11.5. Інтенсифікація радіаційного і конвекційного теплообміну

Аналіз основного рівняння радіаційного теплообміну показує, що збільшення питомого теплового навантаження радіаційної поверхні може бути досягнуте в основному підвищенням адіабатної температури горіння. У меншій мірі на ефективність радіаційного теплообміну впливає температура продуктів згорання на виході з топки і коефіцієнт теплової ефективності поверхонь нагріву екранів і ширм. Підвищення адіабатної температури горіння даного палива можливе шляхом зниження коефіцієнта надлишку повітря, зменшення втрат від хімічного недопалу і підвищення температури повітря, що використовується для спалювання палива.

Підвищення температури повітря можливе в межах, обмежених техніко-економічними умовами розподілу теплосприйняття в елементах котла, надійністю роботи повітрепідігрівника і механічних топок при шаровому спалюванні палива. Виходячи з цих положень, рекомендовані температури підігріву повітря приведені [1]. Температура продуктів згорання на виході з топки значною мірою визначає загальні техніко-економічні характеристики котла, зокрема надійність і безперебійність його роботи. При спалюванні твердого палива підвищення температури продуктів згорання на виході з топки лімітується умовами шлакування поверхонь нагріву екранів і розташованих за топкою поверхонь нагріву. При спалюванні мазуту і газу температура продуктів згорання на виході з топки визначається раціональним розподілом теплосприйняття радіаційних і конвекційних поверхонь нагріву.

Інтенсифікація конвекційного теплообміну, можлива шляхом підвищення швидкості теплоносія, в першу чергу продуктів згорання, а також зменшенням діаметру труб d або діаметру еквівалентного каналу d_к. Але при підвищенні швидкості газів має місце збільшення аеродинамічного опору поверхні нагріву, пропорційне квадрату швидкості газів, і відповідно підвищення витрати електроенергії на тягу. У зв'язку з цим виникають економічно доцільні межі підвищення швидкості газів, що лімітуються також (при спалюванні твердого палива) умовами зносу поверхонь нагріву.

Ширше використовується другий шлях підвищення ефективності конвекційної теплопередачі — зменшення діаметру труб і еквівалентних каналів. При зменшенні діаметру труб аеродинамічний опір трубних поверхонь, при незмінній швидкості газів, навіть дещо зменшується.

Питання для самоперевірки

1. Теплообмін в топці котла і його особливості. Тепловий баланс топки.

2. Теоретична температура горіння палива і критерії теплообміну.

5. Пояснити методику розрахунку конвективної поверхонь нагріву котла.

6. Пояснити методику визначення коефіцієнта теплопередачі в конвективнихх поверхнях нагріву котла, вплив забруднень.

7. Пояснити способи інтенсифікації теплообміну в радіаційних і конвективних поверхнях нагріву котла.

12. Водний режим і якість пари котлів

12.1. Утворення накипу і вимоги до живильної води

Р азом з живильною водою в котли поступають різні мінеральні домішки, в тому числі з'єднання кальцію і магнію, оксиди заліза, алюмінію, міді та ін. Всі домішки, що знаходяться у воді, діляться на важко- і легкорозчинні. До важкорозчинних домішок належать солі і гідрооксиди Са і Mg, а також оксиди конструкційних матеріалів. Розчинність кальцієвих і магнієвих з'єднань показана на рис. 12.1. У живильній воді і з урахуванням її складу в котельній воді можуть бути присутніми катіони Са²⁺, Mg²⁺ і аніони , , і т. д. Основні накипоутворювачі мають негативний температурний коефіцієнт розчинення (тобто при підвищенні температури їх розчинність зменшується) і при високих температурах їх розчинність на п'ять порядків менше розчинності легкорозчинних речовин.

Характеристика легкорозчинних з'єднань у воді показана на рис. 12.2. Температурні коефіцієнти розчинності деяких з них при температурах води більш 200°С негативні. За нормальних умов роботи котла концентрація NаOH, Na₂SО₄, Na₃PО₄ у багато разів нижче за допустиму концентрацію їх в котельній воді.

Накопичуючись в котлі у міру випаровування води, ці домішки після настання стану насичення починають з неї випадати. Перш за все стан насичення наступає для солей Са(НСО₃)₂, Mg(HCО₃)₂, CaCО₂, MgCО₂ і ін., і вони починають випадати з води у вигляді кристалів. Центрами кристалізації служать шорсткості на поверхнях нагріву, а також зважені і колоїдні частинки, що знаходяться у котловій воді. Речовини, які кристалізуються на поверхні нагріву, утворюють щільні і міцні відкладення — накип. Речовини, які кристалізуються в об'ємі води, утворюють зважені в ній частинки — шлам. Утворення накипу на поверхнях нагріву пояснюється процесами взаємодії між протилежно зарядженими частинками накипоутворювачів і металічною стінкою. Виділення твердої фази на поверхні може відбуватися також в процесі пароутворювання, до того як буде досягнутий стан перенасичення накипоутворювачів в об'ємі води, внаслідок випаровування з водяної оболонки бульбашок пари, що утворюються на поверхні нагріву. Первинний накип, що утворився, є основою для відкладення вторинних видів накипу — прикипілого шламу, відкладень продуктів корозії металу.

Найбільш поширені кальцієві і магнієві первинні накипи, у складі яких переважають CaSО₄, CaSiO₃, 5CaO, 5SiО₂H₂О, CaCО₂, Mg(OH)₂. Накип, як правило, має низьку теплопровідність, що становить 0,1—0,2 Вт/(м·К). Тому навіть малий шар накипу призводить до різкого погіршення умов охолодження металу поверхонь нагріву і внаслідок цього до підвищення його температури. При цьому на поверхнях нагріву, розташованих у зоні високих температур (екрани, фестони, перші ряди труб конвекційного пучка), температура металу може перевищити граничну за умовами міцності, після чого починається утворення віддулин із стоншуванням стінки труби. Потім з’являється свищ — отвір вздовж труби, через який з великою швидкістю витікає струмінь води, і котел доводиться зупиняти. Накип недопустимий і на поверхнях нагріву, розташованих в зоні нижчих температур, оскільки призводить до зниження ККД котла в результаті зменшення коефіцієнта теплопередачі і пов'язаного з цим підвищення температури відхідних газів.

На відміну від з'єднань Са і Mg, що утворюють накип, силікат магнію MgSiО₃ і деякі інші його з'єднання в барабанних котлах утворюють шлам.

Концентрація солей натрію у воді випарної поверхні нагріву завжди нижче за їх межу насичення. Однак і ці солі можуть відкладатися на поверхнях нагріву в тих випадках, коли краплі води, що знаходяться в парі і попадаючи на поверхню нагріву, випаровуються повністю, що має місце в прямоточних котлах.

З'єднання заліза, алюмінію і міді, що знаходяться у воді у вигляді розчинених колоїдних і ультратонких суспензій, також можуть відкладатися на поверхні нагріву і входити до складу накипу. Потрапляючи в турбіну, вони утворюють щільні відкладення. Залізо- і алюмосилікатні частинки накипу утворюються при попаданні частинок суспензії цих з'єднань на поверхні нагріву з відносно високою температурою, де, вступаючи в реакцію з іншими сполуками, вони утворюють складні нерозчинні у воді з'єднання. Накипи з оксидів заліза і міді утворюються в зонах високих місцевих теплових навантажень поверхонь нагріву q>150·10³ Вт/м^2, найчастіше в трубах екранів.

На режим роботи котла шкідливий вплив робить так само підвищена лужність води; збільшена лужність може привести до спінювання води в барабані і в кінцевому випадку — до заповнення вспіненою водою всього парового об'єму барабана. Спінюванню води сприяє вміст в ній органічних сполук і аміаку. У цих умовах пристрої сепарації не забезпечують відділення крапель води від пари, і вода з барабана, що містить різні домішки, може поступати в пароперегрівник і потім в турбіну, створюючи небезпеку їх забруднення і порушеннями нормальних умов роботи. Підвищена лужність може бути причиною появи лужної корозії металу, а також виникнення тріщин в місцях вальцювання труб в колекторах і барабані.

Розчинені в живильній воді агресивні гази О₂ і СО₂ викликають різні форми корозії металу елементів водопарового тракту, унаслідок чого зменшується їх механічна міцність.

Знижена кислотність води прискорює корозію і тому повинна підтримуватися в живильній воді на певному рівні. У котлах низького тиску необхідне значення рН підтримується введенням в живильну воду соди, а в барабанних котлах високого тиску — фосфатів або аміаку.

У зв'язку з вказаними шкідливими впливами на роботу котла різних домішок у воді їх гранично допустимий вміст в живильній воді нормується.

На основі теплохімічних випробувань котлів і тривалого досвіду їх експлуатації встановлені норми якості живильної води котлів, що наведені в табл. 12.1.

Таблиця 12.1.

Граничні норми якості живильної води барабанних котлів

Показник	Тиск, МПа
	до 4	4-10	вище 10
Загальна твердість, мкг-екв/кг	5	3	1
Вміст кремнію в перерахунку на SiО2, мкг/кг	-	80	40
Вміст O2, мкг/кг	20	20	10
Вміст з’єднань заліза, мкг/кг	200	100	30
Вміст з’єднань міді, мкг/кг	20	20	5
рН при 25 ˚С	9,1±0,1
Вільна СO2	Відсутня

У нормах для котлів з природною циркуляцією допустимий вміст різних домішок у воді подається залежно від тиску. Наприклад, при тиску менше 4 МПа загальна жорсткість води повинна бути менша 5 мкг-екв/кг, а кисню - менше 20 мкг/кг. Вміст кремнієвої кислоти - не нормується. При тиску 10 МПа загальна жорсткість води повинна бути менше 3 мкг-екв/кг, кисню - менше 20 мкг/кг і кремнієвої кислоти менше 80 мкг/кг. Якість живильної води для прямоточних котлів повинна задовольняти більш жорсткіші вимоги. Наприклад, загальна жорсткість - менше 0,2—0,3 мкг-екв/кг, вміст кремнієвої кислоти - менше 30 мкг/кг; жорстко обмежується вміст кисню в живильній воді прямоточних котлів , з'єднань натрію, заліза, міді і т.п.