называются конвективными. Поверхности нагрева, которые не расположены на пути движения газов и воспринимают в основном энергию излучения, называются экранными поверхностями. Процесс теплообмена и горения топлива в топке котла схематически показан на рисунок 6.3.

1. Площадь поверхности нагрева - это площадь поверхности всех металлических стенок котла, которая с одной стороны обогревается пламенем горящего топлива и дымовыми газами, а с другой стороны омывается водой. Этот параметр позволяет судить о размерах котла. Он обозначается буквой Н и обозначается в м² со стороны, омываемой газами. В современных главных ПК Н ≈ 500 - 1000 м2, а вспомогательных - 10-1000 м².

 

 

Рисунок 6.3 - Схема теплообмена в топке котла:

1 - лучевоспринимающая поверхность; 2 - кирпичная обмуровка; 3 - раскаленные газы;

4 - факел пламени или слой раскаленного топлива.

 

Основные характеристики паровых котлов

2. Паропроизводительность ПК — это количество пара, производимое котлом в единицу времени при заданных параметрах пара (Р и t°C); обозначается она буквой Д и измеряется в тоннах/час (т/час) или в кг/час, кг/сек. Паропроизводительность главных ПК 5-60 т/ч, вспомогательных 0,5 - 12 т/час.

3. Удельный паросъем представляет собой количество пара т/м2*час или кг/м²*час получаемого с 1 м² поверхности нагрева в единицу времени:

 

d=Д/Н

 

Удельный паросъем характеризуется интенсивностью работы котла. На современных судах с каждого метра поверхности нагрева снимается до 0,06 т/час пара.

4. К параметрам пара относятся рабочее давление Р и температура. Состояние перегретого пара определяют два параметра - давление Р и t°C, а насыщенного Р, t°C и степень сухости х или влажности.

В установках с паровыми машинами применяется пар с избыточным давлением 1,5-2 МПа и температурой 300 - 370°С, а для паровых турбин параметры пара в современных ПК вырабатываются до Р = 4,0 - 4,2 МПа и t°C = 420 - 450.

5. Коэффициент полезного действия - КПД - это отношение количества теплоты, использованной для получения пара к теплоте, выделившейся при сгорании топлива в ПК. Для вспомогательных ПК КПД - 0,76 - 0,82, а для главных ПК - до 0,93 - 0,96.

Это значит, что во вспомогательных ПК 76 - 82% теплоты ушло на парообразование, у главных ПК - 0,93 - 0,96.

7. Температура питательной воды на входе в пароводяной коллектор - 40 - 60°С.

8. Сухая масса ПК (без воды) и с водой и , кг, т.

9. Относительное водосодержание g_B = /Д, кг/кн*час (Д - паропроизводительность).