Opis urządzenia kotłowego
Główne elementy urządzenia kotłowego. Podstawową częścią każdej siłowni parowej jest urządzenie kotłowe, zwykle nazywane wprost kotłem parowym. Właściwy kocioł jest to naczynie zamknięte, w którym pod działaniem ciepła woda, zmienia się w parę wodną o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, użytkowaną na zewnątrz kotła. Ciepło potrzebne do wytwarzania pary uzyskuje się wskutek spalarnia paliwa w palenisku. Gorące gazy spalinowe unoszą ciepło z paleniska i płyną wzdłuż, tzw. powierzchni ogrzewalnej kotła, której oddają ciepło, ogrzewając wodę w kotle i powodując jej parowanie.
Wytwarzanie pary w kotle jest więc związane z trzema zjawiskami: ze spalaniem paliwa, wymianą energii w postaci ciepła oraz parowaniem wody. Kocioł powinien być stale zasilany wodą, paliwem i powietrzem. Produktem głównym kotła jest para wodna o określonym ciśnieniu, produktami ubocznymi, które należy usuwać, są spaliny, popiół i żużel.
W skład nowoczesnego urządzenia kotłowego wchodzą następujące główne elementy:
1. Parownik, zbudowany w postaci jednego lub kilku cylindrycznych naczyń stalowych, zwanych walczakami, albo z układu rur. W parowniku tworzy się para. mokra nasycona o znacznym stopniu suchości.
2. Palenisko, którego zadaniem jest możliwie zupełne spalanie doprowadzonego paliwa z udziałem powietrza jednocześnie doprowadzanego do paleniska. Budowa paleniska zależy od rodzaju paliwa i od budowy kotła.
Z paleniskiem związane są: urządzenie zasilające je paliwem; ruszt, na którym leży spalane paliwo stałe; palniki do spalania paliwa ciekłego, guzowego lub pyłowego; urządzenie doprowadzające powietrze potrzebne do spalania: komora paleniskowa; wewnątrz której następuje spalanie części lotnych oraz paliw ciekłych, gazowych i pyłowych; urządzenie do usuwania popiołu i żużla; urządzenie do obsługi i czyszczenia paleniska; obmurze tworzące obudowę paleniska kotła i kanałów spalinowych; izolacja cieplna.
3. Przegrzewacze pary i podgrzewacze wody d powietrza, których rolę poznamy później.
Oprócz wymienionych elementów urządzenia kotłowego wchodzą w jego skład również inne urządzenia pomocnicze potrzebne do pracy kotła, jak urządzenie do wytwarzania ciągu, do zasilania kotła wodą i paliwem, do usuwania popiołu i żużla, do oczyszczania wody zasilającej i spalin, osprzęt, armatura, aparatura kontrolno-pomiarowa : automatyka.
Parametry techniczne. Podstawowymi wielkościami, które charakteryzują każdy urządzenie kotłowe, są: wydajność kotła, ciśnienie i temperatura pary, natężenie powierzchni ogrzewalnej i sprawność kotła.
Wydajnością kotła nazywamy ilość pary wytworzonej w ciągu godziny. Wydajność kotła oznaczamy literą D, wyrażamy w kg/h lub t/h i mierzymy za pomocą paromierza. Zawiera się ona w szerokich granicach od kilkudziesięciu kg/h w bardzo małych kotłach, do ok. 3000 t/h w kotłach największych.
Ciśnienie p pary zawiera się również w szerokich granicach: od 0,5 at nadciśnienia w małych kotłach centralnego ogrzewania, aż do350 at w wysokoprężnych kotłach specjalnych. Temperatura t pary sięga od niewiele ponad 100°C aż do 550÷700°C dla pary wysoko przegrzanej.
Powierzchnią ogrzewalną kotła nazywamy powierzchnię ścian kotła z jednej strony ogrzewaną spalinami, a z drugiej strony omywaną wodą Powierzchnię tę mierzy się po stronie spalin; oznacza literą H i wyraża w m2. powierzchni ścian podgrzewaczy i przegrzewaczy nie zalicza się do powierzchni ogrzewalnej kotła. Powierzchnia ogrzewalna najmniejszych kotłów centralnego ogrzewania wynosi kilka metrów kwadratowych, a w największych kotłach energetycznych dochodzi do około 20 000 m2.
Natężenie powierzchni ogrzewalnej (D/H) jest to stosunek wydajności: kotła do jego powierzchni ogrzewalnej `i wyraża się liczbą kg pary wytworzonej w ciągu 1 h z 1 m2 powierzchni ogrzewalnej kotła.
Natężenie powierzchni ogrzewalnej charakteryzuje jej wykorzystanie a zależy głównie od konstrukcji paleniska i kotła, jak również od rodzaju paliwa oraz od warunków pracy urządzenia kotłowego. Zawiera się ona w granicach od 8 kg/m2 ° h w małych kotłach o prymitywnej budowie do 150 kg/m2•h w dużych kotłach opromieniowanych, opalanych pyłem węglowym, a przekracza nawet 600 kg/m2 • h w kotłach specjalnych. Przy obliczaniu natężenia powierzchni ogrzewalnej wydajność kotła należy przeliczyć na tzw. Parę normalną ,.tj. parę suchą nasyconą o ciśnieniu 1 at nadciśnienia i entalpii ok. 640 kcal/kg.
W sposób przybliżony możną ocenić jakość procesu wytwarzania pary w kotle, obliczając tzw. wielokrotność odparowania D/B(odparowalność kotła). Jest to stosunek wydajności kotła (przeliczonej na parę normalną) do ilości B kg węgła spalonego w ciągu godziny (przeliczonego na paliwo umowne). Wielokrotność odparowania wyraża, ile kg pary otrzymuje się w kotle przez spalanie 1 kg węgla, i wynosi zwykle 5÷9 kg/kg .
Najściślejszą ocenę pracy kotła uzyskuje się przez wyznaczenie jego sprawności. Z energii dostarczonej do paleniska w postaci energii chemicznej paliwa tylko część przechodzi do wytworzonej pary, a reszta zostaje rozproszona w otoczeniu jako tzw. straty cieplne w kotle.
Sprawnością η kotła nazywamy stosunek ilości ciepłą wyzyskanego użytecznie na wytworzenie w kotle pary - do całkowitej ilości energii dostarczonej do paleniska w postaci energii chemicznej paliwa
gdzie: D - wydajność kotła w kg/h;
i - entalpia pary pobieranej z kotła w kcal/kg;
iw -entalpia wody zasilającej kocioł w kcal/kg;
B -zużycie paliwa w ciągu godziny w kg/h;
Qd - wartość opałowa. paliwa w kcal/kg.
Sprawność kotłów parowych zawiera się w szerokich granicach zależnie od konstrukcji, staranności wykonania i obsługi kotła oraz od jego obciążenia i wynosi 0,50÷0,70 w małych i prymitywnych urządzeniach kotłowych, 0,70÷0,85 w urządzeniach większych z paleniskiem mechanicznym oraz 0,85÷0,94 w urządzeniach dużych. Sprawność egzergetyczna kotłów parowych wynosi 0,40÷0,60 d może być powiększona przez podwyższenie ciśnienia i temperatury produkowanej pary.
Klasyfikacja kotłów parowych. Pod względem ciśnienia pary możemy podzielić .kotły na cztery rodzaje:
1 - kotły niskoprężne - do 15 at nadciśnienia;
2 - kotły średnio prężne - do 40 at nadciśnienia;
3 - kotły wysokoprężne - do 150 at nadciśnienia;
4 - kotły na najwyższe ciśnienia - ponad 150 at nadciśnienia. Ze względu na przeznaczenie rozróżniamy następujące trzy grupy kotłów parowych:
1 - kotły ogrzewnicze - o wydajności do 2 t/h, wytwarzające parę nasyconą o ciśnieniu do 3 at nadc,
2 - kotły przemysłowo-ogrzewnicze - o wydajności do 10 t/h wytwarzające parę nasyconą lub lekko przegrzaną o ciśnieniu nie przekraczającym 15 at, używaną w przemyśle do celów technologicznych i ogrzewniczych,
3 - kotły energetyczne - tj. kotły średnio i wysokoprężne, o dużej wydajności (ponad 10 t/h), wytwarzające parę wysoko przegrzaną do napędu silników parowych, głównie w elektrowniach cieplnych możemy również podzielić kotły na: 1) stałe (nieruchome) i 2) ruchome - lokomobilowe, parowozowe, okrętowe, samochodowe.
Ze względu na cechy konstrukcyjne rozróżniamy następujące rodzaje kotłów parowych: 1 - walczakowe, 2- płomienicowe; 3- kombinowane, 4- wodnorurkowe (opłomkotwe), 5- specjalne .
Symbole kotłów najczęściej używanych w kraju: SR - kocioł sekcyjny z paleniskiem rusztowym, OR- kocioł opromieniowany z paleniskiem rusztowym, OP - opromieniowany z paleniskiem pyłowym, OG - z paleniskiem gazowym; OO- z paleniskiem olejowym, OKR - opromieniowany z powierzchnią konwekcyjną, z paleniskiem rusztowym, OPC -opromieniowany z paleniskiem pyłowym, z cyklonem, OPP - przepływowy ż paleniskiem pyłowym, PLM - kocioł parowy typu La Monta, W- kocioł wodny.
Pierwsza liczba przy symbolu kotła oznacza jego wydajność w t/h, druga - nadciśnienie pary m at, trzecia - temperaturę pary przegrzanej i w°C.
Budowa kotłów w Polsce. W związku z olbrzymim rozwojem przemysłu nastąpiło w naszych siłowniach przejście od niskich parametrów pary do wysokich rzędu 160 at ciśnienia i 540°C temperatury .
Szerokie zastosowanie wysokich parametrów pary i nowoczesnych, wydajnych kotłów daje poważne oszczędności paliwa i umożliwia znaczne rozszerzenie produkcji energii elektrycznej. Przemysł kotlarski rozwinął produkcję nowoczesnych; wysokosprawnych kotłów parowych o zmechanizowanej regulacji pracy. Istotne znaczenie w rozwoju budowy kotłów w Polsce miały projekty nowoczesnych kotłów otrzymane z Rosji, jak również dostarczone urządzenia podstawowe i pomocnicze oraz pomoc fachowców ułatwiających montaż i rozruch urządzeń. Obecnie budujemy już niemal wszystkie nowoczesne typy kotłów parowych, a przemysł ten ciągle się rozwija. Przodującą rolę w budowie kotłów parowych w Polsce odgrywa dziś Fabryka Kotłów w Raciborzu. Tu produkuje się nowoczesne kotły stromorurkowę o ciśnieniu pary 110÷162 at. Tu powstały również .największe na świecie kotły na pył z węgla brunatnego dla elektrowni w Turoszowie.
Bilans cieplny kotła
Straty cielne. Praktycznie nieuniknione straty energii w postaci ciepła dostarczonej do paleniska kotła można podzielić na następujące grupy.
1. Strata popielnikowa powstająca wskutek tego, że część paliwa nie spalona przesypuje się pomiędzy rusztowinami do popielnika. Strata ta jest dość znaczna przy miale nie sortowanym oraz na rusztach częściowo zużytych lub nie dostosowanych do drobnych sortymentów węgla.
Wewnątrz żużla znajduje się często zapieczony koks, który nie zdążył się całkowicie spalić i również powoduje stratę ciepła. Rozżarzone popiół i żużel, przechodząc do popielnika, unoszą z sobą .nieznaczną ilość ciepła, która także stanowi część straty popielnikowej . Strata popielnikowi wynosi zwykle 1÷8% wartości opałowej paliwa, a przy miale zwiększa się do 5÷12%.
2. Strata wskutek niezupełnego spalania polegająca na tym, że w spalinach znajdują się jeszcze gazy palne (CO, CH4,H2).
Stratę wskutek niezupełnego spalania można zmniejszyć, stosując dostateczny nadmiar powietrza, dużą komorę paleniskową, dobre wymieszanie paliwa z powietrzem, właściwą regulację dopływu powietrza do paleniska i doprowadzenie ponad warstwę paliwa powietrza dodatkowego (wtórnego). Strata niezupełnego spalania wynosi zwykle 0,5÷3%.
3. Strata kominową - wiążąca się z dość wysoką temperaturą spalin, które uchodzą do komina i unoszą z sobą znaczną ilość nie wykorzystanego ciepła. Strata kominowa, największa spośród wszystkich strat ciepła w kotle, rośnie ze wzrostem ilości spalin i ich temperatury (w czopuchu). Ilość spalin, a więc i współczynnik nadmiaru powietrza, powinny być zatem możliwie małe, takie jednak, żeby nie wywołać zbyt dużej straty niezupełnego spalania. Należy również możliwie zmniejszyć zasysanie zbędnego powietrza z otoczenia przez nieszczelność obmurza. W kotłach o dużej wydajności, zaopatrzonych w podgrzewacze wody i powietrza, strata kominowa wynosi 6÷12%, w kotłach bez podgrzewaczy dochodzi do 20%, a niekiedy nawet do 30% wartości opałowej paliwa.
4. Strata w koksiku i sadzy. Koksikiem nazywa się drobne cząstki węgla, które zostają porwane silnym ciągiem z paleniska w stronę komina, a przelatując przez obszar wysokiej temperatury wydzielają części lotne i ulegają skoksowaniu. Duża ilość koksiku występuje przy opalaniu kotłów miałem z węgla chudego oraz niedokładnie zmielonym i wysuszonym pyłem węglowym; przy silnym ciągu sztucznym. Brata w koksiku wynosi 0,5÷6%, a niekiedy dochodzi do 10°/a.
Sadza powstaje jako produkt niezupełnego spalania węglowodorów, które wchodzą w skład części lotnych paliwa. Przyczyną powstawania sadzy jest niedostateczna ilość powietrza lub zbyt miska temperatura w palenisku. Strata wskutek powstawania sadzy wynosi zwykle 0,5÷3%.
5. Strata wskutek przewodzenia i promieniowania polegająca na tym, że pomimo zastosowania w obmurzu kotła materiałów ciepłochronnych część ciepła z paleniska i gorących części kotła przedostaje się na zewnątrz. Wartość straty przewodzenia i promieniowania w małych kotłach wynosi 5÷10%, w kotłach średnich 2÷5%, a w dużych 0,5÷2%.
Bilans cieplny.
Wszystkie wymienione straty ciepła w kotle wyraża się zwykle w procentach i odnosi do wartości opałowej paliwa, tj. do cieple, które można uzyskać w palenisku przez zupełne spalenie 1 kg paliwa. Tę ilość ciepła traktuje się jako 100%. Odejmując od 100% ogólną sumę strat ciepła w kotle, otrzymamy sprawność kotła również wyrażoną w procentach. Szczegółowe zestawienie ilości ciepła otrzymanej w palenisku przez spalenie 1 kg paliwa, jego zużycia na wytwarzanie pary oraz strat z tym związanych nazywamy bilansem cieplnym kotła.
Kotły walczakowe i płomienicowe
Kotły walczakowe. Najprostszym rodzajem kotła parowego jest kocioł walczakowy, dziś już nie budowany, jako urządzenie prymitywne a przestarzałe. Składa się on z walczaka o średnicy 900÷2200 mm, długości 5 do 18 m, częściowo wypełnionego wodą. Palenisko z rusztem płaskim znajduje się pod walczakiem i jest obsługiwane ręcznie. Spaliny przepływają pod walczakiem i po jego bokach.
Ponieważ walczak jest częścią podstawową wielu innych rodzajów kotłów parowych, omówimy dokładniej jego budowę i pracę. Składa się on (rys. 11 i 12) z kilku pierścieniowych członów, zwiniętych z miękkiej blachy ze stali węglowej, oraz z dwóch lekko wypukłych dennic, wykonanych z tego samego materiału. Poszczególne części walczaka są ze sobą połączone za pomocą nitowania, zgrzewania lub spawania.
W górnej części walczaka znajduje się kołpak parowy, którego zadaniem jest zmniejszenie wilgotności pary mokrej nasyconej, wytworzonej w walczaku. Na kołpaku jest osadzony zawór zamykający, łączący go z rurociągiem parowym, oraz zawór bezpieczeństwa. W dolnej części walczaka znajduje się zawór spustowy do opróżniania, płukania i odmulania kotła. Zasilanie kotła wodą odbywa się przez zawory zwrotny i zasilający. Woda wypełnia dolną część walczaka, zwaną przestrzenią wodną. Ponad nią znajduje się przestrzeń parowy, gdzie zbiera się para. Obie przestrzenie rozdziela zwierciadło wody, stanowiące powierzchnię parowania. Im większy jest stosunek powierzchni parowania do powierzchni ogrzewalnej kotła, tym spokojniejsze jest parowanie i większy stopień suchości pary.
Poziom wody w kotle jest zmienny, zależny od ilości doprowadzanej wody i pobieranej pary. Do zasadniczych obowiązków palacza należy obserwacja za pomocą wodowskazu poziomu wody i utrzymywanie go w dopuszczalnych granicach. Najniższy poziom wody powinien się stale znajdować powyżej tzw. linii ogniowej, tj. górnej granicy powierzchni ogrzewalnej kotła. Zejście poniżej grozi wybuchem kotła. Poziom wody nie powinien być za wysoki ze względu na niebezpieczeństwo porywania wody przez parę do rurociągu parowego.
Przestrzeń pomiędzy najniższym a najwyższym poziomem wody nazywana jest przestrzenią zasilania.
Walczak jest zaopatrzony w owalny otwór zwany włazem, zamknięty od wewnątrz pokrywą, który umożliwia wejście do wnętrza walczaka w celu oczyszczenia go z kamienia kotłowego i mułu.
Kocioł płomienicowy składa się z walczaka, wewnątrz którego wzdłuż osi przechodzą 1 lub 2 rury o dość dużej średnicy, zwane płomienicami. W płomienicy znajduje się palenisko wewnętrzne z rusztem płaskim poziomym albo palnik na paliwo ciekłe lub gazowe. Zależnie od liczby płomienic rozróżniamy kotły jedno płomienicowe (rys.11) i dwu płomienicowe (rys. 12a).
Rys. 11kocioł jedno płomienicowy
1- płomienica falista 2- palenisko 3- drugi przelot spalin 4- trzeci przelot spalin 5- stojaki oporowe 6- kołpak parowy 7- zawór spustowy 8- linia ogniowa
Rys.12. Kotły z dwiema płomienicami: a) kocioł dwu płomienicowy zwykły, b) kocioł dwu płomienicowo płomieniówkowy
1 - człony walczaka, 2 - dennice, 3 - płomienice, 4 - stojak oporowe, 5 - obmurze, 6 czopuch, 7 - zasuwa kominowa, 8 - drzwiczki do czyszczenia kanałów spalinowych, 9 kołpak parowy, 10 - właz, 11 - zawór odcinający, 12 - zawór bezpieczeństwa, 13 - króciec zasilający, 14 - wodowskaz, 15 - zawór spustowy, 16 - przewód parowy; 17 - izolacja cieplna, I - pierwszy przelot spalin (przez płomienice), II - drugi przelot spalin, III - trzeci przelot spalin
Płomienice wykonuje się przeważnie faliste, wskutek czego zwiększa się nieco powierzchnia ogrzewalna i sprężystość wzdłużna, co zapobiega odkształcaniu się dennic wywołanemu nierównomiernym ogrzewaniem. walczaka i płomienicy. W przedniej części płomienicy mieści się palenisko. Pierwszy przelot najgorętszych spalin odbywa się wzdłuż płomienicy, która stanowi najwydajniejszą część powierzchni ogrzewalnej kotła. Dzięki palenisku wewnętrznemu mączna część ciepła zostaje przekazana ściankom kotła przez promieniowanie. W kotle jedno płomienicowym płomienica jest nieco przesunięta w stosunku do osi walczaka i wskutek a symetrii ogrzewania wody w walczaku uzyskuje się żywsze jej krążenie.
Do zalet kotłów płomienicowych zaliczamy: tania i prostą konstrukcję, łatwą obsługę ,i dużą pewność ruchu, dużą przestrzeń wodną, łatwe czyszczenie i remont, niewrażliwość na twardą wodę; dużą sprawność, zwłaszcza z podgrzewaczem wody oraz duże natężenie powierzchni ogrzewalnej. Wadami kotłów płomienicowych są: duży ciężar i duże zapotrzebowanie miejsca, powolne rozgrzewanie się, niskie ciśnienie pary i mała wydajność, małe rozmiary paleniska, które utrudniają zastosowanie paliwa niskogatunkowego, słabe krążenie wódy w kotłach dwu płomienicowych, niebezpieczeństwo uszkodzenia wskutek cienkiej warstwy wody nad płomienicami.
Kotły płomienicowe znajdują częste zastosowanie w mniejszych zakładach przemysłowych, gdy jest zmienne zapotrzebowanie pary, zła jakość wody i wystarczająco duża powierzchnia kotłowni.
Powierzchnia ogrzewalna kotłów 1-płomienicowych dochodzi do 70m2 2-płomienicowych - do 160 m2.Natężenie powierzchni ogrzewalnej wynosi 18÷30 kg/(m2 • h), wydajność dochodzi do 4 t/h, największe ciśnienie pary - do 15 at nadciśnienia, sprawność kotła. - 52÷65%.
Kotły kombinowane
Zamiast płomienic o dużej średnicy, zawierających paleniska, można zastosować wiązkę rur gładkich o małej średnicy, tzw. płomieniówek, dzięki czemu uzyskuje się znacznie większą powierzchnię ogrzewalną niż w kotle płomienicowym o tych samych wymiarach walczaka. Płomieniówki przebiegają wzdłuż walczaka i są umocowane (rozwalcowane) w płaskich ścianach, zwanych ścianami sitowymi. Płomieniówki stanowią część składową używanych powszechnie kotłów kombinowanych, jak kotły płomienicowo płomieniówkowe, lokomobilowe, parowozowe, mniejsze okrętowe i stojące:
Kocioł płomienicowo-płomieniówkowy (rys. 12b wykonanie całkowicie spawane) składa się z płaszcza, płomienicy i płomieniówek. Spaliny z płomienicy płyną do komory nawrotnej (I ciąg), następnie przez płomieniówki do przedniej części kotła (II ciąg), po nawrocie w komorze przedniej obmywają płomieniówki ód przodu do tyłu koda (III ciąg) i przez dymnicę uchodzą do komina.
Kotły tego typu buduje się o powierzchni ogrzewalnej do 150 m2 i średnicy do 3 m; ciśnienie pary do 20 at, natężenie powierzchni ogrzewalnej 20÷30 kg/(m2·h), sprawność 60=75%. Zajmują mniej miejsca niż kotły płomienioowe, mają stosunkowo dużą przestrzeń wodną i nie wymagają kosztownego obmurza, gdyż wystarcza lekka izolacja. Ich wadą jest sztywność konstrukcji i skłonność do zanieczyszczania płomieniówek lotnym popiołem.
Rys.15. Szczegóły konstrukcji kotła sekcyjnego: a) komory sekcyjne, b) zawór eliptyczny
Rys. 16.kocioł sekcyjny z walczakiem poprzecznym (10 t/h)
Kierunki rozwojowe w budowie wielkich kotłów energetycznych. Dąży się dziś na całym świecie do ustawiania w elektrowniach bloków kocioł turbina parowa o coraz większej mocy. Konstruktorom stawia się zadanie budowy kotłów z naturalnym obiegiem wody i kotłów przepływowych dla bloków mocy 500÷1000 MW. Wydajność kotła dla bloku mocy 1000 MW musi wynosić ok. 3000 t/h, a ilość spalanego węgła ok. 500 t/h. W związku ze wzrostem wydajności rosną wymiary komór paleniskowych, np. stromo rurkowy kocioł opromieniowany o. wydajności 1700 t/h ma szerokość 40 m. Wysokość wielkich kotłów dochodzi do ok. 60 m. Parametry pary (ciśnienie i temperatura) stają się coraz wyższe. Buduje się kotły przystosowane do spalania różnych rodzajów paliw: od najlepszych do najgorszych.
Wytwornice pary w elektrowniach jądrowych. Rys. 20d przedstawia sposób wbudowania. wytwornicy pary do układu cieplnego elektrowni jądrowej (p. również par. 21). Stosując wodę do chłodzenia reaktora otrzymuje się nośnik ciepła o wysokim ciśnieniu i niezbyt wysokiej temperaturze. Często buduje się wytwornice złożone z 8÷12 wymienników ciepła woda-woda , wykonanych z rur o średnicy 800÷900 mm, wygiętych w kształcie U. Wewnątrz każdej rury umieszcza się ok. 800 rurek o średnicy ok. 21 mm. Wydajność wytwornicy jest 650÷975 t/h, szerokość 6,8 m, wysokość 10,8 m, długość 8,4÷12,6 m.
W wytwornicach pary ogrzewanych wodą (lub parą nasyconą) uzyskuje się parę nasyconą: Następnie przegrzewa się ją w reaktorze albo w osobnych przegrzewaczach opalanych olejem, gazem lub węglem.
Przegrzewacze i podgrzewacze
Przegrzewacze pary. Zadaniem przegrzewacza pary jest osuszenie pary mokrej, nasyconej wychodzącej z kotła i następne jej przegrzanie. Temperatura. pary przegrzanej wychodzącej z przegrzewacza zależy od ciśnienia w kotle i rośnie ze wzrostem ciśnienia; wynosi ona zwykle 300÷550°. Ciepło potrzebne do izobarycznego osuszania i przegrzania pary w przegrzewaczu uzyskuje. się dzięki ciepłu spalin omywających z zewnątrz przegrzewacz. .Ich temperatura sięga 450÷1000°C.
Rozróżniamy przegrzewacze pary konwekcyjne i opromieniowane, zależnie od tego, czy otrzymują ciepło od' spalin przez konwekcję czy też przez promieniowanie. Przegrzewacze konwekcyjne w kotłach wodnorurkowych umieszcza się w dzięki przelocie spalin, w kotłach płomienicowych za płomienicą, w kotłach lokomobilowych w dymnicy. Cechą charakterystyczną tych przegrzewaczy jest duża powierzchnia ogrzewalna, stosunkowo niska temperatura omywających spalin i wzrost temperatury pary przegrzanej, gdy zwiększa się wydajność kotła.
Przegrzewacze opromieniowane umieszcza się w komorze paleniskowej zamiast rur ekranu wodnego, pomiędzy rurami ekranu albo też poza nimi, Ich cechami charakterystycznymi są: znacznie mniejsza powierzchnia ogrzewalna niż przegrzewaczy konwekcyjnych, wysoka ,temperatura omywających spalin i spadek temperatury pary przegrzanej, gdy zwiększa się wydajność kotła. Przegrzewacze opromieniowane buduje się zawsze w szeregowym połączeniu z przegrzewaczami konwekcyjnymi, co umożliwia utrzymanie stałej temperatury pary przegrzanej niezależnie od zmian wydajności kotła.
Przegrzewacz składa się z rur wygiętych w kształcie wężownicy lub spirali, włączonych końcami do wlotowych i wylotowych komór zbiorczych. W celu utrzymania możliwie stałej temperatury pary przegrzanej, co jest konieczne do prawidłowej współpracy kotła z odbiornikami pary, stosuje się kilka sposobów regulacji. W kotłach płomienicowych używa się specjalnych klap i zasuw regulacyjnych, które umożliwiają ominięcie przegrzewacza przez część strumienia spalin. Dobre wynika osiąga się również przez wtryskiwanie rozpylonej chłodnej wody (skroplin) do strumienia pary przegrzanej. Sposób ten stosuje się w dużych kotłach nowej konstrukcji.
Podgrzewacze wody. Zadaniem podgrzewacza wody jest jak największe wykorzystanie ciepła spalin opuszczających kanały spalinowe kotła, a w rezultacie zwiększenie sprawności kotła. Podgrzewacz wody umożliwia również zmniejszenie kosztu instalacji kotłowej wskutek częściowego zastąpienia powierzchni ogrzewalnej kotła przez tańszą powierzchnię podgrzewacza. Dzięki wprowadzeniu do kotła. wody podgrzanej .zmniejszają się w nim także naprężenia cieplne.
Podgrzewacz wody umieszcza się w kanałach spalinowych za przegrzewaczem pary. Spaliny, które wchodzą do podgrzewacza i omywają z zewnątrz jego rury, mają temperaturę 300÷600°, spaliny zaś opuszczające podgrzewacz temperaturę 180÷200° przy. ciągu naturalnym, a przy ciągu sztucznym nawet 130,°.
Podgrzewacz wody składa się z żebrowych rur żeliwnych albo z gładkich rur stalowych. Wadą podgrzewaczy z rur żebrowych jest utrudnione oczyszczanie powierzchni rur. Do tego celu służą parowe zdmuchiwacze sadzy, uruchamiane co. pewien czas przez palacza. Podgrzewacze z gładkich rur stalowych, wygiętych w wężownice podobnie jak, rury. przegrzewacza pary, mogą być stosowanę do najwyższego ciśnienia.
Podgrzewacze powietrza. Podgrzewacz powietrza umożliwia wykorzystanie reszty ciepła spalin opuszczających podgrzewacz wody do ogrzania powietrza zasilającego palenisko: Podgrzewanie powietrza powoduje również wzrost wydajności kotła i temperatury spalania oraz umożliwia ekonomiczne spalanie paliwa o dużej zawartości wilgoci i popiołu, a malej zawartości części lotnych.
Podgrzewanie powietrza jest ograniczone temperaturą topnienia popiołu zawartego w paliwie, której nie można przekroczyć w paleniskach rusztowych, ażeby nie spowodować zalania rusztu żużlem. W kotłach z paleniskami rusztowymi podgrzewa się powietrze do ok. 150° dla węgla kamiennego oraz do ok. 220° dla węgla brunatnego. W kotłach z paleniskami pyłowymi można podgrzewać powietrze do ok. 300°, a przy trudno topliwym popiele, bardzo wilgotnym paliwie i silnym opromieniowaniu paleniska nawet do 420°.
Podgrzewacz powietrza umieszcza się zwykle między podgrzewaczem wody a czopuchem (kanałem odprowadzającym spaliny do komina).
Rozróżniamy rurowe i płytowe podgrzewacze powietrza. Podgrzewacze rurowe są bardzo wygodne do czyszczenia i mają szerokie zastosowanie. Spaliny płyną rurami, a powietrze przepływa dokoła rur. Podgrzewacze rurowe są ciężkie i zajmują dużo miejsca. Podgrzewacze płytowe składają się z pakietu płaskich blach stalowych, zespawanych w płaskie skrzynki. Spaliny przepływają wzdłuż blach pionowo, z góry na dół, a powietrze poziomo, poprzecznie do ruchu spalin.
Przygotowywanie wody zasilającej
Do zasilania kotłów parowych jest używana woda naturalna lub skropliny otrzymywane przez skroplenie pary odlotowej silników parowych. Zarówno woda naturalna, jak i skropliny mogą zawierać różne zanieczyszczenia, które są szkodliwe dla pracy kotła, powinny więc być usunięte z wody przed wprowadzeniem jej do kotła.
Do zanieczyszczeń mechanicznych wody należą muł, piasek itp., usuwane w osadnikach i filtrach. Skropliny mogą być zanieczyszczone olejem smarnym wskutek znacznego niekiedy zaolejenia pary odlotowej z silników parowych i pomp parowych. Oddzielenie oleju od skroplin wykonuje się w odolejaczach wody, czyli zbiornikach złożonych z kilku komór połączonych przelewami, gdzie olej zbiera się na powierzchni wody.
Do zanieczyszczeń chemicznych wody należą sole rozpuszczone w wodzie, a przede wszystkim kwaśne węglany i siarczany wapnia i magnezu, jak również w mniejszych ilościach chlorki, azotany i krzemiany tych metali, a także sole żelaza i sodu. Woda zawierająca w roztworze znaczną ilość soli jest twarda. W takiej wodzie mydło mało się pieni. Podczas wrzenia wody twardej w kotle rozpuszczone w niej sole wydzielają się w postaci osadu. Rozróżniamy twardość wody przemijającą, trwałą i ogólną.
Twardość przemijająca pochodzi od rozpuszczonych kwaśnych węglanów wapnia i magnezu. Przy ogrzewaniu wody do ok. 70°C zaczynają się one rozkładać, ulatnia się dwutlenek węgla i wydziela się osad nierozpuszczalnych węglanów obojętnych w postaci miękkiego, pulchnego mułu, który można usunąć, spuszczając wodę z najniższych punktów Kotła (odmulanie kotła). Twardość trwała pochodzi od rozpuszczonych w wodzie soli innych niż węglany, a przede wszystkim siarczany wapnia. Sole te wydzielają się podczas wrzenia i parowania wody, tworząc twardy kamień kotłowy, który przywiera do ścianek kotła, utrudnia wymianę energii w postaci ciepła wskutek małej przewodności cieplnej oraz powoduje przepalanie blachy kotłowej. Musi om więc być okresowo usuwany przez mechaniczne czyszczenie blachy kotłowej i rur.
Twardość ogólna pochodzi od wszystkich soli wapnia i magnezu rozpuszczonych w wodzie. Jest ona sumą twardości przemijającej i twardości trwałej. Miarą twardości wody jest stężenie normalne jonów wapnia lub magnezu, wyrażone w równoważnikach miligramowych na dm3, tj. w miliwalach na dm3 ( mval/dm3).
Para mokra; wychodząca z kotła, unosi z sobą kropelki wody zawierające sole w roztworze. Jest to zjawisko szkodliwe, gdyż sole uniesione z parą osadzają się w rurach przegrzewacza pary, a nawet przedostają się do silnika parowego. A zatem konieczne jest usunięcie ż wody możliwie największej ilości zanieczyszczeń chemicznych. Proces ten nazywamy zmiękczaniem wody. W celu zmiękczenia wody stosuje się metodę termiczną lub chemiczną.
Termiczna metoda zmiękczania wody polega na ogrzaniu jej do 90÷90°C za pomocą pary odlotowej z silnika parowego, co usuwa jedynie twardość przemijającą. Najlepsze wyniki daje kosztowna destylacja wody, która usuwa twardość ogólną i teoretycznie umożliwia otrzymanie wody zupełnie miękkiej (w rzeczywistości uzyskuje się wodę o twardości ok. 0,04 mval/dm3). Do zasilania nowoczesnych kotłów wysokoprężnych o dużej wydajności używa się głównie skroplin, czyli wody pochodzącej ze skroplenia pary odlotowej turbin parowych. Istniejący zawsze niedobór skroplin pokrywa się wodą destylowaną w wyparkach.
Chemiczna metoda zmiękczania wody jest stosowana na zewnątrz albo wewnątrz kotła. W celu usunięcia twardości przemijającej dodaje sil roztworu wapna do wody w osadniku i filtruje wodę w celu usunięcia wydzielonych nierozpuszczalnych węglanów wapnia i magnezu. W celu chemicznego usunięcia twardości ogólnej stosuje się następujące sposoby: metodę „soda-wapno" ;metodę fosforanową i permutytową.
Metoda „soda-wapno" polega na kolejnym traktowaniu wody podgrzanej do 70÷90°C roztworem wapna i roztworem sody. Zmiękczanie odbywa się w obszernym osadniku i jest zakończone filtrowaniem wody, potrzebnym do usunięcia wydzielonych nierozpuszczalnych węglanów. "Metoda „soda-wapno" umożliwia zmiękczenie wody do 0,2÷1 mval/dm3. Metodę fosforanową stosuje się jako zmiękczenie ostateczne, dokonywane po zmiękczeniu wstępnym za pomocą metody „soda-wapno". Polega ona na dodawaniu do wody roztworu fosforanu trój sodowego i umożliwia uzyskanie twardości ok. 0,04 mval/dm3.
Metoda permutytowa polega na przepuszczeniu wody przez złoże ziarnistego permutytu, czyli krzemianu glinowo-sodowego, przy czym w bardzo krótkim czasie następuje zmiękczenie wódy wskutek wymiany jonów wapnia i magnezu zawartych w wodzie twardej na jony sodu zawarte w permutycie. Permutyt traci po pewnym czasie zdolność zmiękczania wody i powinien być zregenerowany, co łatwo wykonać za pomocą przepuszczania przez filtr permutytowy roztworu soli kuchennej. Metoda permutytowa ma duże zalety i umożliwia otrzymanie wody o twardości do 0,02 mval/dm3, a więc doskonale miękkiej.
Oprócz permutytu stosuje się również inne substancje, zwane ogólnie wymieniaczami jonowymi lub jonitami. Jedne z nich, kationity wodorowe, umożliwiają wymianę wszystkich kationów zawartych w wodzie na kationy wodorowy. Po przefiltrowaniu przez złoże kationitu woda zawiera już nie sole, lecz odpowiednie kwasy. Inne jonity, zwane anionitami, wymieniają wszystkie aniony zawarte w wodzie na anion hydroksylowy OH. Po przefiltrowaniu przez złoże anionitu woda zawierająca kwasy zostaje pozbawiona anionów, a więc staje się odmineralizowana.
Woda do zasilania kotłów wysokoprężnych powinna być pozbaw Tona rozpuszczonych gazów, które powodują korozję blachy, połączeń nitowych i rur. Odgazowywanie wody przeprowadza się w odgazowywaczu, w którym wodę do prowadza się do stanu wrzenia, rozbija na drobne struga i odciąga za pomocą pompy powietrznej wydzielające się gazy.
Urządzenia pomocnicze
Wytwarzanie ciągu i podmuchu. Zadaniem ciągu w kotle parowym jest doprowadzanie powietrza do paleniska i odprowadzanie spalin na zewnątrz. Podczas ruchu powietrza i spalin w kanałach kotła powstają opory przepływu. Opory te pokonuje się, wytwarzając różnicę ciśnienia pomiędzy wlotem powietrza a wylotem spalin. Ta różnica ciśnienia, zwana ciągiem, może być uzyskana za pomocą komina (ciąg naturalny) albo za pomocą. wentylatorów (ciąg sztuczny).
Wartość ciągu h wyraża się w mm słupa wody. Wynosi ona u podstawy komina h= 13÷50 mm słupa wody. Ciąg naturalny wytwarza się wskutek różnicy ciężaru słupa zimnego powietrza zewnętrznego i ciężaru słupa gorących spalin w kominie (zasada naczyń połączonych). Słup powietrza, jako cięższy, wypycha słup spalin, a wartość ciągu równa się różnicy ciśnienia hydrostatycznego powietrza i spalin.
Ciąg kominowy jest tym większy, im wyższy jest komin oraz im mniejszy ciężar właściwy spalin w kominie, tj. im wyższa temperatura spalin. Silny ciąg potrzebny w nowoczesnych kotłach wymaga kosztownego komina wysokości. ponad 100 m albo bardzo wysokiej temperatury spalin w kominie, co jest związane z dużą stratą ciepła.
W kotłach ruchomych i kotłach o większej wydajności stosuje się zwykle ciąg sztuczny, który . można wytworzyć za pomocą wentylatora tłoczącego powietrze pod ruszt (podmuch) albo za pomocą wentylatora wysysającego spaliny z paleniska (ciąg ssący). Podmuch stosuje się do węgla spiekającego się, drobnoziarnistego i małowartościowego. Wytwarza on nadciśnienie w palenisku i może spowodować zadymienie kotłowni. Dlatego podmuchu nie należy stosować przy ręcznej obsłudze paleniska.
Ciąg ssący wytwarza podciśnienie w palenisku i kanałach spalinowych, co może wywołać zasysanie przez nieszczelność obmurza zimnego powietrza do paleniska i obniżenie sprawności kotła. Jednoczesna praca podmuchu i ciągu ssącego umożliwia utrzymanie w palenisku ciśnienia niemal atmosferycznego, nie ma więc tych wad i jest dziś najczęściej stosowana.
Obieg Rankine'a (dokładniej obieg Clausiusa-Rankine'a) jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi parowanie i skraplanie czynnika roboczego np. dla konwencjonalnych lub jądrowych siłowni parowych, agregatów chłodziarek.
Jest on złożony z następujących przemian:
* 1 - 2 - izentropowego (adiabatycznego) rozprężania pary w turbinie parowej,
* 2 - 3 - izobarycznego skroplenia rozprężonej pary (odprowadzenia ciepła w skraplaczu),
* 3 - 4 - izochorycznego, pompowania kondensatu w pompie,
* 4 - 1 - izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary.
Sprawność obiegu dla wody może wynosić 0,4-0,6, w praktyce bliższa dolnej granicy, co wynika z odchyłek przemian od założeń teoretycznych obiegu (np. nieizentropowe rozprężanie pary w turbinie, spadki ciśnienia w wymiennikach ciepła w kotle, etc.).
Obieg ten jest znacznie bliższy rzeczywistości dla cyklu, w którym zachodzi przemiana fazowa gaz - ciecz w porównaniu z obiegiem Carnota, który jest cyklem zachodzącym tylko dla gazu.
Czynnikiem roboczym (termodynamicznym) w cyklu Rankine'a jest w zastosowaniach technicznych (energetyce) najczęściej woda. Wynika to z wielu względów, m.in. z jej bardzo łatwej dostępności oraz obojętności dla środowiska. Niekiedy pojawiają się tzw. ORC, Organic Rankine Cycle, obiegi Rankine'a wykorzystujące jako czynnik roboczy węglowodory, co pozwala na pracę przy niższych temperaturach górnego źródła ciepła obiegu. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie np. ciepła geotermalnego do produkcji energii elektrycznej.