ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ПАРОВОГО КОТЛА

Испарительные поверхности. Парогенерирующие (испарительные) поверхно­сти нагрева отличаются друг от друга в котлах различных систем, но, как пра­вило, располагаются в основном в топоч­ной камере и воспринимают теплоту из­лучения. Это — экранные трубы, а также устанавливаемый на выходе из топки не­больших котлов конвективный пучок труб (см. рис. 18.1).

Экраны котлов с естественной цирку­ляцией, работающих под разрежением в топке, выполняются из гладких труб с внутренним диаметром 40—80 мм. Эк­раны представляют собой ряд парал­лельно включенных вертикальных подъемных труб, соединенных между собой коллекторами. Зазор между трубами обычно составляет 4—6 мм. Размеры топки и величину поверхности экранов рассчитывают таким образом, чтобы на выходе из топки температура продуктов сгорания не превышала температуру размягчения золы, иначе зола будет при­липать к деталям котла, расположенным за топкой, и забьет («зашлакует») путь для прохода газа.

Пароперегреватели. Пароперегрева­тель предназначен для повышения тем­пературы пара, поступающего из испари­тельной системы котла. Его трубы (диа­метром 22—54 мм) могут располагаться на стенах или потолке топки и восприни­мать теплоту излучением — радиаци­онный пароперегреватель либо в ос­новном конвекцией — конвективный пароперегреватель. В этом случае трубы пароперегревателя располагаются в го­ризонтальном газоходе или в начале кон­вективной шахты.

Температура перегретого пара долж­на поддерживаться постоянной всегда, независимо от режима работы и нагруз­ки котлоагрегата, поскольку при ее пони­жении повышается влажность пара в по­следних ступенях турбины, а при повы­шении температуры сверх расчетной по­является опасность чрезмерных термиче­ских деформаций и снижения прочности отдельных элементов турбины. Поддер­живают температуру пара на постоянном уровне с помощью регулирующих устройств — пароохладителей. Наиболее широко распространены пароохладители впрыскивающего типа, в которых регули­рование производится путем впрыскива­ния обессоленной воды (конденсата) в поток пара. Вода при испарении отни­мает часть теплоты у пара и снижает его температуру.

Низкотемпературные поверхности нагрева. Низкотемпературными считают­ся поверхности, расположенные в кон­вективном газоходе и работающие при относительно невысоких температурах продуктов сгорания. К ним относятся водяные экономайзеры и воздухоподог­реватели. Основная цель их установки — максимальное использование теплоты уходящих из котла газов.

Водяные экономайзеры, предназначенные для подогрева пита­тельной воды, обычно выполняют из стальных труб диаметром 28—38 мм, со­гнутых в вертикальные змеевики и ском­понованных в пакеты. Трубы в пакетах располагаются в шахматном порядке до­вольно плотно: расстояние между осями соседних труб поперек потока дымовых газов составляют 2—2,5 диаметра трубы, а между рядами — вдоль потока — 1 — 1,5. Крепление труб змеевиков и их дистанционирование осуществляются опорными стойками, закрепленными в большинстве случаев на полых (для воздушного охлаждения), изолирован­ных со стороны горячих газов балках каркаса (рис. 18.4).

В экономайзере котлов высокого дав­ления до 20 % воды может превращать­ся в пар.

Общее число параллельно работаю­щих труб выбирается исходя из скорости воды не ниже 0,5—1 м/с. Эти скорости обусловлены необходимостью смывания со стенок труб пузырьков воздуха, спо­собствующих коррозии, и предотвраще­ния расслоения пароводяной смеси, кото­рое может привести к перегреву слабо охлаждаемой паром верхней стенки тру­бы и ее разрыву. Движение воды в эко­номайзере обязательно восходящее; в этом случае имеющийся в трубах после монтажа (ремонта) воздух легко вытес­няется водой.

Число труб в пакете в горизонталь­ной плоскости выбирается исходя из ско­рости продуктов сгорания 6—9 м/с. Ско­рость эта определяется стремлением, с одной стороны, получить высокие ко­эффициенты теплоотдачи, а с другой — не допустить чрезмерного эолового изно­са. Коэффициенты теплопередачи при этих условиях составляют обычно не­сколько десятков Вт/(м²-К). Для удоб­ства ремонта и очистки труб от наруж­ных загрязнений экономайзер разделяют на пакеты высотой 1 — 1,5м с зазорами между ними до 800 мм.

Наружные загрязнения с поверхно­сти змеевиков удаляются, например, пу­тем периодического включения в работу системы дробеочистки, в которой поток металлической дроби пропускается (па­дает) сверху вниз через конвективные поверхности нагрева, сбивая налипшие на трубы отложения. Налипание золы может быть следствием выпадения рось! из дымовых газов на относительно хо­лодной поверхности труб, особенно при сжигании сернистых топлив (пары H2SOs конденсируются при более высо­кой температуре, чем HsO). В теплоэнер­гетических установках питательная вода перед поступлением в котел обязательно подвергается регенеративному подогреву (см. §6.4), поэтому ни налипания золы, ни наружной коррозии (ржавления) труб вследствие выпадения росы в эконо­майзерах таких котлов не бывает.

Верхние ряды труб экономайзера при работе котла на твердом топливе даже при относительно невысоких скоростях газов подвержены заметному износу зо­лой. Для его предотвращения на эти трубы крепятся различного рода защит­ные накладки (обычно сверху вдоль тру­бы приваривают уголок).

Воздухоподогреватели. По­скольку питательная вода перед эконо­майзером энергетических котлов имеет высокую температуру t_n „ после регенера­тивного нагрева (при р= 10 МПа, напри­мер, t_{n B} = 230 °С), глубоко охладить ухо­дящие из котла газы с ее помощью не­льзя. Для дальнейшего охлаждения га­зов после экономайзера ставят воздухо­подогреватель, в котором нагревают воз­дух, забираемый из атмосферы и идущий затем в топку на горение. При сжигании влажного угля нагретый воздух предва­рительно используется для его сушки в углеразмольном устройстве и транс­портировки полученной пыли в горелку.

По принципу действия воздухоподог­реватели разделяются на рекуператив­ные и регенеративные. Рекуператив­ные — это, как правило, стальные труб­чатые воздухоподогреватели (диаметр трубок 30—40мм). Схема такого подо­гревателя приведена на рис. 18.5. Трубки в нем расположены обычно вертикально, внутри них движутся продукты сгорания; воздух омывает их поперечным потоком в несколько ходов, организуемых за счет перепускных воздуховодов (коробов) и промежуточных перегородок.

Газ в трубках движется со скоростью 9—13м/с, воздух между трубками— вдвое медленнее. Это позволяет иметь примерно равные коэффициенты тепло­отдачи с обеих сторон стенки трубы.

Температуру стенок труб воздухопо­догревателя во избежание конденсации на них водяных паров из уходящих газов желательно поддерживать выше точки росы. Этого можно достичь предвари­тельным подогревом воздуха в паровом калорифере либо рециркуляцией части горячего воздуха.

Регенеративный воздухопо­догреватель котла (рис. 18.6) пред­ставляет собой медленно вращающийся (3—5 об/мин) барабан (ротор) с набив­кой (насадкой) из гофрированных тон­ких стальных листов, заключенный в не­подвижный корпус. Секторными плитами корпус разделен на две части — воздуш­ную и газовую. При вращении ротора набивка попеременно пересекает то га­зовый, то воздушный поток. Несмотря на то что набивка работает в нестационар­ном режиме, подогрев идущего сплошным потоком воздуха осуществляется не­прерывно без колебаний температуры. Движение газов и воздуха — противоточное.

Регенеративный воздухоподогрева­тель отличается компактностью (до 250 м² поверхности нагрева в 1 м³ на­бивки); он широко распространен на мощных энергетических котлоагрегатах. Недостатком его являются большие (до 10 %) перетоки воздуха в тракт газов, что ведет к перегрузкам дутьевых венти­ляторов и дымососов и увеличению по­терь теплоты с уходящими газами.

Все описанные тепловоспринимаю-щие элементы котла (поверхности нагре­ва) являются типичными теплообменни­ками, и расчет их ведется по формулам, приведенным в гл. 14. Поверхность на­грева рассчитывается по уравнению теп­лопередачи

(18.1)

где k — коэффициент теплопередачи; Δtср — среднелогарифмическая разность температур продуктов сгорания и рабо­чей среды; B_PQ — количество восприня­той теплоты.

Особенность расчета котлов состоит в том, что его принято осуществлять для 1 кг твердого и жидкого и 1 м³ газооб­разного топлива. В этом случае Q — теплота, отданная продуктами сгорания 1 кг (м³) топлива и равна разности эн­тальпий продуктов сгорания до (Н') и после (Н") рассматриваемой конвек­тивной поверхности, т. е.

Q = H'-H". (18.2)

Под Вр понимается расчетный расход топлива, т. е. его количество, действи­тельно сгоревшее в топке. Это же коли­чество теплоты передается в данной по­верхности рабочему телу (воде, пару, воздуху):

B_pQ=D(h_вых-h_вх) (18-3)

В этой формуле D — расход рабочего тела; h_вх и h_вых — энтальпии рабочего тела на входе в поверхность нагрева и вы­ходе из нее, рассчитанные, как обычно, на 1 кг рабочего тела.