Топливо и котельные установки

Требования, предъявляемые к конструкции парового котла

Конструкции отопительно-производственных паровых котлов должны удовлетворять ряду требований, к числу которых отно­сятся:

А) обеспечение заданных паропроиэводительности и парамет­ров шара;

■б) безопасность и надежность эксплуатации;

В) возможность работы котла в условиях нагрузки в соответ­ствии с требованиями потребителей;

Г) экономичность эксплуатации;

Д) по возможности небольшие габариты установки;

Е) невысокая стоимость изготовления и монтажа котла. Рассмотрим эти требования.

Паропроизводительность котла (Л кг! час) определяется мак­симальным количеством пара, которое устойчиво вырабатывается котлом (в час при заданных параметрах пара — его давлении, влажности и температуре. Для достижения этой паропроизводи - тельности котел должен иметь, в соответствии с условиями тепло­обмена, определенную поверхность нагрева Нк м2.

Количество пара, вырабатываемое в час одним квадратным метром поверхности нагрева, называется паро напряжением

Поверхности нагрева; оно равно-^- кг/ж2 час. Парона-

^ к

Пряжение поверхности нагрева, подсчитываемое тю нормальному >пару (640 ккал/кг), соответственно равно:

^- = — кг/м2 час. (70)

Нк Нк 640 1 4 '

Теплонапряжение поверхности нагрева в ккал/м2 час выра­жается отношением где <2 ккал/час — попрежнему теплопро-

Нк

Изводительность котла.

В зависимости от То£о, насколько совершенно организована передача тепла. поверхности нагрева котла от дымовых газов, одно и то же количество пара £> можно выработать при разных

Величинах Нк, но при разном паронапряжении ——.

К

При конструировании котла нужно стремиться к тому, чтобы поверхности нагрева передавалось возможно большее количество тепла от дымовых газов и они работали с наибольшим возмож­ным теплонапряжением.

Характеристикой конструкции котла в отношении эффектив­ности металловложений служит отношение:

Кг/кг/час,

Где: й — вес котла в кг, а й — его паропроизводительность в кг/час.

Радиационные поверхности нагрева котла, распо­ложенные в топочной камере, воспринимающие тепло преимуще­ственно в результате лучеиспускания горящего слоя топлива и продуктов сгорания, работают с большим теплонапряжением. Остальные поверхности нагрева котла получают теплоту от ды­мовых газов вследствие непосредственного соприкосновения с ними и называются конвективными поверхностями на г р е в а. Компактность конструкции котла зависит от правильно выбранного соотношения между величиной радиационной и кон­вективной поверхностей нагрева. Наиболее рационально развивать радиационную поверхность нагрева, так как в этом случае повы­шается среднее теплонапряжение поверхности нагрева котла и

Снижаются затраты металла на изготовление котла отнесен­ные на единицу паропроизводительности котла.

Конструкция парового котла должна удо­влетворять условиям безопасности и надеж­ности его работы. Следовательно, все элементы котла, ра­ботающие под давлением, должны отвечать условиям прочности, причем необходимо предусмотреть возможность температурных расширений отдельных элементов котла во время его работы, чтобы избежать появления в них термических напряжений. Кон­струкция котла должна быть тщательно оценена с этой точки зрения.

Особое влияние на надежность работы котла оказывают внутрикотловые процессы и, в частности, циркуляция воды в котле. В тех случаях, когда по каким-либо причинам циркуля­ция прекращается и вода в котле находится в неподвижном со­стоянии, на горячих поверхностях нагрева происходит накопление пузырьков пара, препятствующих охлаждению стенок. При этом температура металла стенок значительно повышается, а его ме­ханические свойства ухудшаются, что приводит к образованию

Отдулйн, трещин и к другим повреждениям стенок котла. Чем больше теплонапряжение поверхности нагрева котла, тем надеж­нее должно быть охлаждение его стенок вследствие циркуляции воды.

Циркуляция воды может быть естественной или принуди­тельной.

Естественная циркуляция воды в котле создается и поддерживается в результате передачи тепла дымовых газов котловой воде или парово­дяной смеси, образуемой в котле. В случае, когда две вертикально расположенные трубки, присоединенные к верхнему и нижнему бара­банам (рис. 30), заполнены водой, последняя будет оста­ваться неподвижной, если ее температура в обеих трубках одинакова. Если ле­вая трубка подвергнется на­греву, то в ней будет про­исходить парообразование и она окажется заполненной смесью воды и пара (паро­водяной смесью). Средний удельный вес этой смеси ('Тгл) меньше удельного ве - са воды (чвоаы), поэтому смесь воды с пузырьками пара в левой трубке бу­дет подниматься но направ­лению к верхнему бараба­ну, а вода в правой труб­ке — опускаться в нижний барабан (левая трубка на­зывается подъемной, пра­вая— опускной). В результате этого в контуре создается непре­рывное движение (циркуляция) воды. Пар, выделившийся из смеси в верхнем барабане, отводится по паропроводу потребителям; в этот же барабан подводится питательная вода. Отношение коли­чества воды, циркулирующей в контуре, к количеству вырабаты­ваемого за тот же промежуток времени пара, называется крат­ностью циркуляции.

Разность давлений в опускной и подъемной трубах называется располагаемым циркуляционным напором. Он равен:

Рдв = МудН= Н '(воОы-Н 1слГ= Н [Ъодн - Ъм) кг1м2>

Где Ыуд «называется удельным движущим циркуляционным напором на 1 л* высоты и выражается в кг/м3.

Располагаемый напор тратится на преодоление всех гидрав­лических сопротивлений, возникающих при движении воды и па­роводяной смеси в циркуляционном контуре.

Обозначая сумму этих сопротивлений можно написать

Общее уравнение баланса движущей силы и сопротивлений цир­куляции в следующем виде:

Р*‘71>

Удельный движущий напор зависит от количества пара, обра­зующегося в отдельных участках циркуляционного контура, ско­рости входа воды в подъемную трубу до0, давления пара и диа­метра трубы.

Потеря напора в контуре представляет сумму потерь в подъ­емных и пароотводящих трубах (~&рп) и потерь в опускных трубах (Ъ±роп), т. е.:

£ Д/7 + £д/>оп.

Полезный движущий напор циркуляционного контура равен располагаемому движущему напору за вычетом сопротивле­ний в подъемных и .пароотводящих трубах. Используя уравне­ние (71), находим:

Ряол=р>.-2*Рп = 2*Роп - (72)

Правая и левая части уравнения (72) зависят от скорости входа воды в подъемную трубу то. При увеличении этой скорости уменьшается величина полезного движущего напора, а потери напора в опускной трубе возрастают. Решение расчетного урав­нения циркуляции (72) выполняется графически (рис. 31). Для этого задаются тремя значениями скорости оу0, для которых под­считывают значения Рпол и %&роп, и по этим значениям вычер­чивают кривые. Очевидно, что точка пересечения этих кривых соответствует |величине действительной скорости входа воды в подъемные трубы Эта скорость в 'первом и втором рядах кипятильных труб не должна быть ниже 0,6 -г - 1,7 м/сек, а в тре­тьем и четвертом рядах — 0,4 - г- 1,3 м/сек отри этих скоростях обеспечивается надежность работы циркуляционного контура.

Кратность циркуляции будет равна:

„ о* 3,6

С = — =------------------- пит,

О о

Где: 7'— удельный вес кипящей воды при давлении в котле

В кг/м3;

— сечение всех подъемных труб в м2;

О— количество пара, образующегося в подъемных трубах в т/час.

Для подробных расчетов циркуляции существуют нормы ЦКТИ или нормы ВТИ.

Надо отметить, что при определенных условиях пузырьки пара в подъемных трубах поднимаются быстрее воды, т. е. имеют некоторую положительную относительную скорость движения. Относительное движение паровых пузырьков может иметь место и в опускных трубах при достаточно интенсивном их обогреве. Эти явления значительно осложняют расчет циркуляции.

Если циркуляционный контур состоит из нескольких рядов различно обогреваемых подъемных труб, в которые вода посту-

Пает из общего барабана или коллектора, то скорость входа воды гю0 и надежность циркуляции будут меньше в менее интенсивно обогреваемых рядах труб. В том случае, когда передача тевда в этих рядах труб снизится, например, вследствие их наружного загрязнения, в них может произойти застой пара и даже движе­ние воды сверху вниз, вызванные падением движущего напора циркуляции. Это приводит к так называемому опрокид ы в а - нию циркуляции и к перегреву кипятильных труб вслед­ствие прекращения отвода тепла. Опрокидывание циркуляции может быть вызвано чрезмерной нагрузкой котла, когда проис­ходит ненормально интенсивный обогрев опускных труб.

Ввиду серьезных последствий опрокидывания циркуляции для надежности работы парового котла следует проверять расчетом скорость входа воды в подъемных трубах при разных режимах работы котла.

Расчеты показывают, что увеличение скорости циркуляции сказывается на снижении температуры стенок труб котла, на их лучшем охлаждении, но мало влияет на повышение коли­чества тепла, передаваемою от дымовых газов через стенку трубы. Таким образом, назначение нормальной циркуляций за­ключается в обеспечении непрерывною отвода пара, образующе­гося на поверхностях нагрева.

Принудительная циркуляция создается насосом, создающим движение воды в обогреваемых трубках котла. Если насос прогоняет по трубкам котла воду в количестве, превышаю­щем количество вырабатываемого котлом пара, то циркуляция называется многократной принудительной.

Конструкция парового котла должна соответствовать условиям нагрузки, предъявляемым потребителями пара. В случае перемен­ной нагрузки ее колебания должны восприниматься котлом без ненормальных отклонений от нормы параметров вырабатывае­мого пара.

Для обеспечения экономичности эксплуатации конструкция парового котла должна допускать возможность легкой очистки внутренних и наружных поверхностей нагрева, удобного обслу­живания всех элементов котла, его арматуры и гарнитуры.

Так как большинство котлов в Советском Союзе предназна­чается для работы на низкосортном многозольном топливе, то их конструкция должна отвечать условиям наиболее экономичного сжигания этого топлива. Конструкция котла должна допускать возможность целесообразного его сочетания с конструкцией то­почного устройства.

В числе требований, шредъявляемых к конструкции паровых котлов, большое значение имеют соблюдение мини­мально возможных габаритов установки и уде­шевление ее стоимости. Конструкция отопительно­производственного котла должна быть компактной; он должен размещаться в здании ограниченных габаритов и быть транспор­табельным, т. е. его перевозка не должна быть сложной; жела - тельно, чтобы конструкция котла позволяла вести его монтаж отдельными блоками, собранными на заводе-изготовителе.