3 . Циркуляция воды в котле.

Рис. 1.7б Котёл с принудительной циркуляией

Циркуляция воды обеспечивает прочность металлических поверхностей нагрева и тем самым надёжность работы котла путм интенсивного охлаждения стенок обогреваемых труб нагреваеемой средой. При прекращении или ухудшении тепллотвода может произойти перегрев металла до значений, превышающих допустимые, и авария котла. В водотрубных котлах охлаждение обеспечивается циркуляцией воды в трубах, т.е. движением нагреваемой среды вдоль поверхности нагрева. Циркуляция может быть принудительной и естественной. На морских судах

Котлы с принудительной циркуляцией достаточно широко применяются как утилизационные. В них движение воды и пара в циркуляционном контуре происходит благодаря на­пору, создаваемому циркуляцион­ным насосом. Большинство же су­довых водотрубных котлов имеет ес­тественную циркуляцию, протекаю­щую вследствие разницы плотностей воды и пароводяной смеси в опуск­ных и подъемных трубах.

Влияние циркуляции воды на проч ность металла поверхностей нагрева котла можно уяснить, использовав основные положения теплопередачи, рассматривающей процессы пере­дачи теплоты через стенку от нагре­вающей среды к нагреваемой. Коэф­фициент теплоотдачи а\ от газов к стенке в судовых котлах обычно не превышает 120 Вт/(м^а* К), а коэф­фициент теплоотдачи от сгенки к во­де α₂ составляет 5800—11600 Вт/ /(м²* К). Сравнивая эти значения, можно убедиться, что теплота от га­зов к стенке передается во много раз медленнее, чем она отводится к воде. Благодаря интенсивной теп­лоотдаче к воде температура сте­нок труб работающего котла лишь незначительно превышает темпера­туру воды в них. Теплоотдача от стенки к пару значительно меньше, чем к воде, поэтому в случае на­рушения циркуляции или при упуске воды, если в трубах окажется пар, то температура стенки начнет резко возрастать. Это вызовет нарушение прочности металла, а значит, и воз­можную аварию. На прочность ме­талла оказывает влияние также сос­тояние поверхностей нагрев-е. При чистой стенке металл труб оказывает очень малое сопротивление переходу теплоты от нагревающей среды к на­греваемой. Теплопередача сильно ухудшается, если стенки труб покры­ты с одной стороны сажей, а с дру­гой — накипью и особенно маслом.

Процесс организованной естественной циркуляции в водотрубных котлах характеризуется рядом понятий и определений, основными из которых являются: контур циркуляции, движущий и полезный напор, кратность циркуляции, скорость цирку­ляции, застой и опрокидывание цир­куляции, кавитация.

Контур циркуляции представляет собой замкнутую систему непре­рывного движения воды и парово­дяной смеси но трубам, подключен­ным к паровому и водяным кол­лекторам котла. Котел может иметь один или несколько самостоятельных контуров циркуляции. Контуры цир­куляции бывают независимыми и смешанными. У независимого кон­тура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного — опускные трубы пи­тают водой подъемные трубы не­скольких контуров.

В котле с двумя независимыми контурами циркуляции (рис. 1.8, а) в первом (экранном) контуре вода из парового коллектора I по трубам 7 опускается в водяной экранный коллектор 5. Опускные трубы 7, рас­положенные за первым сплошным рядом труб бокового экрана, теплоты из топки практически не получают, поэтому их называют опускными необогреваемыми трубами. Подъемны­ми трубами этого контура являются трубы 6 первого ряда бокового эк рапа, воспринимающие лучистую энергию факела. Во втором контуре, образованном трубами конвектив­ного пучка, соединяющими паровой коллектор I с водяным 4, трубы 2 получают из топки больше теплоты, чем трубы Трубы 2 являются подъ­емными. а трубы 3 как более отда­ленные от топки являются опускны­ми. В отличие от опускных труб 7 трубы 3 называют обогреваемыми. У большинства котлов все конвек­тивные пучки труб подъемные, а опускные кеобогреваемыс трубы раз­мещаются за первым рядом бокового экрана или в воздушных коробах фронта котла, то есть вне топки.

Движущий напор - разность меж­ду массами столбов воды в опуск­ных трубах контура и пароводяной смеси в его подъёмных трубах. Высота подъёмной трубы складывается из экономайзерного участка h_э в котором вода, поступающая из водя­ного коллектора, доводится до ки­пения, и участка h_п, называемого высотой паросодержащей части. На участке h_п, происходит парообразо­вание и восходящее движение паро­водяной смеси. В опускных трубах движется только вода. Движущий напор зависит от высоты паросодер­жащей части и разности плотностей воды и пароводяной смеси, нахо­дящихся практически при одинако­вой температуре. Наглядное пред­ставление об этом дает схема про­стого циркуляционного контура, по­казанная на рис. 1.8, б, к которому подводится теплота q.

Полезный напор — избыточная часть движущего напора, остающа­яся после компенсации сопротив­лений в подъемных трубах и рас­ходуемая на преодоление сопротив­лений в опускных трубах. Таким об­разом, благодаря движущему и по­лезному напорам происходит цирку­ляция воды в котле.

Кратность циркуляции - отноше­ние количества воды, проходящей через контур, к паропроизводительности этого же контура за оди­наковый промежуток времени (обычно принимают за 1 ч). Кратность циркуляции при нормальных нагрузках у судовых водотрубных котлов составляет примерно 20—60. Из приведенных значений кратности циркуляции следует, что количество воды проходящей по подъемным и опускным трубам котла за единицу вре­мени, значительно превышает его паропроизводительность. Физический смысл кратности циркуляции заключается в том, что она пока­зывает, сколько раз должна пройти определенная масса воды по контуру, чтобы полностью превратиться в пар.

Скорость циркуляции — скорость воды на входе в подъемные трубы контура, выражаемая в метрах в се­кунду (м/с). У котлов скорость цир­куляции неодинаковая и имеет бо­лее высокие значения в тех эле­ментах, которые воспринимают боль­ше теплоты. В зависимости от рас­положения пучков труб котла по от­ношению к источнику теплоты зна­чения скорости циркуляции состав­ляют 0,3 -1,5 м/с.

Застой циркуляции — явление, при котором в подъемных трубах существенно замедляется или прекращает­ся движение пароводяной смеси вверх. Застой циркуляции может воз­никнуть в случае неодинакового подвода теплоты к парообразующим трубам, расположенным в одном и том же ряду, например, из-за их не­равномерного обогрева, загрязнения или других причин.

Замедление или прекращение дви­жения воды возникает у менее на­гретых труб, в результате чего в них образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному выше свободного уровня, будет мед­ленно двигаться не пароводяная смесь, а пар. Условия нормального отвода теплоты от стенки обогрева­емой трубы нарушены, и на данном участке трубы возникает аварийное состояние, связанное с перегревом металла.

Опрокидывание циркуляции — яв­ление, при котором в подъемных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теп­лоты, происходят выделение пара и его подъем с одновременным опус­канием воды. Опрокидывание цирку­ляции вызывают те же причины, I которые приводят к застою цирку­ляции

С целью обеспечения надежной циркуляции необходимо содержать в чистоте поверхности, нагрева, не допускать резких колебаний давле­ния пара, поддерживать нормальный уровень воды в паровом коллекторе, особенно при качке судна.

Рис.1.8. Схемы циркуляционных контуров водотрубного котла

с двумя независимыми (а) и с одним зависимым (б) контурами.

Кавитация—явление, при кото­ром во входном сечении опускной трубы происходит парообразование. Оно может происходить, если ста­тическое давление в этом сечении окажется меньше давления в паро­вом коллекторе. При кавитации на­рушается нормальное поступление ^ «оды в опускные трубы, а следова-р гсльно, и в подъемные. Образующий сея паровые пузырьки и их конден-( сация вызывают в трубах гидрав­лические удары, которые могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует поддерживать такой уровень воды в паровом коллекторе, чтобы он был выше кромки входного се­чения опускных труб не менее чем на 50 мм.

Газотрубные котлы организован­ных контуров циркуляции не имеют, поэтому не могут работать с больши­ми тепловыми, особенно перемен­ными нагрузками. Для их пуска тре­буется больше времени.

Как уже отмечалось, в зави­симости от размещения элементы поверхностей нагрева получают не­одинаковое количество теплоты. При теплопередаче используют два основ­ных типа теплообмена — радиацион­ный (лучистый) и конвективный. В зависимости от этого поверхности котла подразделяют на радиацион­ные и конвективные. При радиацион­ном теплообмене теплота передается с помощью электромагнитных волн определенной длины. При этом со­прикосновения тел не требуется. При конвективном теплообмене теплота распространяется вместе с части­цами теплоносителя. Конвекция не­разделима с теплопроводностью, так как нагретые и холодные частицы взаимно соприкасаются. Вследствие этого конвективный теплообмен иног­да называют теплопередачей сопри­косновением.

Радиационный теплообмен во мно­го раз интенсивнее, и при нем обес­печивается съем пара с единицы по­верхности нагрева в несколько раз больший, чем при конвективном теп­лообмене.

При создании современных котлов стараются увеличивать именно ра­диационные поверхности нагрева, в результате чего уменьшаются мас­са, размер и стоимость котлов.

Радиационными являются поверхности нагрева котла, обращенные к топке и воспринимающие излучение факела форсунки. К ним относятся поверхности труб первого ряда боко­вого экрана и труб первого ряда притопочного пучка. У некоторых котлов устанавливают дополнитель­ные ряды труб также и на торцевых стенках котла. Эти трубы, образующие тоже радиационную поверхность нагрева, называются торцевыми экранами. Их применение определяется условиями работы котла и рациональностью компоновки. Большинство водотрубных котлов оборудуют двухрядными боковыми экранами, и лишь иногда встречаются конструкции с боковыми экранами, выполненными из одного ряда труб.

Трубы, омываемые газами, называются конвективными, при этом первый ряд труб конвективного пучка , обращённый к топке, является, одновременно радиационной поверхностью нагрева.

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

Вопросы по теме:

1. Какие требования предъявляются к вспомогательным котельным установкам теплоходов?

2. Каково назначение вспомогательных котлов на дизельных танкерах?

3. По каким признакам классифицируются морские паровые котлы?

4. Для каких целей применяются паровые котлы на дизельном судне и почему крупнотоннажные дизельные танкеры должны иметь совершенное пароэнергетическое оборудование?

5. Какие процессы протекают в работающем паровом котле?

1 Вода в экономайзере, не доведенная до

2кнкения. в ш. не входит.