9. Економайзери та повітропідігрівники

9.1. Економайзери

Економайзери за призначенням умовно поділяються на два типи: некиплячі і киплячі. У економайзері сприймається 10—20 % теплоти палива.

Некиплячі економайзери призначені для підігріву живильної води тільки до температури насичення і встановлюються індивідуально на котел або групу котлів низького тиску (до р=2,4 МПа) і малої потужності і можуть відключатися від котлів по газовому і водяному тракту. Їх виконують у вигляді пакету гладких сталевих або чавунних труб з оребренням із газової сторони. Довжина оребреної чавунної труби економайзера конструкції ВТІ складає 1,5; 2 або 3 м, діаметр труб 76×8 мм, зовнішні ребра квадратні, розміром 150×150 мм. Кількість труб в пакеті в горизонтальній площині визначається, виходячи з швидкості продуктів згорання в межах 6 – 9 м/с; кількість горизонтальних рядів труб економайзера визначається необхідною поверхнею нагріву. Значення коефіцієнта теплопередачі, віднесеного до повної зовнішньої поверхні економайзера, наведені в [1]. При швидкості продуктів згорання 8 м/с k ≈20 Вт/(м²·К).

Киплячі економайзери в сучасних котлах будь-якого тиску встановлюють індивідуально до кожного з них. Економайзери не відключаються по водяному і газовому трактах від решти елементів котла.

З метою інтенсифікації теплообміну економайзер виконують з трубок малого діаметру d_з= 28÷38 мм при товщині стінки 2,5 – 3,5 мм. Кінці змійовиків економайзера об'єднують колекторами, винесеними з зони газового обігріву. У потужних котлах з метою зменшення кількості трубок, що проходять через обмурівку економайзера, змійовики об'єднують в сполучних патрубках, які пропускаються через обмурівку до колекторів. Іноді колектори, що з'єднують змійовики, розміщують в газоході, де розташований економайзер, і одночасно вони виконують роль його опори.

Трубки економайзера звичайно розташовують в шаховому порядку, що забезпечує велику ефективність теплообміну приблизно на 25 % у порівнянні з теплообміном при коридорному розташуванні труб і відповідного зменшення габаритів економайзера. Сталевий гладкотрубний економайзер з паралельним включенням ряду змієвиків зображений на рис. 9.1. В цілях зменшення габаритів економайзера в котлах великої потужності збільшують кількість рядів паралельно включених змійовиків, передбачаючи два вхідних і два вихідних колектори, які розташовують на протилежних стінках конвективної шахти. Зустрічні змійовики зміщені по глибині газоходу з таким розрахунком, щоб було витримане оптимальне значення відношення S₂/d_н, рівне 1,25.

У іншій конструкції малий поздовжній крок труб досягається ліровидним вигином труб. Кріплення колекторів економайзера здійснюється шляхом їх установки на опорних або підвісних конструкціях. До колекторів змійовики приєднують вальцюванням або зваркою через проміжні штуцера (рис. 9.2). Вихідний колектор економайзера приєднують до барабана котла декількома водоперепускними трубами, в яких забезпечується висхідний потік з метою вільного виходу з водою газів і пари, що утворилася в економайзері, в барабан. Для зручності очищення поверхонь нагріву від зовнішніх забруднень і його ремонту економайзер розділяють на пакети заввишки до 1 м. Розриви між пакетами повинні бути 550 – 600 мм, а між пакетами економайзера і повітропідігрівником – не менше 800 мм.

Рис. 9.1. Економайзер з паралельним включенням змійовиків:

1 – вхідна камера; 2 – вихідна камера; 3 – змійовики економайзера

Рис. 9.2. Приєднання змійовиків до колекторів економайзера

а) – з використанням розвилок; б) – з розділенням на два пучки; в) – з двома паралельними колекторами; г) і д) – з використанням секційних камер

Змійовики економайзера розташовують перпендикулярно і паралельно фронту котла (рис.9.3). У першому випадку довжина змійовика невелика, що полегшує їх кріплення. У другому випадку різко зменшується кількість паралельно включених змійовиків, але ускладнюється їх кріплення. У котлах невеликої потужності застосовують одностороннє розташування колекторів. У котлах з розвиненим фронтом економайзери виконують двосторонніми, симетричними, з розташуванням колекторів з двох бічних сторін конвективної шахти.

Швидкість води в економайзері приймають, виходячи з умов запобігання в них розшарування пароводяної суміші і кисневої корозії. При малій швидкості води кисень, що залишається в ній, затримується в місцях шорсткості верхньої утворюючої трубок і викликає виразкову корозію, яка розповсюджується на велику товщину стінки трубки аж до утворення свищів. Розшарування пароводяної суміші при малій швидкості потоку викликає погіршення умов їх охолодження і перегрів металу трубок.

Рис. 9.3. Компоновка економайзера

а) – розташування змійовиків перпендикулярно фронту; б) – розташування змійовиків паралельно фронту; в) і г) – двосторонньо-паралельне фронту розташування змійовиків; д) – захист труб від зносу; 1 – барабан; 2 – водоперепускні труби; 3 – економайзер; 4 – вхідні колектори; 5 – перекидні труби

Масова швидкість води в економайзері при висхідному його потоці повинна бути вибрана з урахуванням характеристики робочого середовища і умов теплообміну. Сполучні трубки між ступенями економайзера використовують для перемішування і перепуску води перед надходженням її в киплячу ступень. Паровміст на виході води з киплячої ступені економайзера не повинен бути більший 15 – 20 %. Швидкість газів приймають до 12 м/с при роботі котла на твердому паливі і до 16—20 м/с – при роботі на газі і мазуті.

При розрахунку економайзера його необхідне теплосприймання на одиницю маси палива визначається за формулою, кДж/кг

, (9.1)

де — розрахункова теплота згорання палива, кДж/кг; — кількість теплоти, що сприймається випромінюванням в топці, конвективними випарними поверхнями нагріву, перехідною зоною (у прямоточних котлів), первинним і вторинним пароперегрівниками, кДж/кг;

— ККД котла;

— втрати з механічним недопалом палива, %.

Теплота, яка отримана економайзером, кДж/кг, і визначена за формулою (9.1) при заданих значеннях ентальпій продуктів згорання, підігрітого повітря і відхідних газів, виходячи з теплового балансу продуктів згорання може бути обчислена з виразу

, (9.2)

де - відповідно теплота продуктів згорання за пароперегрівником, підігрітого повітря і відхідних газів, кДж/кг.