ZASADA DZIAŁANIA KOTŁÓW
KOCIOŁ - naczynie zamknięte w którym pod działaniem energii cieplnej woda przechodzi w parę o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, użytkowaną na zewnątrz kotła.
Proces wytwarzania pary można podzielić na 3 etapy:
- podgrzewanie wody od temp zasilania do temp wrzenia odpowiadającej ciśnieniu w kotle
- odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i temperaturze aż do uzyskania pary suchej nasyconej
- przegrzanie otrzymanej pary
1 - stan wody zasilającej podawanej przez pompę zasilającą
Izobara 1-2 podgrzewanie wody od temperatury zasilania
do temperatury wrzenia. Ilość dostarczonego
ciepła jest proporcjonalna do pola1-2-1'-2'
Izobara 2-3 odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i stałej
temperaturze. Ilość dostarczonego ciepła jest
proporcjonalna do pola 2-3-3'-2'-2
Izobara 3-4 przegrzewanie pary - pole 3-4-3'-4'
K - punkt krytyczny : p=21,1 MPa ; T=374oC
Proces wytwarzania pary w kotle
przedstawiony w układzie T - s
W pierwszym etapie wytwarzania pary w kotle punkt 1 obrazuje stan wody zasilającej podawanej do kotła przez pompę zasilającą. Proces podgrzewania do temperatury wrzenia przedstawia izobara 1 -2.
W drugim etapie następuje odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i przy stałej temperaturze. Izobara 2 - 3
Przy ciśnieniu poniżej punktu krytycznego objętość ogrzewanej wody zwiększa się gwałtownie w miarę zmiany stanu skupienia 700÷1000 razy i występuje w postaci dwóch faz. Wskutek tego konieczne jest stosowanie zbiornika parowo-wodnego. Ilości ciepła potrzebne w poszczególnych fazach obrazują pola pod krzywą 1-2-3-4.
Trzeci etap to zwiększenie temperatury otrzymanej pary do odpowiedniej wysokości czyli przegrzanie. Przegrzanie również jest izobaryczne. W praktyce para na wyjściu z parownika (odcinek 2-3) nie jest sucha tylko nasycona o pewnym stopniu wilgotności oznaczanym (1- x) lub o pewnym stopniu suchości x<1 stąd w proces odparowania kończy się w przegrzewaczu.
Na wykresie i - p widać, że entalpia wrzącej wody rośnie wraz z ciśnieniem. Entalpia pary nasyconej suchej początkowo rośnie a nstępnie maleje aby osiągnąć najniższą wartość przy ciśnieniu krytycznym. Pomijając spadki ciśnień w czasie przepływu wody itp., to obrazem produkcji pary jest izobara.
Proces wytwarzania pary w układzie i - p
Izobara 1-2-3-4 przedstawia produkcję pary o ciśnieniu 5,9 MPa (60 kG/cm2).Izobara 1x - 2x - 3x - 4x przedstawia produkcję pary o ciśnieniu 19,62 MPa (200 kG/cm2 )
Z porównania odcinków 2-3 i 2x - 3x widać , że ciepło parowania maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Przy ciśnieniu krytycznym ciepło parowania wynosi zero (punkt 2 i 3k są w tym samym punkcie K. Wraz ze zmianą ciśnienia zmienia się też procentowy udział przejmowanego ciepła przez poszczególne powierzchnie ogrzewalne co przedstawiono na poniższym wykresie:
Proces wytwarzania pary przedstawiony na wykresie i - s
1 - stan wody zasilającej
Izobara 1-2 podgrzewanie wody od temperatury zasilania do temperatury wrzenia
Izobara 2-3 odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i stałej temperaturze. Ilość dostarczonego ciepła jest
proporcjonalna do pola 2-3-3'-2'-2
Izobara 3-4 przegrzewanie pary
Z analizy wykresów wynika, że przy zwiększaniu ciśnienia w kotle ciepło w coraz mniejszym stopniu przekazywane jest w parowniku aż ostatecznie dla ciśnień powyżej krytycznego parownik staje się zbędny. Zbędny jest również walczak parowo-wodny ponieważ nie następuje zwiększenie objętości pary w stosunku do objętości wody.
Bilans masowy kotła parowego
Gz - woda zasilająca [kg/h]
D - wytworzona para [kg/h]
B - paliwo [kg/h]
Vpow - powietrze [m3/h]
Vsp - spaliny wylotowe [ m3/h]
Gsz - woda upuszczana kotła (szumowanie)
Ponieważ do komory spalania dopływa B kg/h paliwa i Vpow m3/h bilans można ująć zależnością:
B(1 - a) +Vpow ρpow = Vsp
gdzie: a - część paliwa nie ulegająca spaleniu ( popioły i sadze [kg/kg]
ρpow - gęstość powietrza
We współczesnych kotłach każdy z etapów pracy kotła odbywa się w innej części.
W przykładowym kotle wodnorurkowym podgrzewanie wody odbywa się głównie w w tzw ekonomizerze tj powierzchniowym wewnątrzkotłowym podgrzewaczu wody zasilającej. W tym podgrzewaczu wodę podgrzewa się do temp niższej od temp wrzenia w danym ciśnieniu o ok. 20 oC, czyli końcowe podgrzewanie odbywa się w rurkach parownika nazywanego „kotłem właściwym”.
Ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody w kotle wynosi
Qp = D(i' - iw) [kJ/h]
D - wydajność kotła [kg/h]
i' - entalpia wody wrzącej przy ciśnieniu kotłowym [kJ/kg]
iw - entalpia wody zasilającej [kJ/kg]
Powierzchnie ogrzewalne kotła opłomkowego
1 - wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody
(ekonomizer)
2a, b, c - pęki rurek ekranowych i konwekcyjnych
tworzące powierzchnię ogrzewalną
kotła właściwego (parownika)
3 - przegrzewacz pary
4 - podgrzewacz powietrza
5 - palnik
6 - rurociągi szumowania
Do rurek pęku 2a otaczających palenisko ciepło
dostarczane jest przez promieniowanie, natomiast
do rurek 2b i 2c drogą konwekcji.
Ciepło parowania Qpar = D(i'' - i') i'' - entalpia pary suchej nasyconej przy ciśnieniu kotłowym
Para nasycona przedostaje się specjalnym rurociągiem najczęściej na zewnątrz kotła, do przegrzewacza. Ciepło dostarczone w przegrzewaczu służy w zasadzie wyłącznie do podwyższenia temperatury.
Ciepło dostarczone w przegrzewaczu Qprz = d(ipp - i'') [kJ/kg]
ipp - entalpia pary przegrzanej
Całkowita ilość ciepła potrzebna do wyprodukowania D [kg/h] pary przegrzanej wynosi:
Qcałk = Qp + Qpar + Qprz
wykład 7
3