Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть, в частности, использована в качестве конвективных поверхностей нагрева котлов. Предлагаемая конструкция поверхности нагрева имеет уменьшенные по сравнению с прототипом шаги между трубами шахматного конвективного пучка в направлении поперечном движению газов. Схема соединения U-образных труб каждого флажка с коллектором позволяет при тех же габаритах конвективного пакета увеличить общую поверхность нагрева, а также увеличить скорость газов в конвективной поверхности нагрева, повысив, таким образом, интенсивность теплообмена. Конвективная поверхность нагрева содержит шахматный конвективный пучок, образованный флажками 1, выполненными из U-образных труб 2, подключенных к вертикальным коллекторам 3. U-образные трубы 2 каждого флажка 1 соединяются с вертикальным коллектором 3 так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси вертикального коллектора 3. Места присоединения входных концов U-образных труб 2 каждого флажка 1 последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы 2 соединяются с коллектором 3 на разных осях. Таким образом, U-образные трубы 2 располагаются перекрестие, одна над другой, что позволяет уменьшить расстояние между центрами отверстий соединения труб 2 с коллектором 3 и, следовательно, шаги между трубами шахматного конвективного пучка в поперечном направлении.
Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть, в частности, использована в качестве конвективных поверхностей нагрева котлов.
Известна конвективная поверхность нагрева по авт. свид. СССР №844917, содержащая шахматный конвективный пучок образованный установленными в вертикальных коллекторах встречно расположенными флажками, выполненными из U-образных труб. Трубы каждого флажка традиционно соединяются с вертикальными коллекторами так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси коллектора, причем часть труб каждого флажка крепится по одной оси, часть - по другой. При этом шаг между трубами шахматного конвективного пучка в поперечном направлении не может быть меньше двух диаметров труб, что не позволяет уменьшить габаритные размеры конвективной поверхности нагрева.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении шагов между трубами в поперечном движению газов направлении, что позволяет при тех же габаритах конвективного пакета увеличить общую поверхность нагрева, и, кроме того, увеличивает скорость проходящих газов, что увеличивает интенсивность теплообмена.
Указанный технический результат достигается тем, что в конвективной поверхности нагрева, содержащей шахматный конвективный пучок образованный установленными в вертикальных
коллекторах встречно расположенными флажками, выполненными из U-образных труб, в которой трубы каждого флажка соединяются с вертикальными коллекторами так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси коллектора, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, места присоединения входных концов U-образных труб каждого флажка последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы соединяются с коллектором на разных осях.
Предлагаемые чертежи поясняют суть предложения. На фиг.1 представлен общий вид конвективной поверхности нагрева, на фиг.2 и 3 - то же соответственно в разрезе по А-А и по Б-Б.
Конвективная поверхность нагрева (фиг.1-3) содержит шахматный конвективный пучок, образованный флажками 1, выполненными из U-образных труб 2, подключенных к вертикальным коллекторам 3. U-образные трубы 2 каждого флажка 1 соединяются с вертикальным коллектором 3 так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси вертикального коллектора 3. Места присоединения входных концов U-образных труб 2 каждого флажка 1 последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы 2 соединяются с коллектором 3 на разных осях. Таким образом, U-образные трубы 2 располагаются перекрестие, одна над другой, что позволяет уменьшить расстояние между центрами отверстий соединения труб 2 с коллектором 3 и, следовательно, шаги между трубами шахматного конвективного пучка в поперечном направлении.
Работает устройство следующим образом.
Рабочая среда поступает в коллекторы 3 и раздается по U-образным трубам 2 флажков 1 конвективной поверхности нагрева.
Горячие газы поперечно омывают трубы 2, при этом за счет уменьшенного шага между трубами 2, обеспечившего более плотное расположение труб в шахматном конвективном пучке, скорость газов увеличивается. Нагретая рабочая среда попадает в коллекторы 3 и отводится из конвективной поверхности нагрева.
Предлагаемая конструкция поверхности нагрева имеет уменьшенные по сравнению с прототипом шаги между трубами шахматного конвективного пучка в направлении поперечном движению газов. Схема соединения U-образных труб каждого флажка с коллектором позволяет при тех же габаритах конвективного пакета увеличить общую поверхность нагрева, а также увеличить скорость газов в конвективной поверхности нагрева, повысив, таким образом, интенсивность теплообмена.
Формула полезной модели
Конвективная поверхность нагрева, содержащая шахматный конвективный пучок, образованный установленными в вертикальных коллекторах встречно расположенными флажками, выполненными из U-образных труб, причем трубы каждого флажка соединяются с вертикальными коллекторами так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси коллектора, отличающаяся тем, что места присоединения входных концов U-образных труб каждого флажка последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы соединяются с коллектором на разных осях.
Конвективная поверхность нагрева размещена в газоходе и представляет змеевиковый экономайзер, состоящий из 16 секций. Секции набирают таким образом, чтобы змеевики располагались параллельно фронту котла в шахматном порядке. Для сжигания газа установлены четыре подовые горелки с прямой щелью, заканчивающейся вверху внезапным расширением. Горелки размещены между вертикальными топочными экранами.
Конвективные поверхности нагрева должны иметь устройства для удаления осевшей после обдувки золы. Из мест обора зола должна удаляться свободно я без перегрузок. Все места, где скапливается осевшая зола, должны быть достаточных размеров и доступны для чистки. Глухие мешки, где может скапливаться зола, должны быть уменьшены до минимума.
| Z - схема соединения экранных поверхностей нагрева. |
Конвективная поверхность нагрева 2 котла состоит из 156 горизонтальных труб длиной 2 9 м, расположенных в 6 рядов по 26 труб в каждом и вваренных в коллекторы диаметром 108 X 4 мм.
| Парогенератор БКЗ 420 / 140. |
Конвективные поверхности нагрева, за исключением экономайзера, расположены в плоскости, перпендикулярной фронту, и опираются на подвесные трубы 6, являющиеся первой ступенью экономайзера.
Конвективные поверхности нагрева в передвижных паровых котлах состоят из испарительных поверхностей котла, пароперегревателей и водяных экономайзеров.
Конвективная поверхность нагрева, располагаемая в зоне температур, указанных в таблице или на 50 С меньших, должна быть фесто-нирована. В противном случае температуры газов, указанные в таблице, должны быть уменьшены на 50 С.
Конвективные поверхности нагрева (испарительная и пароперегревателя) размещены в двух самостоятельных горизонтальных газоходах и выполнены в виде гладкотрубных змеевиков, расположенных вертикально. Пароперегреватель конвективного типа, двухступенчатый. Температура перегрева пара регулируется двухступенчатым пароохладителем, установленным в рассечку.
Конвективные поверхности нагрева расположены в двух опускных газоходах с полностью экранированными стенами. Ограждающими поверхностями каждой конвективной шахты являются промежуточная стена котла, боковая стена котла, фронтовая и задняя стены конвективной шахты.
Конвективные поверхности нагрева обычно выполняют в виде рядов труб с коридорным или шахматным расположением, омываемых продуктами сгорания топлива. Движение газов в трубном пучке продольное или поперечное, В этих поверхностях нагрева перенос теплоты от греющих газов к рабочей среде осуществляется преимущественно за счет конвекции. Радиационная составляющая в общем потоке теплоты, передаваемом рабочему телу, относительно невелика вследствие снижения температур потока газов по ходу их движения в газоходах котла и малой толщины излучающего слоя в межтрубном пространстве.
Конвективные поверхности нагрева всех котлов выполнены одинаково, за исключением котла KB-TGB, у которого в конвективной шахте установлен един пакет.
Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.
Расчет конвективных испарительных поверхностей нагрева рекомендуется выполнять в следующей последовательности.
1. По чертежу и по техническим характеристикам котлоагрегата (раздел 2, табл. 1.2-1.13) определяют конструктивные характеристики рассчитываемого газохода: площадь поверхности нагрева Н, диаметр труб в пучке d, поперечный шаг труб s 1 (в поперечном направлении по отношению к направлению потока рис. 6.1), продольный шаг труб s 2 (в продольном направлении по отношению к движению потока, ри. 6.1.), м; z 1 - число труб в ряду, z 2 - число рядов труб по ходу продуктов сгорания. Затем рассчитываются относительный поперечный шаг
и относительный продольный шаг
Площадь поверхности нагрева, расположенной в газоходе, м 2
где l – длина труб, расположенных в газоходе, м, n - общее количество труб, расположенных в газоходе.
Площадь поперечного сечения для прохода продуктов сгорания, м 2: при поперечном омывании гладких труб
при поперечном омывании гладких труб
, (6.5)
где и - размеры газохода в расчетных сечениях, м; - освещенная длина труб (длина проекции трубы), м; -число труб в пучке.
2. Предварительно принимаются два значения температуры продуктов сгорания на выходе из рассчитываемого газохода. В дальнейшем весь расчет ведется для для двух значений предварительно принятых температур .
3. Определяется тепловосприятие поверхности по уравнению теплового баланса, кДж/кг, кДж/м 3 ,
где определяется по формуле (4.11); - определяется по диаграмме при температуре и коэффициенте избытка воздуха на входе в поверхность нагрева ; - определяется по диаграмме при температуре и коэффициенте избытка воздуха на выходе из поверхности нагрева; величина присоса воздуха в рассчитываемом газоходе; принимается по таблице для температуры воздуха =30 о С.
4.Вычисляется средняя температура потока продуктов сгорания в газоходе, о С
где - температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.
5. Определяется температурный напор, о С
где к – температура воды на линии насыщения при давлении в барабане котла, о С, определяется по таблицам воды и водяного пара.
6. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в газоходе, м/с
(6.9)
где V г – объем продуктов сгорания на 1кг твердого или жидкого топлива или на 1м 3 газообразного топлива, принимается по табл. 3.3 для соответствующего газохода.
7. Определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:
при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков и ширм
при продольном омывании
где - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме: при поперечном омывании коридорных пучков – по рис 6.1, при поперечном омывании шахматных пучков – по рис 6.2, при продольном омывании - по рис.6.3; с z - поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков по рис.6.1, при поперечном омывании шахматных пучков по рис.6.2; с s – поправка на геометрическую компоновку пучка труб, определяется для коридорных и шахматных пучков при поперечном омывании по рис.6.1 и 6.2, соответственно; с ф – коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется для коридорных и шахматных пучков при поперечном омывании по рис.6.1 и 6.2, соответственно; с l – поправка на относительную длину, вводится при и определяется в случае прямого входа в трубу, без закругления; при продольном омывании продуктами сгорания поправка вводится для котельных пучков и не вводится для ширм.
Рис.6.1. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков.
Рис.6.2. Коэффициент теплоотдачи при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков
Рис.6.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании для воздуха и продуктов сгорания
При охлаждении продуктов сгорания и воздуха , Вт/(м 2 К), при нагревании воздуха , Вт/(м 2 К)
Рис.6.4. Коэффициент теплоотдачи излучением
8. Определяется степень черноты газового потока по номограмме рис.5.5. Для определения степени черноты по номограмме необходимо вычислить суммарную оптическую толщину ослабления лучей
где k г r п – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, k г определяется в соответствии с формулой (5.6) или по номограмме (рис.5.4), r п – из табл. 3.3; k зл - коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяется по рис. 5.3 при сжигании твердого топлива в пылеугольных топках; при сжигании газа, жидкого топлива и твердого топлива в слоевых и факельно-слоевых топках k зл =0; - концентрация золовых частиц, принимается по таблице 3.3; p – давление в газоходе, для котлов, работающих без наддува, принимается равным 0,1 МПа.
Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков труб, м
. (6.13)
9. Определяется коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности конвективных пучков, Вт/(м 2 К):
для запыленного потока (при сжигании твердых топлив)
для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)
где - коэффициент теплоотдачи излучением, определенный по номограмме рис.6.4; - степень черноты, определенная по рис.5.5; с г –коэффициент, определяемый по рис.6.4.
Для определения и коэффициента с г необходимо знать температуру загрязненной стенки, о С
где t средняя температура пароводяной смеси, принимается равной температуре насыщения при давлении в барабане котлоагрегата, о С; t при сжигании твердых и жидких топлив принимается равной 60 о С, при сжигании газа 25 о С.
10. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м 2 К):
(6.17)
где - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерности омывания ее продуктами сгорания, образования застойных зон, для поперечно омываемых пучков принимается =1,0, для сложно омываемых =0,95.
11. Вычисляется коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К):
где - коэффициент тепловой эффективности, определяется по таблицам 6.1 и 6.2.
Таблица 6.1.
Коэффициент тепловой эффективности для конвективных поверхностей нагрева* при сжигании различных твердых топлив
*Фестоны парогенераторов большой мощности, развитые котельные пучки котлов малой мощности, конвективные пароперегреватели и экономайзеры с коридорным расположением труб.
Для всех видов твердого топлива, кроме подмосковного угля, требуется очистка конвективных поверхностей нагрева.
Таблица 6.2.
Коэффициент тепловой эффективности для конвективных поверхностей при сжигании газа и мазута
| Поверхность нагрева | Скорость продуктов сгорания, м/с | Значение коэффициента |
| При сжигании мазута | ||
| Первые и вторые ступени экономайзеров с очисткой поверхностей нагрева дробью | 12-20 | 0,65-0,6 |
| То же | 4-12 | 0,7-0,65 |
| Пароперегреватели, расположенные в конвективной шахте, при очистке дробью, а также коридорные пароперегреватели в горизонтальном газоходе, без очистки; котельные пучки котлов малой мощности, фестоны | 12-20 | 0,6 |
| То же | 4-12 | 0,65-0,6 |
| Экономайзеры котлов малой мощности (при температуре воды на входе 100 о С и меньше) | 4-12 | 0,55-0,5 |
| При сжигании газа | ||
| Первые ступени экономайзеров и одноступенчатые экономайзеры, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них | - | 0,9 |
| Вторые ступени экономайзеров, пароперегреватели и другие конвективные поверхности нагрева, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них | - | 0,85 |
Примечание. 1. При сжигании газа после сжигания мазута коэффициент тепловой эффективности принимается средним между значениями для газа и мазута. 2.При сжигании газа после твердого топлива (без остановки котла) коэффициент тепловой эффективности принимается как для твердого топлива. 3. Больший коэффициент тепловой эффективности принимается для меньшей скорости.
Классификация котлов
Котельные агрегаты разделяются на паровые, предназначенные для производства водяного пара, и водогрейные, предназначенные для получения горячей воды.
По виду сжигаемого топлива и соответствующего топливного тракта различают котлы для газообразного, жидкого и твердого топлива.
По газовоздушному тракту различают котлы с естественной и уравновешенной тягой и с наддувом. В котле с естественной тягой сопротивление газового тракта преодолевается под действием разности плотностей атмосферного воздуха и газа в дымовой трубе. Если сопротивление газового тракта (так же, как и воздушного) преодолевается с помощью дутьевого вентилятора, то котел работает с наддувом. В котле с уравновешенной тягой давление в топке и начале газохода поддерживается близким к атмосферному совместной работой дутьевого вентилятора и дымососа. В настоящее время стремятся все выпускаемые котлы, в том числе и с уравновешенной тягой, изготовлять газоплотными.
По виду пароводяного тракта различают барабанные (рис. 3.1, а, б )и прямоточные (рис. 3.1, в ) котлы. Во всех типах котлов через экономайзер 1 и пароперегреватель 6 вода и пар проходят однократно. В барабанных котлах многократно циркулирует пароводяная смесь в испарительных поверхностях нагрева 5 (от барабана 2 по водоопускным трубам 3 к коллектору 4 и барабану 2). Причем в котлах с принудительной циркуляцией (рис. 3.1, б ) перед входом воды в испарительные поверхности 5 устанавливают дополнительный насос 8. В прямоточных котлах (рис. 3.1, в ) рабочее тело по всем поверхностям нагрева проходит однократно под действием напора, развиваемого питательным насосом 7.
В котлах с рециркуляцией и комбинированной циркуляцией для увеличения скорости движения воды в некоторых поверхностях нагрева при пуске прямоточного котла или работе на пониженных нагрузках обеспечивают принудительную рециркуляцию воды специальным насосом 8 (рис. 3.1, г ).
По фазовому состоянию выводимого из топки шлака различают котлы с твердым и жидким шлакоудалением. В котлах с твердым шлакоудалением (ТШУ) шлак из топки удаляется в твердом состоянии, а в котлах с жидким шлакоудалением (ЖШУ) – в расплавленном.
Рис. 3.1. Схемы пароводяного тракта котла: а
– барабанного с естественной циркуляцией;
б –
барабанного с принудительной циркуляцией; в
– прямоточного; г
– прямоточного
с принудительной циркуляцией: 1 – экономайзер; 2 – барабан котла; 3 – водоопускные трубы;
4 – коллектор экранных труб; 5 – испарительные поверхности нагрева; 6 – пароперегреватель;
7 – питательный насос; 8 – циркуляционный насос
Водогрейные котлы характеризуют по их теплопроизводительности, температуре и давлению подогретой воды, а также по роду металла, из которого он изготовлен.
Водогрейные котлы бывают стальные и чугунные.
Чугунные котлы изготавливают для отопления отдельных жилых и общественных зданий. Их теплопроизводительность не превышает 1 – 1,5 Гкал/ч, давление – 0,3 – 0,4 МПа, температура – 115 о С. Стальные водогрейные котлы большой теплопроизводительности устанавливают в крупных квартальных или районных котельных, которые могут обеспечить теплоснабжение крупных жилых районов.
Паровые котельные агрегаты выпускаются различными по типу, паропроизводительности и параметрам производимого пара.
По паропроизводительности различают котлы малой производительности – 15 – 20 т/ч, средней производительности – от 25 – 35 до 160 – 220 т/ч и большой производительности от 220 – 250 т/ч и выше.
Под номинальной паропроизводительностью понимают наибольшую нагрузку (в т/ч или кг/с) стационарного котла, с которой он может работать в течение длительной эксплуатации при сжигании основного вида топлива или при подводе номинального количества теплоты при номинальных значениях пара и питательной воды с учетом допускаемых отклонений.
Номинальные значения давления и температуры пара – это параметры, которые должны быть обеспечены непосредственно перед паропроводом к потребителю пара при номинальной паропроизводительности котла (а температура также при номинальном давлении и температуре питательной воды).
Номинальная температура питательной воды – это температура воды, которую необходимо обеспечить перед входом в экономайзер или другой подогреватель питательной воды котла (или при их отсутствии – перед входом в барабан) при номинальной паропроизводительности.
По давлению рабочего тела различают котлы низкого (менее 1 МПа), среднего
(1 – 10 МПа), высокого (10 – 25 МПа) и сверхкритического давления (более 25 МПа).
Котельные агрегаты вырабатывают насыщенный или перегретый пар с температурой до 570 °С.
По назначению паровые котлы можно разделить на промышленные, устанавливаемые в производственных, производственно-отопительных и отопительных котельных, и энергетические, устанавливаемые в котельных тепловых электрических станций.
По типу компоновки котлы можно разделить на вертикально-циллиндрические, горизонтальной компоновки (с развитой испарительной поверхностью нагрева) и вертикальной компоновки.
Барабанные паровые котлы
Барабанные котлы широко применяют на ТЭС и в котельных. Наличие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода в них, как правило, после экономайзера 1 (см. рис. 3.1, а ) подается в барабан 2, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан и экраны). Смесь котловой и питательной воды по опускным необогреваемым трубам 3 из барабана поступает в нижние распределительные коллектора 4, а затем в экраны 5 (испарительные поверхности). В экранах вода получает теплоту Q от продуктов сгорания топлива и закипает. Образующаяся пароводяная смесь поднимается в барабан. Здесь происходит разделение пара и воды. Пар по трубам, соединенным с верхней частью барабана, направляется в перегреватель 6, а вода снова в опускные трубы 3.
В экранах за один проход испаряется лишь часть (от 4 до 25 %) поступающей в них воды. Тем самым обеспечивается достаточно надежное охлаждение труб. Предотвратить накопление солей, осаждающихся при испарении воды на внутренней поверхности труб, удается благодаря непрерывному удалению части котловой воды из котла. Поэтому для питания котла допускается использование воды с относительно большим содержанием растворенных в ней солей.
Замкнутую систему, состоящую из барабана, опускных труб, коллектора и испарительных поверхностей, по которой многократно движется рабочее тело, принято называть контуром циркуляции, а движение воды в нем – циркуляцией. Движение рабочей среды, обусловленное только различием веса столбов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называют естественной циркуляцией, а паровой котел – барабанным с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция возможна лишь в котлах с давлением, не превышающим 18,5 МПа. При большем давлении из-за малой разности плотностей пароводяной смеси и воды устойчивое движение рабочей среды в циркуляционном контуре обеспечить трудно. Если движение среды в циркуляционном контуре создается насосом 8 (см. рис. 3.1, б ), то циркуляция называется принудительной , а паровой котел – барабанным с принудительной циркуляцией. Принудительная циркуляция позволяет выполнять экраны из труб меньшего диаметра как с подъемным, так и опускным движением среды в них. К недостаткам такой циркуляции следует отнести необходимость установки специальных насосов (циркуляционных), которые имеют сложную конструкцию, и дополнительный расход энергии на их работу.
Простейший барабанный котел, используемый для получения водяного пара, состоит из горизонтального цилиндрического барабана 1 с эллиптическими днищами, на 3/4 объема заполненного водой, и топки 2под ним (рис. 3.2, а ). Стенки барабана, обогреваемые снаружи продуктами горения топлива, играют роль теплообменной поверхности.
С ростом паропроизводительности резко возросли размеры и масса котла. Развитие котлов, направленное на увеличение поверхности нагрева при сохранении водяного объема, шло по двум направлениям. Согласно первому направлению увеличение теплообменной поверхности достигалось благодаря размещению в водном объеме барабана труб, обогреваемых изнутри продуктами сгорания. Так, появились жаротрубные (рис. 3.2, б ), затем дымогарные и, наконец, комбинированные газотрубные котлы. В жаротрубных котлах в водном объеме барабана 1 параллельно его оси размещены одна или несколько жаровых труб 3 большого диаметра (500 – 800 мм), в дымогарных – целый пучок труб 3 малого диаметра. В комбинированных газотрубных котлах (рис. 3.2, в ) в начальной части жаровых труб расположена топка 2, а конвективная поверхность выполнена из дымогарных труб 3. Производительность этих котлов была невелика, ввиду ограниченных возможностей размещения жаровых и дымогарных труб в водяном объеме барабана 1.Их использовали в судовых установках, локомобилях и паровозах, а также для получения пара на собственные нужды предприятия.
Рис. 3.2. Схемы котлов: а – простейшего барабанного; б – жаротрубного; в – комбинированного газотрубного; г – водотрубного; д – вертикально-водотрубного; е – барабанного современной конструкции
Второе направление в развитии котлов связано с заменой одного барабана несколькими, меньшего диаметра, заполненными водой и пароводяной смесью. Увеличение числа барабанов привело сначала к созданию батарейных котлов, а замена части барабанов трубами меньшего диаметра, расположенными в потоке дымовых газов, – к водотрубным котлам. Благодаря большим возможностям увеличения паропроизводительности это направление получило широкое развитие в энергетике. Первые водотрубные котлы имели наклоненные к горизонтали (под углом 10 – 15°) пучки труб 3, которые с помощью камер 4 присоединялись к одному или нескольким горизонтальным барабанам 1 (рис. 3.2, г
). Котлы такой конструкции получили название горизонтально-водотрубных
. Среди них особо следует выделить котлы русского конструктора В. Г. Шухова. Прогрессивная идея, связанная с разделением общих камер, барабанов и трубных пучков на однотипные группы (секции) одинаковой длины и тем же числом труб, заложенная в конструкцию, позволила осуществлять сборку котлов разной паропроизводительности из стандартных деталей.
Но такие котлы не могли работать при переменных нагрузках.
Создание вертикально-водотрубных котлов – следующий этап развития котлов. Пучки труб 3, соединяющие верхние и нижние горизонтальные барабаны 1,стали располагать вертикально или под большим углом к горизонту (рис. 3.2, д ). Повысилась надежность циркуляции рабочей среды, обеспечился доступ к концам труб и тем самым упростились процессы вальцовки и очистки труб. Совершенствование конструкции этих котлов, направленное на повышение надежности и эффективности их работы, привело к появлению современной конструкции котла (рис. 3.2, е ):однобарабанного с нижним коллектором 5 небольшого диаметра; опускными трубами 6 и барабаном 1, вынесенными из зоны обогрева за обмуровку котла; полным экранированием топки; конвективными пучками труб с поперечным омыванием продуктами сгорания; предварительным подогревом воздуха 9, воды 8 и перегревом пара 7.
Конструктивная схема современного барабанного котла определяется его мощностью и параметрами пара, видом сжигаемого топлива и характеристиками газовоздушного тракта. Так, с ростом давления меняется соотношение между площадями нагревательных, испарительных и перегревательных поверхностей. Увеличение давления рабочего тела от
р
= 4 МПа до р
= 17 МПа приводит к уменьшению доли теплоты q,
затраченной на испарение воды с 64 до 38,5 %. Доля теплоты, расходуемой на подогрев воды, увеличивается при этом с 16,5 до 26,5 %, а на перегрев пара – с 19,5 до 35 %.
Поэтому с повышением давления растут площади нагревательной и перегревательной поверхностей, а площадь испарительной поверхности уменьшается.
В отечественных промышленных и промышленно-отопительных котельных широко распространены котельные агрегаты типа ДКВР (двухбарабанный котел, водотрубный, реконструированный) с номинальной паропроизводительностью 2,5; 4; 6,5; 10 и 20 т/ч, изготовляемые Бийским котельным заводом.
Котлы типа ДКВР (рис. 3.3 и 3.4) изготовляют в основном на рабочее давление пара
14 кгс/см 2 для производства насыщенного пара и с пароперегревателем для производства перегретого пара с температурой 250 °С. Кроме того, котлы паропроизводительностью 6,5 и 10 т/ч изготовляют на давление 24 кгс/см 2 для производства пара, перегретого до 370 °С, а котлы паропроизводительностью 10 т/ч также на давление 40 кгс/см 2 для производства пара, перегретого до 440 °С.
Котлы типа ДКВР выпускают в двух модификациях по длине верхнего барабана.
У котлов паропроизводительностью 2,5; 4,0 и 6,5 т/ч, а также у более ранней модификации котла паропроизводительностью 10 т/ч верхний барабан выполнен значительно более длинным, чем нижний. Барабаны соединены системой гнутых цельнотянутых стальных кипятильных труб наружным диаметром 51×2,5 мм, образующих развитую конвективную поверхность нагрева. Трубы расположены в коридорном порядке и своими концами завальцованы в барабаны. В продольном направлении трубы расположены на расстоянии между осями (шаг) 110, а в поперечном 100 мм.
Пароперегреватель в котлах типа ДКВР выполняют вертикальным змеевиковым из стальных цельнотянутых труб наружным диаметром 32 мм. Его размещают в начале котельного пучка, отделяя от камеры догорания двумя рядами кипятильных труб. Для того чтобы можно было разместить пароперегреватель, часть кипятильных труб не устанавливают. Трубный пучок и экраны в сборе с барабанами, коллекторами и опорной рамой этих котлов вписываются в железнодорожный габарит; это позволяет собирать металлическую часть котла на заводе и доставлять ее на монтажную площадку в собранном виде, что упрощает монтаж.
При установке котлов типа ДКВР с низкотемпературными поверхностями нагрева целесообразно предусматривать только водяной экономайзер либо только воздухоподогреватель, чтобы не усложнять компоновку и эксплуатацию котельного агрегата. Такое решение целесообразно еще и потому, что температура дымовых газов за котлами с развитыми поверхностями нагрева относительно низка и составляет приблизительно 250 – 300 °С, вследствие чего количество теплоты, уносимой дымовыми газами, относительно невелико. Более целесообразно устанавливать водяные экономайзеры, тогда агрегат получается компактным и простым в эксплуатации. При этом предпочтительнее выбирать чугунные ребристые экономайзеры, так как их изготовляют из недефицитного материала и они меньше страдают от коррозии.
Котлы типа ДКВР довольно чувствительны к качеству питательной воды, поэтому вода, используемая для их питания, должна подвергаться умягчению и деаэрации. Работа котельных установок с котлами типа ДКВР легко поддается автоматизации, особенно при сжигании жидкого и газообразного топлив.
Парогенераторы серии ДКВР хорошо компонуются со слоевыми топочными устройствами и первоначально были разработаны для сжигания твердого топлива. Позднее ряд парогенераторов перевели на сжигание жидкого и газообразного топлива. При работе на жидком и газообразном топливе производительность парогенераторов может быть выше номинальной на 30 – 50 % При этом нижняя часть верхнего барабана, расположенная над топочной камерой, должна быть защищена огнеупорным кирпичом или торкретом.
В ЦКТИ была обследована работа большого числа промышленных котельных, в которых эксплуатировались парогенераторы серии ДКВР. В результате обследования было установлено, что 85 % парогенераторов используют газ и мазут. Кроме того, были выявлены недостатки в работе парогенераторов: большие присосы воздуха в конвективную часть поверхности нагрева и водяной экономайзер, недостаточная степень заводской готовности, более низкие эксплуатационные КПД по сравнению с расчетными.
При разработке новой конструкции газомазутных парогенераторов серии ДЕ (рис. 3.5) особое внимание было обращено на увеличение степени заводской готовности парогенераторов в условиях крупносерийного производства, снижение металлоемкости конструкции, приближение эксплуатационных показателей к расчетным.
Во всех типоразмерах серии от 4 до 25 т/ч диаметр верхнего и нижнего барабанов парогенераторов принят равным 1000 мм. Толщина стенок обоих барабанов при давлении 1,37 МПа равна 13 мм. Длина цилиндрической части барабанов в зависимости от производительности изменяется от 2240 мм (парогенератор производительностью 4 т/ч) до 7500 мм (парогенератор производительностью 25 т/ч). В каждом барабане в переднем и заднем днище установлены лазовые затворы, что обеспечивает доступ в барабаны при ремонте.
Топочная камера от конвективной поверхности нагрева отделена газоплотной перегородкой.
Во всех парогенераторах серии предусмотрено двухступенчатое испарение. Во вторую ступень испарения выделена часть труб конвективного пучка. Общим опускным звеном всех контуров первой ступени испарения являются последние (по ходу продуктов сгорания) трубы конвективного пучка. Опускные трубы второй ступени испарения вынесены за пределы газохода.
Парогенератор производительностью 25 т/ч имеет пароперегреватель, обеспечивающий небольшой перегрев пара, до 225 °С.
Котельный агрегат типа ГМ-10 предназначается для производства перегретого пара с давлениями 1,4 и 4 МПа и температурами соответственно 250 и 440 °С. Котел предназначается для работы на природном газе и мазуте и отличается тем, что работает с наддувом, т. е. при избыточном давлении в топке. Это позволяет работать без дымососа.
Во избежание выбивания дымовых газов в окружающую среду котел выполнен с двойной стальной обшивкой. Через пространство, образуемое листами обшивки, проходит воздух, подаваемый дутьевым вентилятором, в результате чего через случайные неплотности в окружающую среду может выбиваться только холодный воздух.
По своей компоновке котел двухбарабанный асимметричный: кипятильный пучок и пароперегреватель размещены рядом с топкой. Топливо и воздух поступают в топку через комбинированные горелки, конструкция которых обеспечивает быстрый переход от сжигания одного вида топлива к сжиганию другого.
Испарительные поверхности нагрева: конструкция, особенности теплообмена. Пароперегревательные поверхности нагрева: типы, конструкция, особенности теплообмена. Водяные экономайзеры: типы, конструкция, особенности теплообмена. Воздухоподогреватели: типы, конструкция, особенности теплообмена. Способы организации газовоздушного тракта котла.
Основные поверхности нагрева парового котла, назначение
Испарительные поверхности. Парогенерирующие (испарительные) поверхности нагрева отличаются друг от друга в котлах различных систем, но, как правило, располагаются в основном в топочной камере и воспринимают теплоту излучения. Это -- экранные трубы, а также устанавливаемый на выходе из топки небольших котлов конвективный пучок труб.
Экраны котлов с естественной циркуляцией, работающих под разрежением в топке, выполняются из гладких труб с внутренним диаметром 40--80 мм. Экраны представляют собой ряд параллельно включенных вертикальных подъемных труб, соединенных между собой коллекторами. Зазор между трубами обычно составляет 4--6 мм. Размеры топки и величину поверхности экранов рассчитывают таким образом, чтобы на выходе из топки температура продуктов сгорания не превышала температуру размягчения золы, иначе зола будет прилипать к деталям котла, расположенным за топкой, и забьет («зашлакует») путь для прохода газа.
Пароперегреватели. Пароперегреватель предназначен для повышения температуры пара, поступающего из испарительной системы котла. Его трубы (диаметром 22--54 мм) могут располагаться на стенах или потолке топки и воспринимать теплоту излучением -- радиационный пароперегреватель либо в основном конвекцией -- конвективный пароперегреватель. В этом случае трубы пароперегревателя располагаются в горизонтальном газоходе или в начале конвективной шахты
Водяные экономайзеры, предназначенные для подогрева пита-тельной воды, обычно выполняют из стальных труб диаметром 28--38 мм, согнутых в вертикальные змеевики и скомпонованных в пакеты. Трубы в пакетах располагаются в шахматном порядке довольно плотно: расстояние между осями соседних труб поперек потока дымовых газов составляют 2--2,5 диаметра трубы, а между рядами -- вдоль потока -- 1 -- 1,5. Крепление труб змеевиков и их дистанционирование осуществляются опорными стойками, закрепленными в большинстве случаев на полых (для воздушного охлаждения), изолированных со стороны горячих газов балках каркаса.
В экономайзере котлов высокого давления до 20 % воды может превращаться в пар.
Общее число параллельно работающих труб выбирается исходя из скорости воды не ниже 0,5--1 м/с. Эти скорости обусловлены необходимостью смывания со стенок труб пузырьков воздуха, спо-собствующих коррозии, и предотвращения расслоения пароводяной смеси, которое может привести к перегреву слабо охлаждаемой паром верхней стенки трубы и ее разрыву. Движение воды в экономайзере обязательно восходящее; в этом случае имеющийся в трубах после монтажа (ремонта) воздух легко вытесняется водой.
Число труб в пакете в горизонтальной плоскости выбирается исходя из скорости продуктов сгорания 6--9 м/с. Скорость эта определяется стремлением, с одной стороны, получить высокие коэффициенты теплоотдачи, а с другой -- не допустить чрезмерного эолового износа. Коэффициенты теплопередачи при этих условиях составляют обычно не-сколько десятков Вт/(м2-К). Для удобства ремонта и очистки труб от наружных загрязнений экономайзер разделяют на пакеты высотой 1 -- 1,5м с зазорами между ними до 800 мм.
Наружные загрязнения с поверхности змеевиков удаляются, например, путем периодического включения в работу системы дробеочистки, в которой поток металлической дроби пропускается (падает) сверху вниз через конвективные поверхности нагрева, сбивая налипшие на трубы отложения. Налипание золы может быть следствием выпадения рось! из дымовых газов на относительно холодной поверхности труб, особенно при сжигании сернистых топлив (пары H2SOs конденсируются при более высокой температуре, чем HsO). В теплоэнергетических установках питательная вода перед поступлением в котел обязательно подвергается регенеративному подогреву (см. §6.4), поэтому ни налипания золы, ни наружной коррозии (ржавления) труб вследствие выпадения росы в экономайзерах таких котлов не бывает.
Верхние ряды труб экономайзера при работе котла на твердом топливе даже при относительно невысоких скоростях газов подвержены заметному износу золой. Для его предотвращения на эти трубы крепятся различного рода защитные накладки (обычно сверху вдоль трубы приваривают уголок).
Воздухоподогреватели. Поскольку питательная вода перед эконо-майзером энергетических котлов имеет высокую температуру tn „ после регенеративного нагрева (при р= 10 МПа, например, tn B = 230 °С), глубоко охладить уходящие из котла газы с ее помощью нельзя. Для дальнейшего охлаждения газов после экономайзера ставят воздухо-подогреватель, в котором нагревают воздух, забираемый из атмосферы и идущий затем в топку на горение. При сжигании влажного угля нагретый воздух предварительно используется для его сушки в углеразмольном устройстве и транспортировки полученной пыли в горелку.
По принципу действия воздухоподогреватели разделяются на рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные -- это, как правило, стальные трубчатые воздухоподогреватели (диаметр трубок 30--40мм). Схема такого подогревателя приведена на рис. 18.5. Трубки в нем расположены обычно вертикально, внутри них движутся продукты сгорания; воздух омывает их поперечным потоком в несколько ходов, организуемых за счет перепускных воздуховодов (коробов) и промежуточных перегородок.
Газ в трубках движется со скоростью 9--13м/с, воздух между трубками-- вдвое медленнее. Это позволяет иметь примерно равные коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенки трубы.
Температуру стенок труб воздухоподогревателя во избежание конденсации на них водяных паров из уходящих газов желательно поддерживать выше точки росы. Этого можно достичь предвари-тельным подогревом воздуха в паровом калорифере либо рециркуляцией части горячего воздуха.
Регенеративный воздухоподогреватель котла (рис. 18.6) представляет собой медленно вращающийся (3--5 об/мин) барабан (ротор) с набив-кой (насадкой) из гофрированных тонких стальных листов, заключенный в неподвижный корпус. Секторными плитами корпус разделен на две части -- воздушную и газовую. При вращении ротора набивка попеременно пересекает то газовый, то воздушный поток. Несмотря на то что набивка работает в нестационарном режиме, подогрев идущего сплошным потоком воздуха осуществляется непрерывно без колебаний температуры. Движение газов и воздуха -- противоточное.
Регенеративный воздухоподогреватель отличается компактностью (до 250 м2 поверхности нагрева в 1 м3 набивки); он широко распространен на мощных энергетических котлоагрегатах. Недостатком его являются большие (до 10 %) перетоки воздуха в тракт газов, что ведет к перегрузкам дутьевых вентиляторов и дымососов и увеличению потерь теплоты с уходящими газами.
Все описанные тепловоспринимаю-щие элементы котла (поверхности нагрева) являются типичными теплообменниками, и расчет их ведется по формулам, приведенным в гл. 14. Поверхность нагрева рассчитывается по уравнению теплопередачи
Особенность расчета котлов состоит в том, что его принято осуществлять для 1 кг твердого и жидкого и 1 м3 газообразного топлива. В этом случае Q -- теплота, отданная продуктами сгорания 1 кг (м3) топлива и равна разности энтальпий продуктов сгорания до (Н") и после (Н") рассматриваемой конвективной поверхности, т. е.
Под Вр понимается расчетный расход топлива, т. е. его количество, действительно сгоревшее в топке. Это же количество теплоты передается в данной поверхности рабочему телу (воде, пару, воздуху):
BpQ=D(hвых-hвх)
В этой формуле D -- расход рабочего тела; hвх и hвых -- энтальпии рабочего тела на входе в поверхность нагрева и выходе из нее, рассчитанные, как обычно, на 1 кг рабочего тела.