книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

Здесь а"—коэффициент избытка воздуха в конце топки; /2"—энтальпия теоретического количества воздуха на входе

в топку, кдж/кг или кдж/м3.

Уравнением теплопередачи является уравнение Стефана—Больцмана. Однако это уравнение в его классической форме отображает случай,

когда температуры излучающего и лучевоспринимающего тел одинако­ вы по всей их поверхности, сами эти тела абсолютно черны, а среда,

разъединяющая их, вполне прозрачна для тепловых лучей. В топке эти условия не соблюдаются по следующим причинам:

а) температура в различных местах топки различна; б) тела, излучающие и поглощающие лучистую энергию, а именно

горящие летучие вещества и частицы кокса, газообразные продукты сгорания топлива, экраны и обмуровка являются телами не абсолютно

черными, а серыми; в) среда, образующая факел, является теплопоглощающей.

В результате этого для того, чтобы иметь возможность применить формулу Стефана—Больцмана для расчета излучения в трпке, в нее

им. Г. М. Кржижановского А. Н. СССР (ЭНИН) предложили для опре­ деления количества тепла, переданного в топке излучением, формулу

в специальных справочниках.

На практике для расчета излучения в топках пользуются также формулой проф. А. М. Гурвича.

ТЕПЛООТДАЧА В КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА

В конвективных поверхностях нагрева тепло от дымовых газов пе­ редается в основном конвекцией и только в незначительной части (5— 20%) излучением трехатомных газов, входящих в состав дымовых

газов.

Количество тепла, которое передается от дымовых газов к каждой данной поверхности нагрева, также определяется двумя уравнениями,

а именно:

307

Н—величина поверхности нагрева, ж2; —температурный напор, определяемый по формуле (15-23)

или (15-25), град.

Величина <2 в левой части уравнения (27-3) в раскрытой форме для различных поверхностей нагрева имеет различный вид:

Для кипятильных, пучков левая часть уравнения (27-3) в раскрытой форме выражена быть не может, так как нельзя точно установить ко­ личества тепла, переданные в отдельных газоходах собственно котла. В. связи с этим задача расчета теплоотдачи в кипятильных поверхнос­ тях нагрева решается способом последовательных приближений, рас­

сматриваемым в специальных курсах.

Разделив обе части формулы (27-4) на величину Я, можно выра­

308

зить количество тепла, передаваемое в течение 1сек через 1м? поверх­ ности нагрева, в виде

является важным показателем эффективности работы поверхности на­ грева и носит название теплового, напряжения поверхности нагрева.

При передаче тепла в конвективных поверхностях нагрева котель­ ного агрегата в нем в зависимости от рода поверхности нагрева изменя­ ются разности температур и коэффициенты теплопередачи.

После топки наибольшее значение разности температуры дымовых газов и тепловоспринимающей среды приходится на первые ряды кипя­ тильных труб котлов с развитыми конвективными поверхностями нагре­ ва и на фестон экранных котлов. Поэтому эти поверхности нагрева ист пользуются очень эффективно при большом тепловом напряжении, в со­ ответствии с чем для передачи заданного количества тепла в них требу­ ются относительно небольшая поверхность нагрева и, следовательно, относительно небольшая затрата металла.

По мере продвижения дымовых газов по газовому тракту темпера­ тура их снижается и разность между их температурой и температурой среды, воспринимающей тепло (вода, пар, воздух), уменьшается. Сле­

довательно, чем дальше оттопки по ходу газов расположен тот или иной элемент котельного агрегата, тем менее эффективно используется его

поверхность нагрева и, следовательно, тем она должна быть больше, чтобы воспринять заданное количество тепла и тем больше должен быть расход металла для изготовления этого элемента.

Характер процесса теплопередачи в котельном агрегате в основном определяет и порядок последовательного расположения тепловосприни­ мающих элементов котельного агрегата. Пароперегреватель, в котором температура пара сравнительно намного выше температуры воды в кот­ ле, размещают сразу же за топкой, отделяя его от нее только небольшим фестоном, а в некоторых случаях даже частично вынося непосредствен­ но в топку (радиационный пароперегреватель). Водяной экономайзер располагают за котлом, .так как средняя температура воды в нем обыч­ но на 50—100 град ниже температуры воды в котле. Воздухоподогрева­ тель размещают в самом конце газового тракта, так как средняя темпе­ ратура воздуха в воздухоподогревателе ниже средней температуры во­

ды в водяном экономайзере.

НАРУЖНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА

При сжигании твердого топлива обычно сталкиваются с загрязне­ нием труб сыпучими отложениями летучей золы, выпадающей из газо­ вого потока, омывающего трубные системы агрегата. Нарастание отло­ жений вначале происходит очень интенсивно, но затем замедляется и стабилизируется. Кроме того, при сжигании твердого топлива сталки­ ваются с зашлакованием экранных и фестонных труб, а также первых рядов труб пароперегревателя, т. е. с загрязнением их налипшим на них жидким шлаком. Такое зашлаковывание, как правило, развивается неограниченно и, если не принять необходимых мер, может привести к глубокому расстройству работы котельного' агрегата и выходу его из

309

Глава 28 ВОДОПАРОВОЙ ТРАКТ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

Водопаровой тракт котельного агрегата представляет собой путь, по которому в агрегате движутся вода, паро-водяная эмульсия и пар. Как уже отмечалось, водопаровой тракт в общем случае складывается из трех последовательно расположенных элементов агрегата: водяного экономайзера, собственно парового котла и пароперегревателя.

Процессы, происходящие в водопаровом тракте, очень сложны и правильное их протекание существенно важно для обеспечения надеж­ ной безаварийной работы котельного агрегата. Основными из этих про­ цессов являются циркуляция воды и сепарация воды из влажного пара.

производительность котельного агрегата, надежность и бесперебойность его работы. Необходимая паропроизводи-

телыюсть достигается потому, что правильно организованное движение воды, паро-водя­ ной смеси и пара обеспечивает эффективное использование всей трубной системы котла и правильное перемещение в них нагреваемой и испаряемой воды и перегреваемого пара. Надежность и бесперебойность работы ко­ тельного агрегата достигаются в связи с тем, что правильно организованное движение воды, паро-водяной смеси и пара обеспечивает не­ обходимое охлаждение ими металла труб, ко­ торый работает при повышенных температу­ рах и больших напряжениях, вызываемых давлением в котле. Надежная работа поверх­ ностей нагрева в этих условиях возможна лишь при сохранении температуры металла тепловоспринимающих элементов на уровне, отвечающем надежной прочности данного ме­ талла.

Под циркуляцией понимают явление мно­ гократного обращения испаряемой воды в эк­

ранных и кипятильных трубах барабанных котлов. Отношение количества воды, вошед­ шей в испарительную систему котла, к коли­

честву пара, который вырабатывается, за то же время этой системой, называют кратностью циркуляции. Для котлов

сестественной циркуляцией кратность циркуляции обычно изменяется

впределах от 8 до 50. В котлах с многократно принудительной цирку­ ляцией кратность циркуляции бывает равна 5—10. В прямоточных кот­ лах кратность циркуляции, очевидно, составляет 1,0.

Естественная циркуляция происходит под действием гравитацион­ ных сил, обусловливаемых разностью плотностей воды и паро-водяной смеси, находящихся в гравитационном поле. Для того чтобы возникла естественная циркуляция воды, должен существовать замкнутый цир­ куляционный контур (рис. 28-1), состоящий из двух систем вертикаль­ ных или наклонных труб, соединенных между собой последовательно,

311

и заполненных водой или другой жидкостью. Если этот контур попадает в такие условия, что одна система труб обогревается больше, чем дру­ гая, или обогревается лишь одна система труб, то жидкость, заполняю­ щая контур, приходит в движение, причем жидкость или паро-водяная эмульсия, находящаяся в более обогреваемых трубах, начинает под­ ниматься, а жидкость, находящаяся в менее обогреваемых или совсем необогреваемых трубах—опускаться. Причиной этого движения явля­ ется уменьшение плотности, а следовательно, и удельного веса воды или паро-водяной эмульсии в более обогреваемых трубах в результате по­ вышения температуры воды и парообразования, что приводит к неоди­ наковому весу двух рассматриваемых столбов жидкости. Повышение скорости циркуляции будет тем больше, чем больше обогрев трубы, так как с усилением этого обогрева станет усиливаться интенсивность паро­ образования в трубе, в результате чего в большей степени будет падать плотность паро-водяной смеси.

СЕПАРАЦИЯ ВЛАГИ ИЗ ПАРА

Водой верхний барабан котла заполняют до уровня, находящегося примерно на 100 мм выше средней линии барабана. Горизонтальную плоскость, образуемую поверхностью воды, называют зеркалом испаре­ ния; пространство барабана, находящееся выше этой плоскости, — па­ ровым пространством барабана, а находящееся ниже этой плоскости— водяным его пространством.

С насыщенным паром, покидающим барабан котла, уносится неко­ торое количество влаги в виде мелких капелек котловой воды. В них присутствует в растворенном состоянии соответствующее количество примесей, содержащихся в котловой воде, и, таким образом, пар, поки­ дающий барабан котла, уносит с собой некоторое количество минераль­ ных солей. Эти соли после испарения капелек воды в пароперегревателе отлагаются на внутренней поверхности змеевиков, вследствие чего в них ухудшается теплообмен и возникает нежелательное повышение температуры трубок пароперегревателя. Соли могут также, отложив­ шись в арматуре паропроводов, привести к нарушению ее плотности, а попав в проточную часть паровой турбины, вызвать снижение эконо­ мичности ее работы.

Размеры капелек воды, содержащихся в паре, колеблются в широ­ ких пределах. Различают грубодйсперсную (сепарируемую) влагу, ко­ торую можно сравнительно легко отделить от пара механическими средствами, и мелкодисперсную (несепарируемую) влагу, которую ме­ ханическими средствами отделить от пара не удается.

Влажный, пар характеризуют влажностью и солесодержанием. Влажностью пара называют отношение массы содержащейся в .нем влаги к общей массе влажного пара, выраженное в процентах. Солесо­ держанием пара называют отношение И?С„.„/100 мг/кг, где №— влаж­ ность насыщенного пара, °/ Ск.в —солесодержание котловой воды, мг/кг.

Влажность пара, выходящего из барабана котла, повышается с по­ вышением паронапряжения зеркала испарения, т. е. с возрастанием от­ ношения количества пара, произведенного в котле за единицу времени, к площади зеркала испарения (ж2), с повышением паронапряжения па­ рового объема котла, т. е. с повышением отношения количества пара, произведенного котлом в единицу времени, к объему парового прост­ ранства барабана (ж3), и с подъемом уровня воды в барабане.

Осложнения, вызываемые уносоМ котловой воды, требуют сниже­ ния влажности и сблесодержания пара, выходящего из барабана котла.

312

Во избежание увеличения размеров барабана котла и, следователь­ но, его удорожания снижения влажности пара достигают установкой особых сепараторов, специально предназначенных для отделения капель котловой воды от пара. Конструкции сепараторов построены на исполь­ зовании различных механических факторов, как-то: гравитации, инер­

ции, пленочного эффекта и др.

Гравитационная сепарация осуществляется, естественно, в процес­ се движения пара в барабане котла вверх к выходу из него. Для вырав-

а

лерковый сепаратор

нивания распределения скоростей подъема пара по барабану в водяном пространстве его (рис. 28-2,а) устраивают погружной дырчатый лист 1. Пароприемный дырчатый лист 2 ставят для некоторой дополнительной

в барабан котла из экранных или котельных труб, для чего устанавлива­ ют отбойные щитки 3. В результате вода из паро-водяной смеси, как более инертная, выпадает из потока, осаждаясь на находящуюся в ба­

313

рабане воду, а пар, как менее инертный, поднимается к выходу из ба­ рабана. Сепарация может быть улучшена установкой на пути пара жалюзийной решетки 4, в которой пар претерпевает дополнительные изменения направления движения, в результате чего под действием той же силы инерции происходит дополнительное отделение капель воды от пара. На том же инерционном принципе построена и циклонная сепара­ ция (рис. 28-2,г), осуществляемая подачей паро-водяной смеси в цент­ робежные циклоны 5, в которых вода отбрасывается к стенкам циклона

и затем стекает в водяное пространство барабана, а пар выходит вверх через центральную трубу циклона. Циклонная сепарация очень эффек­

тивна. Циклоны можно либо устанавливать в барабане, либо выносить из барабана наружу. Пленочная сепарация основана на том, чтоприуда­ ре влажного пара о развитую твердую увлажненную поверхность мель­ чайшие частицы влаги, содержащейся в паре, пристают к этой поверх­ ности, образуя на ней сплошную водяную пленку. Влага в этой пленке держится достаточно крепко и не отрывается от стенки струей пара, но вместе с тем при вертикальном или наклонном расположении стенки беспрепятственно и беспрерывно стекает вниз. Эффект пленочной сепа­ рации в той или иной степени имеет место во всех сепарационных уст­ ройствах, но специально он используется в швеллерковых сепараторах (рис. 28-2, д). В них развитая твердая поверхность для образования пленки создается системой наклонно расположенных и входящих один в другой швеллерков 6. Так как пар при прохождении через систему швеллерков два раза меняет направление своего движения на противо­ положное, то в этой системе происходит не только пленочная, но и инер­ ционная сепарация.

Применение сепарационных устройств позволяет снизить содержа­

ние влаги в паре до 0,1—0,15%.

Уменьшение солесодержания пара может быть достигнуто также промывкой пара питательной водой. Пар, после предварительной сепа­ рации из него капель котловой воды, направляется в промывочное уст­ ройство, в котором он барботирует через слой питательной воды.

При высоких давлениях на загрязнении пара веществами, содержа­ щимися в котловой воде, начинает сказываться способность пара рас­ творять отдельные примеси. Так, при давлении 7—10 Мн1м2 пар может растворять заметные количества кремнекислоты и хлористого натрия. В этом случае загрязнение пара будет определяться не только величи­ ной механического уноса капель влаги с паром, но и растворцмостью в паре нелетучих соединений, содержащихся в котловой воде.

Глава 29

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА КОТЕЛЬНЫХ

ТЯГО-ДУТЬЕВЫ УСТРОЙСТВА

Для того чтобы в топке котельного агрегата могло происходить го­ рение топлива, в нее необходимо подавать воздух. Для удаления ж'е из топки газообразных продуктов сгорания и обеспечения их прохождения через всю систему поверхностей нагрева котельного агрегата должна

быть создана тяга.

В настоящее время различают четыре схемы подачи воздуха и от­ вода продуктов сгорания в котельных установках, а именно:

314

тизируется и ставится под некоторое, создаваемое дутьевым вентилято­ ром, избыточное давление, которого хватает на преодоление всех сопро­

тивлений воздушного и газового трактов, что снимает необходимость установки дымососа.

Дымовая труба.во всех случаях искусственной тяги или работы под наддувом сохраняется, но при этом основным назначением трубы ста­ новится вывод дымовых газов в более высокие слои атмосферы, с тем чтобы улучшить условия рассеяния их в пространстве.

В связи с непрерывным усложнением профиля современного котель­ ного агрегата и снижением температуры уходящих газов в настоящее время две первые схемы создания тяги и дутья сохранились только в очень небольших котельных установках, паропроизводительностью не выше 1—2т/ч. В котельных же установках большей паропроизводительности повсеместно применяется искусственная тяга с искусственным дутьем. Работа же под наддувом ещетолько начинает распространяться.

Дымовые трубы выполняют кирпичными, железобетонными и же­ лезными. Из кирпича обычно сооружают трубы высотой до 80 м. Более высокие трубы сооружают железобетонными. Железные трубы устанав­ ливают только на вертикально-цилиндрических котлах, а также на мощ­ ных стальных водогрейных котлах башенного типа. Для уменьшения затрат обычно сооружают одну общую дымовую трубу для всей котель­ ной или для группы котельных установок.

Принцип действия дымовой трубы остается одинаковым в установ­ ках, работающих с естественной и искусственной тягой, с той особенно­ стью, что при естественной тяге дымовая труба должна преодолеть сопротивление всей котельной установки, а при искусственной ею созда­ ется дополнительная тяга к основной, создаваемой дымососом.

Действие дымовой трубы основано на принципе самотяги, т. е. на разнице весов столба горячих дымовых газов в трубе и столба более холодного воздуха в окружающей атмосфере, под действием которой возникает движение потока дымовых газов в трубе и появляется соот­ ветствующее разрежение в топке. Тяга, создаваемая дымовой трубой, тем больше, чем выше температура дымовых газов в трубе, чем ниже температура наружного воздуха и чем выше труба.

Минимальная допустимая высота трубы регламентируется на осно­ ве санитарных соображений. Диаметр трубы определяют по скорости истечения дымовых газов из нее при максимальной паропроизводительности всех подключенных к трубе котельных агрегатов. При естествен­ ной тяге эта скорость должна находиться в пределах 6—10 м/сек, не падая ниже 4 М/сек во избежание нарушения тяги ветром (задувания трубы). При искусственной тяге скорость истечения дымовых газов из трубы обычно принимают равной 20—25 м/сек.

К котельным агрегатам устанавливают центробежные дымососы и дутьевые вентиляторы, а для парогенераторов производительностью 950 т/ч и выше устанавливают осевые многоступенчатые дымососы.

Дымососы производительностью до 30мъ/сек, а также все дутьевые вентиляторы, выпускаемые отечественной промышленностью, выполня­

315

ют в виде центробежных машин одностороннего всасывания с консоль­ ным расположением крыльчатки. Дымососы и дутьевые вентиляторы

одного типоразмера имеют одинаковую конструкцию и размеры. Дымо­ сосы большей производительности, до 100л*3/сек, выполняют с двусто­

ронним всасом, что упрощает задачу опирания вала дымососа и дает

некоторые другие преимущества.

Дымососы размещают за котельным агрегатом, причем в котель­ ных установках, предназначенных для сжигания твердого топлива, ды­ мососы устанавливают после золоуловителя, чтобы уменьшить количе­ ство летучей золы, проходящей через дымосос, и тем самым снизить ис­ тирание золой крыльчатки дымососа.

Разрежение, которое должно быть создано дымососом, определяет­ ся суммарным аэродинамическим сопротивлением газового тракта ко­ тельной установки, которое должно быть преодолено при условии, что разрежение дымовых газов вверху топки будет равно 20—30 н/м2, и бу­ дет создано необходимое скоростное давление на выходе дымовых газов из дымовой трубы. В небольших котельных установках разрежение, создаваемое дымососом, обычно составляет 1000—2000 н/м2, а в круп­ ных установках 2500—3000 н/м2.

Дутьевые вентиляторы, устанавливаемые перед воздухоподогрева­ телем, предназначены для подачи в него неподогретого воздуха. Давле­ ние, создаваемое вентилятором, определяется аэродинамическим сопро­ тивлением воздушноготракта, которое должно быть преодолено. Обычно оно складывается из сопротивлений всасывающего воздуховода, возду­ хоподогревателя, воздуховодов между воздухоподогревателем и топ­ кой, а также сопротивления решетки и слоя топлива или горелок. В сумме эти сопротивления составляют 1000—1500 н/м2 для котельных установок малой производительности и возрастают до 2000—2500н/м2 для крупных котельных установок.

ЗОЛОУЛАВЛИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЗОЛЫИ ШЛАКА

Золоулавливание и шлакозолоудаление необходимы только при сжигании твердого топлива, так как в жидком и газообразном топливе золы практически не содержится.

Летучая зола, количество которой при сжигании твердого топлива в слое составляет приблизительно 25% от общего содержания золы в топливе и 80—90% при пылевидном сжигании, улавливается в особых золоуловителях.

По принципу действия различают золоуловители: механические инерционные сухие, в которых для очистки газов используют действие сил инерции на твердые частицы, находящиеся в газах; механические инерционные мокрые, в которых с целью улучшения очистки газов, кро­ ме сил инерции, используют улавливающее действие водяной пленки; электростатические, в которых для улавливания твердых частиц исполь­ зуют действие электростатического поля.

Механические инерционные сухие золоуловители представляют со­ бой различного типа циклоны, действующие по тому же принципу, что

и ранее описанные циклонные сепараторы.

Такого типа золоуловители наиболее распространены в установках

316