ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ КОТЛОВ

8.1 Экономайзеры

Экономайзеры соответственно назначению условно делят на два типа: некипящие и кипящие. В экономайзере воспринимается 10 — 20 % теплоты топлива.

Не кипящие экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды только до температуры насыщения и устанавливаются индивидуально на котел или на группу котлов низкого давления (до р =2,4 МПа) и малой мощности и могут отключаться от котлов по газовому и водяному тракту. Их выполняют в виде пакета гладких, стальных или чугунных ребристых труб с оребрением с газовой стороны. Длина оребренной чугунной трубы экономайзера конструкции ВТИ составляет 1,5; 2 или 3 м, диаметр трубы 76 х 8 мм, наружные ребра квадратные размером 150 х 150 мм. Число труб в пакете в горизонтальной плоскости определяется, исходя из скорости продуктов сгорания, обычно равной 6 — 9 м/с; число горизонтальных рядов труб экономайзера определяется требуемой поверхностью нагрева. При скорости продуктов сгорания 8 м/с k ≈ 20 Вт/(м²·К). Температурный напор в не кипящем экономайзере определяется как средний логарифмический.

Кипящие экономайзеры в современных котлах любого давления устанавливают индивидуально к каждому из них. Экономайзеры не отключаются по водяному и газовому трактам от остальных элементов котла.

В целях интенсификации теплообмена экономайзер выполняют из трубок малого диаметра d_H=28 - 38 мм при толщине стенки 2,5 — 3,5 мм. Концы змеевиков экономайзера объединяют коллекторами, вынесенными из области газового обогрева. В мощных котлах с целью уменьшения количества трубок, проходящих через обмуровку экономайзера, змеевики объединяют в соединительных патрубках, которые пропускаются через обмуровку к коллекторам. Иногда коллекторы, объединяющие змеевики, размещают в газоходе, где расположен экономайзер, и одновременно они служат также для его опоры.

Трубки экономайзера обычно располагают в шахматном порядке, что обеспечивает большую эффективность теплообмена примерно на 25 % по сравнению с теплообменом при коридорном расположении труб и соответственное уменьшение габаритов экономайзера. Стальной гладкотрубный экономайзер с параллельным включением ряда змеевиков изображен на рис. 8.1. В целях уменьшения габаритов, занимаемых экономайзером, в котлах большой мощности увеличивают число рядов параллельно включенных змеевиков, предусматривая два входных и два выходных коллектора, расположенных на противоположных стенках конвективной шахты. Встречные змеевики смещены по глубине газохода с таким расчетом, чтобы было выдержано оптимальное значение отношения S₂/d_u, равное 1,25.

В другой конструкции малый продольный шаг труб достигается лирообразным изгибом труб. Крепление коллекторов экономайзера осуществляется путем их установки на опорных или подвесных конструкциях. К коллекторам змеевики присоединяют вальцовкой или сваркой через промежуточные штуцера (рис. 8.2). Выходной коллектор экономайзера присоединяют к барабану котла несколькими водо-перепускными трубами, в которых обеспечивается восходящий поток с целью свободного выхода с водой газов и образовавшегося в экономайзере пара в барабан. Для удобства очистки поверхностей нагрева от наружных загрязнений и его ремонта экономайзер разделяют на пакеты высотой до 1 м. Разрывы между пакетами должны быть 550—600 мм, а между пакетами экономайзера и воздушным подогревателем — не менее 800 мм.

Змеевики экономайзера располагают перпендикулярно и параллельно фронту котла (рис. 8.3). В первом случае длина змеевика невелика, что облегчает их крепление. Во втором случае резко уменьшается число параллельно включенных змеевиков, но усложняется их крепление. В котлах небольшой мощности применяют одностороннее расположение коллекторов. В котлах с развитым фронтом экономайзеры выполняют двусторонними, симметричными, с расположением коллекторов с двух боковых сторон конвективной шахты.

Скорость воды в экономайзере принимают, исходя из условий предотвращения в них расслоения пароводяной смеси и кислородной коррозии. При малой скорости воды остающийся в ней кислород задерживается в местах шероховатости верхней образующей трубок и вызывает язвенную коррозию, которая распространяется на большую толщину стенки трубки вплоть до образования свищей. Расслоение пароводяной смеси при малой скорости потока вызывает ухудшение условий их охлаждения и перегрев металла трубок.

Массовая скорость воды в экономайзере при восходящем его потоке должна быть выбрана с учетом характеристики рабочей среды и условий теплообмена. Например, для конвективных некипящих элементов массовая скорость воды должна составлять 500—600 кг/(м²-с). При указанных в этой главе массовых скоростях коэффициент теплоотдачи к воде a₂=3000 - 4000 Вт/(м²·К), что обеспечивает надежное охлаждение трубок. Отдельные ступени экономайзера выполняют как самостоятельные элементы, и для уменьшения тепловой и гидравлической разверки между трубками ступеней целесообразно их секционировать. Соединительные трубки между ступенями экономайзера используют для перемешивания и переброса воды перед поступлением ее в кипящую ступень. Паросодержание на выходе воды из кипящей ступени экономайзера не должно быть более 15—20 %. Скорость газов принимают до 12 м/с при работе котла на твердом топливе и до 16—20 м/с — на газе и мазуте.

В целях повышения эффективности теплообмена и компактности экономайзеров мощных котлов к трубкам приваривают плавники или экономайзеры выполняют из плавниковых трубок (рис. 8.4); при этом объем, занимаемый экономайзером, уменьшается на 20—25 %

Конструкцию экономайзера характеризуют следующие показатели:

- удельный объем, занимаемый экономайзером, V/Q, м³/МВт, — габаритная характеристика;

- удельный расход металла экономайзера G/Q, кг/МВт,— массовая характеристика;

- удельная стоимость экономайзера A/Q, руб/МВт, — стоимостная характеристика.

Зависимость этих характеристик от удельного расхода электроэнергии на тягу дает возможность выявить оптимальный диаметр трубок экономайзера (рис. 8.5). Как видно из графика, с уменьшением диаметра трубок значительно улучшаются все характеристики экономайзера. Минимальное значение применяемого диаметра трубок определяется условиями изготовления экономайзера.

8.2 Воздухоподогреватели

Для подогрева воздуха в котлах применяют два типа воздухоподогревателей: рекуперативные и регенеративные. В рекуперативном воздухоподогревателе теплота продуктов сгорания передается непрерывно воздуху через стенку, разделяющую теплообменивающиеся среды. В регенеративном воздухоподогревателе теплота передается металлической насадкой, которая периодически нагревается продуктами сгорания, а затем отдает аккумулированную в ней теплоту нагреваемому воздуху. Воздухоподогреватели воспринимают 7—15 % теплоты топлива, отдаваемого продуктами сгорания в котле.

Преимущественно применяются трубчатые рекуперативные воздухоподогреватели с вертикальным расположением труб. Скорость газов обычно 10—14 м/с, воздуха 6—8 м/с. Продукты сгорания проходят внутри труб, воздух омывает их снаружи поперечным потоком (рис. 8.6). Воздухоподогреватели изготовляют из стальных труб с наружным диаметром 30—40 мм при толщине стенки 1,2—1,5 мм. Концы труб приваривают к трубным доскам и располагают в шахматном порядке. Для получения необходимой скорости перекрестного тока воздуха трубную систему по высоте разделяют промежуточными досками на несколько ходов. Для перепуска воздуха из одного хода в другой установлены короба. Воздухоподогреватель снаружи имеет стальную обшивку и опирается нижней трубной доской на раму, связанную с каркасом котла. Трубная система при нагревании расширяется вверх, и верхняя трубная доска соединяется с газоходом линзовым или набивным компенсатором, что обеспечивает свободное термическое расширение воздухоподогревателя без присосов воздуха (рис. 8.7). Воздухоподогреватель выполняют из ряда секций, удобных для монтажа и транспортировки, которые устанавливают рядом, заполняя все сечение газохода. При сжигании многозольного топлива для предохранения верхних концов труб от абразивного износа в них устанавливают трубки длиной 150-200 мм. При температуре продуктов сгорания более 500°С верхние трубные доски покрывают теплоизоляционной массой. Применяют однопоточную и двухпоточную схемы подвода воздуха в воздухоподогреватель. В воздухоподогревателях котлов малой и средней мощности применяют однопоточную схему подвода воздуха по его широкой стороне. В котлах большой мощности высота одного воздушного хода достигает больших размеров, число ходов воздуха в каждой ступени воздухоподогревателя уменьшается. Двухпоточная схема подвода воздуха позволяет уменьшить высоту хода и увеличить число ходов при меньшем в них числе рядов трубок и соответственно уменьшить сопротивления по ходу воздуха и повысить температурный напор в воздухоподогревателе. Применение двухпоточной схемы подвода воздуха и труб малого диаметра с малым шагом позволяет создать достаточно компактные воздухоподогреватели.

Трубчатые воздухоподогреватели просты по конструкции, надежны в работе и более плотны, чем другие системы воздухоподогревателей. Недостатком трубчатых воздухоподогревателей являются относительно большие удельный расход металла G/Q и удельный объем V/Q. Различные схемы компоновки трубчатых воздухоподогревателей показаны на рис. 8.8.

При наличии низкотемпературной и высокотемпературной ступеней воздухоподогревателя каждая ступень рассчитывается отдельно. Для регенеративных вращающихся воздухоподогревателей в расчет вводится двусторонняя поверхность нагрева набивки.

Регенеративный воздухоподогревательпредставляет собой вращающийся барабан с набивкой из тонких стальных гофрированных и плоских листов, образующих каналы малого эквивалентного диаметра (d_э=4-н5 мм) для прохода воздуха и продуктов сгорания. Набивкой, которая служит поверхностью теплообмена, заполняется пустотелый ротор, разделенный сплошными перегородками на изолированные друг от друга секторы (рис. 8.9).

Ротор медленно (с частотой вращения 2—6 об/мин) вращается в неподвижном корпусе. Корпус разделен на две части секторными плитами. В одну из них через горловину поступают продукты сгорания, в другую — воздух. Движение потока газа и воздуха раздельное и непрерывное. При непрерывном вращении ротора его металлическая набивка попеременно проходит через эти потоки. Сначала теплота газов аккумулируется, а затем отдается воздуху. Этот процесс повторяется, и в итоге организуется непрерывный нагрев воздуха. Взаимное движение потоков продуктов сгорания и воздуха противоточное. Площадь поверхности нагрева 1 м³ набивки составляет 200—250 м². Длительность пребывания набивки в газовом и воздушном потоках менее 30 с. Толщина листов набивки 0,6—1 мм. Мощность электродвигателя для привода ротора воздухоподогревателя 3—5 кВт. Регенеративные воздухоподогреватели указанной конструкции отличаются малым значением величин V/Q, G/Q и A/Q.

Недостатками регенеративных воздухоподогревателей являются повышенный переток воздуха в газовую среду (до 10 %), что увеличивает потерю с уходящими газами, а также наличие вращающихся элементов и системы водяного охлаждения вала ротора и подшипников. Вследствие коробления набивки подогрев воздуха в регенеративных воздухоподогревателях ограничен температурой 300°С. При необходимости более высокого подогрева воздуха воздухоподогреватель выполняют комбинированным: из регенеративного воздухоподогревателя с подогревом в нем воздуха до 250—300 °С и трубчатого, в котором завершается подогрев воздуха до более высокой температуры (рис. 8.10).

Для подогрева воздуха до 400—420 °С и температурном напоре на горячем конце воздухоподогревателя Δt=40°С при отношении водяных эквивалентов газа и воздуха = 0,8 температура уходящих газов должна быть не меньше 140—150°С, что экономически невыгодно. Для ее снижения необходима двухступенчатая компоновка воздухоподогревателя, как показано на схеме рис. 8.10. Влияние подогрева воздуха на температуру уходящих газов при одноступенчатой компоновке воздухоподогревателя показано на рис. 21.11.

Рисунок 8.2 - Присоединение змеевиков к коллекторам экономайзера:

а -с использованием развилок; б - с разделением на два пучка; в - при двух параллельных коллекторах; г и д - с использованием секционных камер

а - расположение змеевиков перпендикулярно фронту; б - расположение змеевиков параллельно фронту; в и г - двусторонне-параллельное фронту расположение змеевиков; д - защита труб от износа; 1 - барабан; 2 - водоперепускные трубы; 3 - экономайзер; 4 - входные коллекторы; 5 - перекидные трубы

Рисунок 8.

а - с приварными ребрами; б - плавниковые трубы

Рисунок 8.6 - Трубчатый воздухоподогреватель:

1 - стальные трубы 40х1,5 мм; 2 и 6 - верхняя и нижняя трубные доски толщиной 20 - 25 мм; 3 - компенсатор; 4 - воздухоперепускной короб; 5 - промежуточная трубная доска; 7 и в - опорные рамы и колонны

Рисунок 8.7 - Компенсаторы тепловых расширений воздухоподогревателя:

а - линзовый компенсатор; б - набивной компенсатор; 1 - трубная доска; 2 - компенсатор расширения труб относительно короба; 3 - компенсатор расширения короба относительно каркаса; 4 - каркас короба; 5 - камера с крошкой шамота и песка; 6 - лист уплотнения.

Рисунок 8.8 - Схемы компоновки воздухоподогревателей:

а - двухпоточный по воздуху и двухсторонний его подвод; б - двухпоточный при одностороннем подводе воздуха; в - многопоточный по воздуху; 1 - вход холодного воздуха; 2 - выход горячего воздуха

Рисунок 8

1 - вал ротора; 2 - подшипники; 3 - электродвигатель; 4 - набивка: 5 - наружный кожух; 6 и 7- радиальное и периферийное уплотнение; 8 - утечка воздуха

1 - топка; 2 - экраны; 3 - фестон; 4 - ширмовый пароперегреватель; 5 - конвективный пароперегреватель; 6 - экономайзер I ступени; 7 - то же II ступени; в - регенеративный воздухоподогреватель I ступени; 9 - рекуперативный трубчатый воздухоподогреватель II ступени

Рисунок 8.