Принцип образования пара в паровых котлах

Введение

Для превращения химической энергии топлива в тепловую служит комплекс устройств, называемых котельной установкой.

Котельные установки в зависимости от требований и вида потребителей могут производить пар для нужд промышленного предприятия и служить для получения горячей воды. Котельные установки, предназначенные для снабжения паром предприятий, принято называть производственными котельными; в случае, когда котельная вырабатывает пар и нагревает воду или нагревает воду для предприятия и нужд отопления, её называют производственно-отопительной, и когда котельная установка сооружается лишь для потребностей отопления и горячего водоснабжения, её называют отопительной.

Устройство, имеющее топку для сжигания топлива, обогреваемое продуктами горения топлива, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного и используемого вне самого устройства, называют паровым котлом.

Для образования пара или нагрева воды, в котельной установке необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить сжигание топлива и отдачу теплоты от продуктов сгорания рабочему телу и удаление продуктов сгорания топлива; подать рабочее тело - воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить её в пар, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки.

Процесс парообразования является одним из самых сложных процессов, которые реализованы в котле. От этого процесса во многом зависит не только качество пара, но и надежность работы котла в целом.

 

 

 

 

Принцип образования пара в паровых котлах

По способу организации движения рабочего тела различают паровые котлы с естественной циркуляцией и прямоточные. Процесс образования пара в паровом котле удобно рассмотреть на примере котла с естественной циркуляцией.

Естественной циркуляцией называется движение теплоносителя по замкнутому контуру, состоящему из обогреваемых и необогреваемых труб и коллекторов.

Движение теплоносителя возникает из-за разности плотностей теплоносителя в обогреваемой и необогреваемой частях контура. Уменьшение плотности теплоносителя в подъёмной части контура по сравнению с его плотностью в опускных трубах возникает за счет обогрева. При дальнейшем нагреве теплоносителя часть его превращается в пар. Плотность пароводяной смеси значительно меньше плотности исходного теплоносителя, что ещё более интенсифицирует движение в контуре.

Кроме того, пузырьки пара всегда легче жидкости, и поэтому они стремятся занять верхнее положение, поднимаются и увлекают за собой нагреваемую жидкость.

На упрощенной схеме контура с естественной циркуляцией теплоносителя показано как, питательная вода, (вода, подводится к котлу) поступает в барабан 1. Барабан служит для разделения пароводяной смеси на пар и воду, и смешивается с находящейся внутри барабана котловой водой. При этом питательная вода нагревается, но температура воды, поступающей в опускные трубы 2, будет немного ниже температуры насыщения, соответствующей давлению в барабане. Вода, дойдя до нижнего коллектора 3, распределяется по обогреваемым экранным трубам 4, сечение которых в несколько раз больше сечения опускных труб. До момента закипания - точки начала парообразования - вода только подогревается. Затем начинается процесс образования пара на стенках обогреваемых труб. Отрывающиеся от стенки пузырьки сначала небольшого объёма (рис. 1 - а), поднимаясь вверх, соединяются, образуют так называемый снарядный поток; затем отдельные пузыри-снаряды сливаются, образуя в центре труб стержень и оставляя на стенках обогреваемых труб слой воды, насыщенный солями. Если достигается предельная концентрация для каких-либо солей или их смесей, то они будут выпадать, образуя на стенках отложения.

Поскольку парообразование связано с увеличением объёма, скорость пароводяной смеси возрастает и с некоторого момента пленка воды будет срываться со стенок труб в виде капель, которые за счет турбулентности потока распределяются по всему объёму. При таком характере движения пароводяной смеси температура металла труб будет зависеть от количества капель жидкости, попадающих и испаряющихся на стенке. Температура металла может стать значительной по достижении определенной степени сухости пара, при низких его скоростях и высоких тепловых нагрузках.

 Из труб пароводяная смесь поступает в верхний коллектор и по отводящим трубам 6 направляется в барабан. Отделившаяся в барабане вода смешивается с подаваемой питательной водой и снова поступает в опускные трубы, а пар отводится из барабана к потребителю или через пароперегреватель.

Принцип образования пара в прямоточных котлах схож с котлами с естественной циркуляцией. Движение жидкости по трубам осуществляется за счет напора питательного насоса. Прямоточные котлы отличаются тем, что рабочее тело в контуре полностью превращается в пар.

Требования к пару.

Качество выдаваемого пара связано с работой его паросепарационных устройств.

Для того, чтобы обеспечить высокое качество перегретого пара, требования предъявляемые к питательной воде (вода, подаваемая в котел) должны дополняться качествами, предъявляемые к котловой воде (вода, которая циркулирует внутри котла) как непосредственного источника загрязнения пара. В котлах с естественной циркуляцией сепарация пара происходит в барабане котла. Сепарация пара - это уменьшение влажности пара, т.е. отделение влаги от пара. Она проводится для того, чтобы уменьшить количество примесей, которые в последствие откладывается на разных элементах энергоустановки. В прямоточных котлах происходит полное упаривание воды, поэтому к качеству питательной воды предъявляют более жесткие требования, так как она, превратившись в пар, сохраняет в себе примеси содержащиеся в воде.

В условиях неправильной работы поверхностей нагрева (труб, которых происходит парообразование) возможно образование больших объёмов сорванной пленки пограничного слоя, что приводит к разрушению («пережогу») стенки трубы.

 

Вспомогательное оборудование котельной установки

Сепарационные устройства. Влажный насыщенный пар, получаемый в барабане котлоагрегатов низкого и среднего давлений, может уносить с собой капли котловой воды, содержащей растворенные в ней соли. В котлоагрегатах высокого и сверхвысокого давлений загрязнение пара обуславливается еще и дополнительным уносом солей кремниевой кислоты и соединений натрия, которые растворяются в паре.

Примеси, уносимые с паром, откладываются в пароперегревателе, что крайне нежелательно, так как может привести к пережогу труб пароперегревателя. Поэтому пар перед выходом из барабана котла подвергается сепарации, в процессе которой капли котловой воды отделяются и остаются в барабане. Сепарация пара осуществляется в специальных сепарирующих устройствах, в котором создаются условия для естественного или механического разделения воды и пара.

Естественная сепарация происходит вследствие большой разности плотностей воды и пара. Механический инерционный принцип сепарации основан на различии инерционных свойств водяных капель и пара при резком увеличении скорости и одновременном изменении направления или закручивания потока влажного пара.

Тягодутьевые устройства. Для нормальной работы котельного агрегата необходимы непрерывная подача воздухадля горения топлива и непрерывное удаление продуктов сгорания.

В современных котельных установках широко распространена схема с разрежением по газоходам. К недостаткам этой схемы следует отнести наличие присосов воздуха в газоотходы через неплотности в ограждениях и работу дымососов на запыленных газах. Достоинство такой схемы – отсутствие выбивания и утечек дымовых газов в помещение котельной, так как воздух в топку нагнетает вентилятор, а дымовые газы удаляет дымосос. В последнее время в мощных энергетических котельных установках широко применяется схема с наддувом. Топка и весь газовый тракт находятся под давлением 3-5 кПа. Давление создается мощными вентиляторами; дымосос отсутствует. Основной недостаток этой схемы – трудности, связанные с обеспечением надлежащей герметичности топки и газоходов котельного агрегата.

Для получения тяги необходимо увеличивать высоту трубы или температуру уходящих газов. Однако при использовании любого из этих способов необходимо иметь в виду, что высота трубы ограничена ее стоимостью и прочностью, а температура газов – оптимальным значением КПД котельной установки. Поэтому большинство современных котельных установок оборудуют искусственной тягой, для создания которой применяют дымосос, преодолевающий сопротивление газового тракта. В этом случае высоту трубы выбирают в соответствии с санитарно-техническими требованиями.

Напор воздуха, создаваемый вентилятором, также следует определять на основании аэродинамического расчета воздушного тракта (воздуховодов, воздухоподогревателя, горелочного устройства и т.д.) Максимальный напор вентилятора должен быть на 10% больше потерь напора в воздушном тракте котельного агрегата.

Основы водоподготовки. Одной из основных задач безопасной эксплуатации котельных установок является организация рационального водного режима, при котором не образуется накипь на стенках испарительных поверхностей нагрева, отсутствует их коррозия и обеспечивается высокое качество вырабатываемого пара. Пар, вырабатываемый в котельной установке, возвращается от потребителя в конденсированном состоянии; при этом количество возвращаемого конденсата обычно бывает меньше, чем количество выработанного пара. 

Потери конденсата и воды при продувке восполняются за счет добавки воды из какого-либо источника. Эта водадолжна быть соответствующим образом  подготовлена до поступления в котельный агрегат. Вода, прошедшая предварительную подготовку, называется добавочной, смесь возвращаемого конденсата и добавочной воды – питательной, а вода, которая циркулирует в контуре котла, котловой.

От качества питательной воды зависит нормальная работа котельных агрегатов. Физико-химические свойства водыхарактеризуют следующие показатели:  прозрачность, содержание взвешенных веществ, сухой остаток, солесодержание, окисляемость, жесткость, щелочность, концентрация растворенных газов (СО2 и О2).

Прозрачность характеризуется наличием взвешенных механических и коллоидных примесей, а содержание взвешенных веществ определяет степень загрязнения воды твердыми нерастворимыми примесями.

Топливоподача. Для нормальной и бесперебойной работы котельных установок требуется, чтобы топливо к ним подавалось непрерывно. Процесс подачи топлива складывается из двух основных этапов: 1) подача топлива от места его добычи на склады, расположенные вблизи котельной; 2) подача топлива со складов непосредственно в котельные помещения.

Очистка дымовых газов и удаление золы и шлака. При сгорании твердого топлива образуется много золы. При слоевом процессе сжигания основная часть минеральных примесей топлива (60-70%) превращается в шлак и проваливается через колосниковые решетки в зольник. В пылеугольных топках большая часть (75-85%) золы уносится из котлоагрегатов с дымовыми газами. 

В настоящее время в котельных применяют следующие типы золоуловителей:

1) инерционные механические; 2) мокрые; 3) электрофильтры; 4) комбинированные.

Инерционные (механические) золоуловители работают по принципу выделения золовых частиц из газового потока под влиянием сил инерции.

В настоящее время широко применяются золоулавители мокрого типа Принцип действия электрофильтров заключается в том, что запыленные газы проходят через электрическое поле, образуемое между стальным цилиндром (положительный полюс) и проволокой, проходящей по оси цилиндра (отрицательный полюс). Основная масса частиц золы получает отрицательный заряд и притягивается к стенкам цилиндра, незначительная часть частиц золы получает положительный заряд и притягивается к проволоке. При периодическом встряхивании электрофильтра электроды освобождаются от золы. Электрофильтры применяют в котельных с расходом дымовых газов более 70000 м3/ч, отнесенных к нормальным условиям.

Комбинированные золоуловители являются двухступенчатыми , при этом работа каждой ступени основана на различных принципах. Чаще всего комбинированный золоуловитель состоит из батарейного циклона (первая ступень) и электрофильтра (вторая ступень). 

Процесс золошлакоудаления можно разделить на две основные операции: очистка шлаковых и зольных бункеров и транспортировка золы и шлака на золоотвалы или шлакобетонных изделий.

Заключение

В данной работе, рассмотрен процесс образования пара, который представляет собой сложный технологический процесс, в котором нужно предусмотреть не только параметры пара (давление и температура), на которые проектируются котел, но и качество пара. Рассмотрены образование пара в контурах с естественной циркуляцией и метод очистки пара от примесей, в виде сепарации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Ковалев А.П. Парогенераторы: Учебник для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 376 с.

2. Роддатис К.Ф. Котельные установки: учебник для вузов.- М.: «Энергия», 1977.

3. http://referat7.ru/refs/source/ref666-51776.html.