2.2 Циркуляция воды в котле
Циркуляция воды обеспечивает прочность металлических поверхностей нагрева и тем самым надежность работы котла путем интенсивного охлаждения стенок обогреваемых труб нагреваемой средой. При прекращении или ухудшении циркуляции воды ухудшается теплообмен и может произойти перегрев метала до значений, превышающих допустимые значения, и как следствие может произойти авария котла.
Циркуляция воды может быть принудительной и естественной. Котлы с принудительной циркуляцией достаточно широко применяются как утилизационные. В них движение воды и пара в циркуляционном контуре происходит благодаря напору, создаваемым циркуляционным насосом. Большинство же судовых водотрубных котлов имеет естественную циркуляцию, возникающую вследствие разницы плотностей воды и пароводяной смеси в опускных и подъемных трубах.
Благодаря интенсивной теплопередаче к воде температура стенок труб лишь не намного превышает температуру обогреваемой воды. Теплопередача от стенки трубы к пару значительно меньше к воде, поэтому в случае нарушения циркуляции или при упуске воды, если в трубах окажется пар, то температура стенки труб резко возрастет, что может привести к потере прочности метала труб, а значит, и к аварии котла. На прочность метала труб оказывает также влияние состояние поверхностей нагрева. Теплопередача сильно ухудшается, если стенки труб с одной стороны покрыты сажей, а с другой стороны – накипью и особенномаслом.
Процесс организованный естественной циркуляцией в водотрубных котлах характеризуется рядом понятий и определений, основными из которых являются контур циркуляции, движущий и полезный напор, кратность циркуляции, скорость циркуляции, застой и прокидование циркуляции, кавитация.
Контур циркуляции представляет собой систему непрерывного движения воды и пароводяной смеси по 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 подъемные трубы нескольких контуров.
В котле с двумя независимыми контурами циркуляции (рис. 18. а) в первом экранном контуре вода из парового коллектора 1 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. Подъмными трубами этого контура являются трубы 6, первого ряда бокового экрана. Во втором контуре трубы 2 получают от топки больше тепла, чем трубы 3, которые расположены несколько дальше от топки, чем трубы 2. Трубы 2 являются подхъемными, а трубы 3 – опускными. В отличие от опускных труб 7, опускные трубы 2 называют обогреваемыми. У большинства котлов все подъемные трубы располагаются в топке, а опускные трубы – вне топки.
Движущий напор – разность между массами столбов воды в опускных трубах контура и пароводяной смеси подъемной трубах. Высота подъемной трубы состоит из экономайзерного участка hэ в котором, вода поступающая из водяного коллектора доводится до кипения, и участка hп, называемого высотой паросодержащей части. На участке hп происходит парообразование и восходящие движение пароводяной смеси. В опускных трубах движется только вода. Движущий напор зависит от разности плотностей воды и пароводяной смеси, находящихся практически при одинаковой температуре. Наглядное представление об этом процессе дает схема, изображенная на рисунке 1.8 б.
Полезный напор – избыточная часть движущего напора, остающаяся после компенсации сопротивления в подъемных трубах и расходуемая на преодаление сопротивления в опускных трубах. Таким образом, благодаря движущему и полезному напорам происходит циркуляция воды в контуре.
Кратность циркуляции – отношение количества воды, проходящей через контур, к паропроизводительности этого же контура за одинаковый промежуток времени (обычно принимают 1 час). Кратность циркуляции у судовых водотрубных котлов обычно составляет 20-60. Из приведенных значений кратности циркуляции следует, что количество воды, проходящей через опускные и подъемные трубы, значительно превышает паропроизводительность котла. Физический смысл – сколько раз должна пройти вода по контуру, чтобы полностью превратиться в пар.
Скорость циркуляции – скорость воды на входе в подъемные трубы, выраженная в м/с. У котлов скорость циркуляции не одинакова и имеет большее значение у тех элементов, которые ближе расположены к источнику тепла, и обычно составляет 0,3 – 1,5 м/с.
Застой циркуляции – явление, при котором в подъемных трубах существенно замедляется или прекращается движение пароводяной смеси верх. Застой циркуляции может возникнуть в случае неодинакового подвода теплоты к парообразующим трубам в одном и том же ряду, например, из-за неравномерного обогрева, загрязнения поверхностей или других причин.
Замедление или прекращение движения воды возникает у менее нагретых труб, в результате чего в них образуется свободный уровень воды. По участук воды, расположенному выше свободного уровня, будет медленно двигаться не пароводяная смесь, а пар. Условия нормального отвода теплоты от стенки трубы , будет нарушено, и на данном участке трубы возникнет аварийное состояние, связанное с перегревом метала.
Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъемных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше тепла, происходит выделение пара и его подъем, с одновременным снижением уровня воды в трубах. Опрокидывание циркуляции вызывают те же причины, что и застой циркуляции.
С целью обеспечения надежной работы котла, необходимо содержать в чистоте поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать номинальный уровень воды в паровом коллекторе.
Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит парообразование, за счет снижения давления на входе в трубу по сравнению с давлением в паровом коллекторе. При кавитации нарушается нормальное поступление воды в опускные трубы, а следовательно - и в подъемные. Образующиеся паровые пузырьки вызывают в трубах гидравлические удары при конденсации этих пузырьков, что ведет к образованию трещин в трубах. Для прекращения кавитации необходимо 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 воды не имеют, поэтому не могут работать с большими тепловыми, особенно переменными нагрузками. Для их пуска требуется гораздо больше времени
Как уже отмечалось, поверхности нагрева в котле получают не одинаковое количество теплоты. При теплопередаче используются два основных используются два основных способа передачи тепла: радиационный (лучистый) и конвективный. В зависимости от этого поверхности котла подразделяются на радиационные (теплота передается с помощью радиационных лучей) и конвективные (теплота передается с вместе с частицами теплоносителя).
Радиационный теплообмен намного более интенсивен и при нем обеспечивается съем пара с единицы поверхности нагрева в несколько раз больший, чем при конвективном теплообмене.
При создании современных котлов, стараются увеличить именно радиационные поверхности нагрева, что ведет к уменьшению массы, размера и стоимости котла.