1

Para wodna (1)

Wykorzystanie

•

do ogrzewania budynków i c.w.u. – raczej rzadko, najczęściej przy
okazji, gdy kotły parowe produkują parę do celów technologicznych

•

w klimatyzacji – do nawilżania powietrza w pomieszczeniach

•

w szpitalach – do sterylizacji urządzeń

•

w branży spożywczej (przetwórstwo mięsa, warzyw, owoców, ryb, w
mleczarniach, w browarach),

•

w przemyśle drzewnym (np. produkcja forniru),

•

przy produkcji materiałów budowlanych (np. naparzanie pod
ciśnieniem cegieł – zamiast wypalania),

•

w przemyśle chemicznym (np. przy uszlachetnianiu ropy naftowej),

•

zbrojeniowym (np. utylizacja pocisków – odzyskiwanie materiałów
wybuchowych)

Para wodna (2)

Podstawowe pojęcia

•

równowaga termodynamiczna – stan w którym parametry czynników nie
ulegają zmianie.

•

para nasycona – para wodna będąca w stanie równowagi termodynamicznej z
wodą (powstaje z wody o stałej temperaturze i po zwiększeniu przestrzeni
parowej natychmiast wypełnia ją, przy czym ciśnienie jej pozostaje stałe; od tej
zdolności pary do nasycania wolnej przestrzeni pochodzi jej nazwa)

•

para nasycona mokra – układ dwufazowy składający się z pary nasyconej
suchej i kropli wody będących w stanie wrzenia (czyli z pęcherzykami pary)

•

para nasycona sucha – para bez kropli wody (x = 1)

•

entalpia parowania (r) (zwana też ciepłem parowania) – ilość ciepła jaką
należy doprowadzić do 1kg wrzącej wody aby doprowadzić ją do stanu pary
nasyconej suchej. Wyrażona ona jest w [kJ/kg]

•

para przegrzana - otrzymuje się ją dostarczając dodatkowe ciepło do
otrzymanej wcześniej pary nasyconej suchej (ma to samo ciśnienie co para
sucha, ale wyższą temperaturę i parametry te nie są w stanie równowagi
termodynamicznej)

Para wodna (3)

Uruchamianie kotła

Stan początkowy - kocioł wypełniony wodą o temperaturze t

1

obszar
pary
przegrzanej

p = const

s [kJ/(kgK)]

h’

t1

T [K]
t [ C]

o

K (374,15 C; 221,29 bar)

o

obszar
pary
nasyconej
mokrej

h’

t1

t

1

p

e

Zawór
odpowietrzający
otwarty

10 C

o

0 C

o

a)

Zawór

zamknięty

Para

Kocioł

Para wodna (4)

Uruchamianie kotła

Podgrzanie wody w kotle do temperatury wrzenia.

s [kJ/(kgK)]

h’

pe

T [K]
t [ C]

o

K

p 1 bar

e

10 C

o

100 C

o

0 C

o

h’

pe

t

spe

p

e

Zawór
otwarty

h”

pe

q

w

b)

Zawór

zamknięty

Para wodna (5)

Uruchamianie kotła

Doprowadzenie do wymaganego ciśnienia wody w kotle.

s [kJ/(kgK)]

h’

p

T [K]
t [ C]

o

K

p

e

100 C

o

0 C

o

p

t

sp

x.r

p

h’

p

t

sp

p

Zawór
zamknięty

h

px

q

wp

h = h’ + x.r

px

p

p

c)

Zawór

zamknięty

Para wodna (6)

Praca kotła - teoretyczna

s [kJ/(kgK)]

h’

p

T [K]
t [ C]

o

0 C

o

p = const

t

sp

r

p

h” = h’ + r

p

p

p

t

wz

K

t =const

s p

p

a)

q

Para

nasycona sucha

x = 0

p; h”

p

x = 1

h”

p

Woda zasilająca

t (h )

wz

wz

h’

p

2

Para wodna (7)

Praca kotła - rzeczywista

s [kJ/(kgK)]

T [K]
t [ C]

o

0 C

o

p = const

t

sp

h

px

h’

p

t =const

sp

p

b)

q

Para

nasycona mokra

x = 0

p; h

px

x 1

h h”

px

p

Woda zasilająca

t (h )

wz

wz

K

t

wz

Para wodna (8)

Praca kotła – wytwarzanie pary przegrzanej

s [kJ/(kgK)]

T [K]
t [ C]

o

0 C

o

p

t

sp

h

px

K

t

wz

t

pp

c (t - t ) = h - h”

pm pp

sp

pp

p

t =const

sp

p

c)

q

Para

przegrzana (sucha)

p; t (h )

pp

pp

p; t ( h” )

sp

p

Woda zasilająca

t (h )

wz

wz

q

pp

Przegrzewacz

h’

p

x = 0

x = 1

x = 1

Para wodna (9)

Schemat prostej instalacji parowej

ZZ

K

PZ

Woda

uzupełniająca

Osuszacz pary

Zawór

odpowietrzający

Odwadniacze

Odbiorniki
pary

Kotły parowe (1)

Najważniejsze części składowe kotła

•

Komora paleniskowa, w której zachodzi proces spalania paliwa.

•

Parownik, w którym woda jest podgrzewana i doprowadzana do stanu
wrzenia. W parowniku można wydzielić przestrzeń zajmowaną przez
wodę i przestrzeń zajmowaną przez parę wodną. Rozgranicza je
powierzchnia lustra wody, która jest powierzchnią zmiany fazy. W
kotłach wodnorurowych parownikiem są rury, w których płynie woda,
zaś w kotłach płomienicowo-płomieniówkowych funkcję parownika
pełni walczak, który jest podstawowym elementem kotła.

•

Podgrzewacz wody zasilającej, stanowi integralną część dużych kotłów
wodnorurowych. W kotłach płomienicowo-płomieniówkowych
podgrzewacz wody zasilającej lub powietrza do spalania (zwany
ekonomizerem), może być albo zintegrowany z kotłem, albo dołączany
na przewodzie spalinowym za kotłem.

•

Przegrzewacz pary, w którym para nasycona wytworzona w parowniku,
jest doprowadzana do stanu przegrzania. W kotłach wodnorurowych
przegrzewacz wchodzi w skład konstrukcji kotła. Natomiast w kotłach
płomienicowo-płomieniówkowych przegrzewacz pary można dołączyć
na przykład za drugim ciągiem spalin.

Kotły parowe (2)

Podział kotłów

• ze względu na materiał

– stalowe (płomienicowo-płomieniówkowe,

wodnorurowe)

– żeliwne (jednoczęściowe – starego typu)

– żeliwno – stalowe (żeliwny kocioł ze stalowym

walczakiem)

• ze względu na ciśnienie robocze

– niskociśnieniowe (nadciśnienie pary do 100 kPa

włącznie)

– wysokociśnieniowe (nadciśnienie pary powyżej 100 kPa)

kocioł parowy –steam boiler, Dampfkessel,

wytwornica pary – steam generator, Dampferzeuger

Kotły parowe (3)

Kotły żeliwne

Kotły żeliwne: a) klasyczny (starego typu), b) ze stalowym walczakiem

Walczak

Naczynie

pomocnicze

(butla parowa)

Przestrzeń
parowa

Przestrzeń
wodna

Przewody

wznośne

Przewód

opadowy

Pobór pary

Woda

zasilająca

Walczak

Kocioł

Kocioł

Pobór

pary

Przestrzeń
parowa

Przestrzeń

wodna

Wlot wody

zasilającej

a)

b)

3

Kotły parowe (4)

Kotły żeliwne

•

wytwarzane wyłącznie jako kotły niskociśnieniowe

•

jednoczęściowe – starego typu, były przez długie lata szeroko
wykorzystywane jako kotły opalane paliwami stałymi (praca ciągła)

•

po rozpowszechnieniu paliw płynnych (częste włączenia i wyłączenia
palnika, wychładzanie kotła), miały miejsce częste awarie po 2-3 latach
eksploatacji, związane z korozją członów na wysokości zwierciadła
wody

•

przyczyną były zjawiska związane z nadmiernym dopływem powietrza
do przestrzeni parowej w czasie przerw w pracy, gwałtownym
podgrzewaniem wody w kotle, powodującym osadzanie się na
ściankach kotła soli zawartych w wodzie, dużą zawartością wilgoci w
parze wodnej podczas częstych uruchamiań kotła

•

w celu zapobiegania negatywnym skutkom w/w zjawisk, zastosowano
nad kotłami żeliwnymi stalowe walczaki

Kotły parowe (5)

Kotły żeliwne

• kocioł żeliwny znajdujący się pod stalowym walczakiem ma

budowę identyczną, jak kocioł wodny i jest całkowicie
wypełniony wodą

• podczas pracy pomiędzy kotłem a walczakiem trwa naturalna

cyrkulacja wody

• w kotle powstaje mieszanina parowo-wodna, która jako lżejsza,

przewodem wznośnym przepływa do walczaka

• schłodzona woda z dolnej części walczaka, wraca do kotła

przewodem opadowym

• zaletą rozwiązania jest niski koszt i wykorzystanie kotła wodnego

• wady: pod wpływem pary wodnej wytrzymałość żeliwa jest

mniejsza; znaczna wysokość układu kocioł+walczak

Kotły parowe (6)

Kotły stalowe płomienicowo-płomieniówkowe

•

Najczęściej stosowany rodzaj kotłów parowych.

•

Pracują jako kotły nisko- i wysokociśnieniowe, przy czym najwyższe
dopuszczalne ciśnienie nie przekracza zwykle 4 MPa (40 bar), a
wydajność największych jednostek dochodzi do 50 t/h wytwarzanej
pary.

•

Ustawienie płomienicy i płomieniówek może być różne, w zależności
od typu kotła.

•

Zwykle wytwarzane jako konstrukcje trójciągowe

Płomieniówki

Płomienica

Płomieniówki

Płomienica

Płomienice

Płomieniówki

a)

b)

c)

a) płomienica położona w osi kotła, b) płomienica położona

niesymetrycznie, c) kocioł z dwiema płomienicami

Kotły parowe (7)

Pojemność wodna w kotłach płomienicowo-

płomieniówkowych

•

Ma zasadnicze znaczenie dla eksploatacji kotła.

•

Duża pojemność

• wady: długi czas uruchamiania ze stanu zimnego, duże straty

postojowe, dużą ich masę i znaczne rozmiary,

• zalety: duża odpornością na nagłe zmiany poboru pary, małe wahania

poziomu wody w kotle; znaczna akumulacyjność cieplna, większe
bezpieczeństwo eksploatacji, mniejsze wymagania co do precyzyjnej
automatyki, zapewnienie ciągłości dostawy pary, nawet przy znacznym
chwilowym wzroście jej poboru (przestrzeń parowa działa jak zasobnik
pary)

•

Mała pojemność

• wady: wymagają precyzyjnej kontroli poziomu wody w kotle, większe

zaburzenia powierzchni lustra wody podczas uruchamiania palnika

• zalety: mniejsze rozmiary i masa, szybciej się je uruchamia, mniejsze

straty postojowe.

Kotły parowe (8)

Kotły stalowe

Kocioł parowy płomienicowo-płomieniówkowy firmy LOOS

Kotły

parowe (9)

Kotły stalowe

Kotły płomienicowo-
płomieniówkowy firmy Sefako

ED (parowy)

KD (wodny)

4

Kotły parowe (10)

Obieg wody

OG

Zbiornik zasilający

K

Odmuliny

Odsoliny

Para wtórna
z rozprężacza

Schładzacz
mieszalnikowy

Woda zimna

Rozprężacz
odsolin

Wymiennik
podgrzewający wodę
(np. uzupełniającą)

SUW

Woda

uzupełniająca

Skropliny

z instalacji

PZ

Woda

zasilająca

kocioł

Para do
instalacji

Kotły parowe (11)

Kotły stalowe wodnorurowe

•

Przeznaczone do pracy w szerokim zakresie ciśnienia roboczego (do
ponad 16 MPa).

•

Spotyka się jednostki małe, o mocach kilkudziesięciu kW i wielkie bloki
energetyczne o mocach kilkuset MW.

•

Podział ze względu na sposób przepływu wody:

• kotły walczakowe z obiegiem naturalnym,

• kotły walczakowe z obiegiem wymuszonym,

• kotły przepływowe.

•

Do kotłów wodnorurowych zalicza się szybkie wytwornice pary,
przepływowe kotły wodnorurowe o małych mocach (do kilku MW),
pracującymi przy niższym ciśnieniu (do ok. 3 MPa).

•

Wytwornice pary charakteryzuje jednak odmienna budowa, inne
przeznaczenie i zasady eksploatacji, w porównaniu z pozostałymi
kotłami wodnorurowymi.

•

Stanowić mogą alternatywę w stosunku do mniejszych kotłów
płomienicowo-płomieniówkowych.

Kotły parowe (12)

Szybkodziałające wytwornice pary

Wytwornica pary pozioma (LOOS)

Kotły parowe (13)

Szybkodziałające wytwornice pary

Wytwornice pary stojące: a) CERTUSS, b) CLAYTON

odprowadzenie
kondensatu wykroplonego
ze spalin

Rurki z wodą

Rurki z parą

I ciąg
spalin

II ciąg
spalin

woda zasilająca

para

PI

P

max

PC

ZB

Rozdzielacz parowy

a)

PI

P

max

PC

ZB

Rozdzielacz parowy

woda
zasilająca

Rurki z wodą

Rurki z parą

(zróżnicowany

rozstaw)

para

b)

powietrze
do spalania

podgrzewanie

powietrza do spalania

spaliny

spaliny

odprowadzenie

kondensatu wykroplonego

ze spalin

Kotły parowe (14)

Szybkodziałające wytwornice pary

Schemat obiegu wody z instalacją z wytwornicą pary

powrót skroplin

z instalacji

para
do instalacji

Stacja

uzdatniania

wody

woda
uzupełniająca

Dozownik

środków

chemicznych

Wytwornica

pary

Zbiornik
zasilający

Pompa
zasilająca

rura oparowa

woda
zasilająca

spaliny

Kotły parowe (15)

Wytwornica pary i kocioł parowy

Porównanie wielkości urządzeń o podobnej mocy: wytwornica pary i kocioł

parowy o dużej pojemności wodnej (firma LOOS)

5

Kotły parowe (16)

Zastosowanie szybkodziałających wytwornic pary

•

Zapotrzebowanie pary jest okresowe, tzn. są długie przerwy pomiędzy
kolejnymi poborami pary. W takiej sytuacji niewskazane jest stosowanie
kotłów płomienicowo-płomieniówkowych, przeznaczonych do pracy
ciągłej (długi czas uruchomienia ze stanu zimnego, wysokie straty
postojowe).

•

Nie ma wysokich wymagań odnośnie jakości pary oraz utrzymania
stałego ciśnienia i temperatury pary.

•

Wymagany strumień pary jest wielkością stałą lub jego zmiany są
niewielkie. Dostosowuje się wtedy wielkość wytwornicy do rzeczywistego
poboru pary. Praca palnika jest wtedy stabilna (mała liczba włączeń i
wyłączeń). Ponadto łatwo jest zsynchronizować pracę palnika i pompy.

•

Wymagane jest szybkie, impulsowe doprowadzenie pary do odbiornika
(np. w ciągu kilku minut).

•

Jako urządzenie szczytowe w kotłowniach z kotłami parowymi.

•

Jako rezerwowe źródło ciepła.