4.2. Система производства пара

В соответствии с циклом Ренкина и с законами фазовых переходов получение перегретого пара докритического состояния осуществляется при постоянном давлении в результате последовательных процессов:

• подогрева питательной воды до температуры насыщения;

• парообразования;

• перегрева пара до заданной температуры.

Эти процессы имеют свои четко выраженные границы и реализуются в трех группах теплообменников, называемых поверхностями нагрева. Подогрев воды до температуры насыщения происходит в водяном экономайзере; производство пара – в испарительных (парообразующих) поверхностях нагрева; перегрев пара  в пароперегревателях. Все эти теплообменники выполнены из труб и имеют свои конструктивные особенности.

Для непрерывного отвода тепла от продуктов сгорания и обеспечения нормального температурного режима металла поверхностей нагрева рабочее тело в них движется непрерывно. При этом вода в водяном экономайзере и пар в пароперегревателе движутся однократно относительно поверхностей нагрева. В испарительных трубах движение воды и пара в котлах различных типов осуществляется по разному. Различают котлы с:

• естественной циркуляцией (рис.4.3, а);

• принудительной циркуляцией (рис.4.3, б);

• прямоточные котлы (рис.4.3, в).

Рис. 4.3. Конструктивные схемы движения пароводяной среды в котле.

1 – питательный насос; 2 - водяной экономайзер; 3 – барабан; 4 – опускная труба; 5 – коллектор; 6 – испарительные трубы; 7 – пароперегреватель; 8 – циркуляционный насос.

1. Котлы с естественной циркуляцией (рис.4.3,а). Замкнутый контур естественной циркуляции, называемый циркуляционным контуром, состоит из двух систем труб: обогреваемой (6) и необогреваемой (4) объединенных вверху барабаном (3) и внизу коллектором (5). Поверхность разделяющая паровой и водяной объемы барабана называется зеркалом испарения. Водяной объем барабана и необогреваемых труб заполнен котловой водой.

Вода в обогреваемых трубах закипает и в объеме образуется пароводяная смесь, плотность которой ρ_см. Необогреваемые трубы заполнены водой с плотностью насыщения ρ'. Отсюда нижний коллектор испытывает давление столба воды с одной стороны ρ'gН и давление пароводяной смеси с другой стороны - ρ_см gН. Создающаяся в результате парообразования разность давлений (ρ' - ρ_см) gН и вызывает движение теплоносителя в циркуляционном контуре. Напор естественной циркуляции определяется по уравнению:

S_дв = (ρ' - ρ_см) gН ,

где Н – высота контура, м.

Пароводяная смесь движется вверх по подъемным (обогреваемым) трубам, а по опускным (необогреваемым) – опускается вниз. Чем больше высота контура в котлах с естественной циркуляцией, тем больше развиваемый в нем напор, который, однако, не превышает 0,1 МПа. В контуре с естественной циркуляцией движение многократное: в процессе прохождения контура вода испаряется не полностью, а лишь частично. Неиспарившаяся часть воды вновь проходит контур. Паросодержание на выходе из подъемных труб составляет 3 ÷ 20%. Поэтому вода проходит циркуляционный контур 35 ÷ 5 раз. Отношение массового расхода циркулирующей воды G_в, к количеству образующегося пара G_п называется кратностью циркуляции: К= G_в / G_п = 5 ÷ 35.

2. Барабанные паровые котлы с принудительной многократной циркуляцией (рис.4.3, б) становятся независимыми от высоты контура. Циркуляционный насос 8 встроенный в контур естественной циркуляции позволяет располагать парообразующие трубы, как с вертикальным подъемным движением, так и с опускным и горизонтальным движением пара. В таких котлах кратность циркуляции как правило ниже; она составляет К = 3 ÷ 10.

Отличительной особенностью котлов с естественной и принудительной многократной циркуляцией является барабан, поэтому котлы называют барабанными. Такие котлы выполняются докритическими.

3. Прямоточные котлы (рис.4.3, в) не имеют барабана, и через испарительные трубы теплоноситель проходит однократно (К = 1). Такие котлы выполняются как на докритическом, так и сверхкритическом давлениях.

При сверхкритическом давлении парообразование в котлах происходит практически мгновенно, поэтому участок поверхности нагрева, в котором завершается парообразование и начинается перегрев пара, называют переходной зоной. Для облегчения работы металла труб поверхностей нагрева современных котлов, переходная зона выносится в область умеренных температур – за пароперегреватели, где t = 650 ÷ 750 ⁰C.