2.2.2. Гидродинамика котельного агрегата Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева

Надежная работа поверхностей нагрева котла может быть только при хорошем охлаждении стенки труб, расположенных в зоне высоких температур продуктов сгорания. Охлаждение производится водой или смесью воды с паром. Надежность охлаждения может быть обеспечена только при правильной организации движения охлаждающей жидкости. Непрерывное движение среды, охлаждающей поверхность нагрева – циркуляция.

Движение воды может происходить за счет естественной циркуляции или под действием насоса. С момента появления паровых котлов охлаждение стенок труб поверхностей нагрева осуществлялось путем естественной циркуляции. Рассмотрим модель, демонстрирующую естественную циркуляцию (рис.2.2 или 6-1 учеб). Модель состоит из двух трубок, присоединенных к барабану, заполненному водой. Если подводить тепло Q , то в левой трубке вода начнет подниматься, а в правой опускаться, так как плотность воды в левой трубке будет меньше плотности холодно й воды. По мере увеличения нагрева скорость движения воды будет повышаться. Если подвод теплоты продолжать, в левой трубке начнут появляться паровые пузырьки. Смесь воды с паровыми пузырьками – пароводяная смесь. Пузырьки пара, поднявшись в барабан, будут скапливаться в верхней его части. Левая трубка называется подъемной (вода поднимается), а правая – опускной. Система т руб, по которым происходит циркуляция – циркуляционный контур. Для поддержания уровня воды в барабане по трубе 2 подают холодную воду. В парогенераторе происходит аналогичный процесс. В трубах только часть воды переходит в пар, следовательно, чтобы превратить в пар всю воду, она должна пройти по трубам много раз (многократная циркуляция). Отношение массы воды, поступившей в испарительный контур, к массе пара, выработанного контуром за то же время – кратность циркуляции. Кратность циркуляции колеблется от 8 до 50. Большинство современных котлов имеют естественную циркуляцию и несколько контуров.

Принудительная циркуляция в паровых и водогрейных котлах

К принудительной циркуляции прибегают в тех случаях, когда естественную циркуляцию осуществить нельзя. Это происходит с повышением давления, так как при этом разность плотностей пара и воды уменьшается(выше 18 МПа). В котлах с многократной принудительной циркуляцией движение воды в пароводяной смеси осуществляется циркуляционным насосом (рис. 2.3 или 6-2 учеб). Питательная вода через водяной экономайзер подается в барабан, из которого она забирается циркуляционным насосом 6 и направляется в нижние коллекторы экранов и нижние коллекторы конвективной поверхности нагрева, распределяясь по подъемным трубам. Из труб пароводяная эмульсия поступает в барабан котла, в котором происходит отделение пара от воды. Из барабана пар поступает в пароперегреватель, а из него в паропровод потребителей.

Кратность циркуляции составляет 4-6. Надежность циркуляции напрямую зависит от насоса, работающего при температуре котловой воды и давлении в парогенераторе.

Д ля равномерного распределения воды по отдельным трубам в каждую трубу устанавливается дроссельная шайба соответствующего размера. Парогенераторы с многократной принудительной циркуляцией не нашли применения в промышленных установках.

Принудительная циркуляция может быть осуществлена по прямоточном принципу, который применяется в водогрейных и паровых котлах (рис.2.4 или 6-3 учеб). В такой схеме вода превращается в перегретый пар при однократном проходе через змеевик. В такой схеме параллельно включают ряд труб. В ВЭК вода нагревается до температуры, на 50-60 К меньше температуры насыщения. Затем поступает в радиационную часть, где превращается во влажный пар со степенью сухостью 80%. Далее пар поступает в переходную зону, где превращается во влажный, а затем слабо перегретый пар (на 50-60К). В пароперегревателях происходит перегрев пара. Все современные теплофикационные котлы работают по прямоточному принципу. Они включаются непосредственно в систему теплоснабжения, сетевой насос обеспечивает движение воды.

При работе водогрейных котлов недопустимо закипание жидкости в отдельных обогреваемых трубах (это может привести к гидравлических ударам и вывести котел из строя). Опасно также и поверхностное кипение – образование пузырьков пара на внутренней поверхности труб при средней температуре ниже температуры кипения, приводящее к отложению накипи и гидравлическим ударам. Это возможно при увеличении температуры стенки больше температуры насыщения. Для предупреждения этого необходимо поддержание определенной скорости воды (1-2 м/с) при ее недогреве до температуры кипения на 30-35 К. Однако, неоправданное увеличение скорости воды в трубах повышает гидравлическое сопротивление, что ухудшает работу всей системы (перерасход Эл.энергии, недостаточный напор насосов). Т.е. важно выбрать минимально допустимые скорости воды, при которых не будет поверхностного кипения и нарушения работы котла.