рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Раздел Науковедение
/
Вид работы: Конспекты Лекций
/
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

Реферат Курсовая Конспект

Выберите учебное заведение

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ - Конспект Лекций, раздел Науковедение, Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное У...

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Энергообеспечение с.х.»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

специальность 110302.65 «Электрификация и автоматизация с.х.»

специализация 110302.03 «Энергообеспечение с.х.»

СОСТАВИЛ: преподаватель кафедры «Энергообеспечение с.х.»

Байков Алексей Сергеевич

Оренбург 2012 г.

Лекция №1 (2 часа)

Тема: «Введение»

1 Вопросы лекции:

1.1 Тепловая энергия.

1.2 Конструктивные особенности теплоэнергетических установок и их классификация.

1.3 Атомные реакторы.

1.4 Электродные котлы.

1.5 Гелиоустановки.

1.6 Геотермальные установки.

1.7 Котлы утилизаторы.

1.8 Энергосберегающие технологии в теплоэнергетических установках и системах.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Сабирзянов А.Н. Энергосбережение в теплоэнергетике и в теплотехнологиях: Тексты лекций., Издательство: КГТУ, 2006.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Тепловая энергия.

Источник энергии, в том числе и тепловой, — это вещество, энергетический потенциал которого достаточный для преобразования в иные виды с целью следующего эффективного и целесообразного использования.

Энергетическим потенциалом вещества называют параметр, который разрешает оценить принципиальную возможность и целесообразность ее использования как источника энергии. Энергетический потенциал выражают в джоулях (Дж) или киловатт-часах кВт (тепл.) • ч, 1 кВт (тепл.) • ч = 3600 кДж.

Источники энергии разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят источники, которые являются результатом естественных процессов. Их энергетический потенциал не зависит от деятельности человека. Первичными источниками энергии служат: ископаемые горючие вещества, ядерное топливо, термальные воды, солнце, ветер, реки, океаны и т. п.

Вторичными источниками энергии являются побочные продукты деятельности человека: горючие отходы промышленных предприятий и тепловых станций в виде газов, пара и воды; бросовой теплоты компрессорных станций магистральных газопроводов; нагретые вентиляционные выбросы; отходы сельскохозяйственного производства и т. п.

Первичные источники энергии разделяют на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым первичным источникам энергии относят ископаемые горючие вещества, уран и торий.

Возобновляемые первичные источники энергии являются продуктами деятельности и процессов на Земле: ветер, водные ресурсы, океан, гидро- и геотермальные источники, растительные продукты биологической деятельности на Земле (древесина и прочие растительные вещества на Земле, в морях, океанах), а также энергия Солнца.

Если будет решен вопрос практического использования термоядерной энергии синтеза веществ, человечество будет иметь неисчерпаемый первичный источник энергии.

3.2 Конструктивные особенности теплоэнергетических установок и их классификация.

Теплоэнергетическая установка (ТЭУ) комплекс взаимосвязанного оборудования и устройств, предназначенных для производства, передачи, накопления, распределения и использования тепловой энергии.

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воздух.

В теплоэнергетической установке создают термодинамические условия с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплоэнергетических установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплоэнергетические установки и соответствующие методы производства тепловой энергии.

1. Котельные агрегаты

2. Атомные реакторы

3. Электродные котлы

4. Гелиоустановки

5. Геотермальные установки

6. Котлы-утилизаторы

7. Для систем теплоснабжения также используют производство тепловой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства, в которых энергия с низким энергетическим потенциалом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах).

Эффективность ТЭУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии, а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

3.3 Атомные реакторы.

Атомные реакторы – устройства, в которых проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.

Рис. 1.1 Принципиальная тепловая схема АТЭЦ:

1 – атомный реактор; 2 – циркуляционный насос; 3 – парогенератор; 4 – змеевики парогенератора; 5 – питательный насос; 6 – паровая турбина;7 –электрогенератор; 8, 12 – конденсатор; 9 – технологическое производство; 10, 11– паровые подогреватели; 13 – сетевой насос; 14 – потребитель.

3.4 Электродные котлы.

Электродные котлы – устройства, в которых проходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

Условные обозначения электродного котла: числитель – номинальная электрическая мощность, кВт; знаменатель – номинальное напряжение питающей сети, кВ (например, обозначение КЭПР-250/0,4 расшифровывается: котел электродный паровой регулируемый мощностью 250 кВт, номинальным напряжением питающей сети 0,4 кВ).

Электродные водогрейные котлы предназначены для выработки горячей воды. На рис. 1.2 приведена принципиальная схема электродного водогрейного регулируемого котла с плоскими электродами.

Рис. 1.2 Принципиальная схема электродного водогрейного котла:

1 – водопровод; 2 – фильтр-отстойник; 3 – питательный насос; 4 – клапан обратный проходной; 5 – электромагнитный клапан; 6 – байпас; 7 – входной патрубок воды; 8 – цилиндрический корпус; 9 – заземление; 10 – дренажная линия; 11 – фазные электроды; 12 – проходные изоляторы; 13 – трехфазная электрическая сеть; 14 – защитные пластины; 15 – диэлектрические пластины (антиэлектроды); 16 – крестовина; 17 – выходной патрубок горячей воды; 18 – шток; 19 – штурвал; 20 – термореле; 21 – предохранительный клапан

Электродные паровые котлы предназначены для выработки насыщенного пара давлением до 0,6 МПа (6 кгс/см²) и снабжения промышленных, сельскохозяйственных и бытовых объектов. В паровом электродном котле теплота, выделяющаяся при протекании электрического тока через воду, представляющую активное сопротивление, идет на ее нагрев и испарение.

Конструкция электродного парового регулируемого котла на напряжение 0,4 кВ показана на рис. 1.3 и предусматривает автоматическое регулирование паропроизводительности и электрической мощности котла в заданном режиме.

Рис. 1.3 Принципиальная схема электродного парового регулируемого котла:

1 – водопровод; 2 – фильтр-отстойник; 3 – питательный насос; 4 – клапан обратный проходной; 5 – электромагнитный клапан; 6 – байпас; 7 – входной патрубок воды; 8 – поплавковый регулятор уровня воды; 9 – поплавок; 10 – кран автоматической подпитки; 11 – патрубки; 12 – цилиндрический корпус; 13 – заземление; 14 – продувочная линия; 15 – фазные плоские электроды; 16 – проходные изоляторы; 17 – цилиндрическая обечайка; 18 – трехфазная электрическая сеть; 19 – диэлектрические пластины; 20 – указатель уровня воды; 21 – вытеснительная камера; 22 – парогенерирующая камера; 23 – пароотводящий патрубок; 24 – крышка; 25 – электродный датчик предельного уровня воды; 26 – воздушник; 27 – манометр; 28 – предохранительный клапан; 29 – регулятор температуры

3.5 Гелиоустановки.

Гелиоустановки – устройства, в которых солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу – воде или воздуху.

Коллектор солнечной энергии (КСЭ) предназначен для улавливания энергии светового излучения, преобразования в тепловую энергию и передачи промежуточному теплоносителю. Улавливание солнечной энергии в коллекторе основано на способности веществ и материалов, таких как стекло, полимерные пленки, воды, пропускать световые лучи. Солнечная энергия в основном переносится световыми лучами, для которых указанные материалы практически прозрачны. Наибольшее применение имеет плоский коллектор солнечный энергии, представленный на рис. 4.

Тепловой поток энергии, подводимой к КСЭ солнечными лучами

Q_о = q_л F,

где q_л – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность КСЭ, МДж/м²; F – площадь тепловоспринимающей поверхности, м².

Рис. 1.4. Схема коллектора солнечной энергии (КСЭ):

1 – светопрозрачная панель (стекло); 2 – корпус; 3 – теплоизоляция;

4 – трубки для теплоносителя; 5 – лучепоглощающая поверхность (абсорбер)

3.6 Геотермальные установки.

Геотермальные установки – устройства, в которых проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

Рис. 1.5. Принципиальная схема геотермальной установки:

1 – действующая скважина; 2 – теплообменник; 3 – сепаратор; 4 – дренаж; 5 – насос; 6 – парогенератор;7, 8 – подогреватели сетевой воды; 9 – неработающая скважина; 10 – сетевой насос; 11 – потребитель

3.7 Котлы-утилизаторы.

Котлы-утилизаторы – устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое оборудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

Рис. 1.6. Принципиальная схема котла-утилизатора:

1 – высокотемпературные технологические газы; 2 – дымогарные трубки; 3 – барабан котла; 4 – питательная линия; 5 – устройство сепарации пара; 6 – паропровод сухого насыщенного пара; 7 – пароперегреватель; 8 – паропровод перегретого пара; 9 – газоход;

10 – зеркало испарения

3.8 Энергосберегающие технологии в теплоэнергетических установках и системах.

Приоритетные основные направления энергосбережения:

- повышение эффективности работы генерирующих источников за счет изменения структуры мощностей в сторону расширения внедрения парогазовых и газотурбинных установок (ГТУ), увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении;

- внедрение котельного оборудования, работающего на горючих отходах производства, сельского хозяйства, деревообработки;

- создание ГТУ на компрессорных магистральных газопроводах;

- замена отопительных электрических котельных на топливные;

- дальнейшее развитие системы учета всех видов энергоносителей, включая расходы на отопление;

- разработка и внедрение эффективных биогазовых установок;

- разработка и внедрение технологии использования бытовых отходов и мусора;

- внедрение теплонаносных установок;

- экономически целесообразное внедрение нетрадиционных источников энергии;

- техническое перевооружение автотранспорта и тракторов, включая перевод на дизельное топливо, сжиженный и сжатый природный газ;

- выращивание быстрорастущих деревьев для топливных целей;

- разработка, организация производства и внедрение энергосберегающего оборудования, приборов, материалов.

АПК является крупным потребителем энергоресурсов и имеет большие резервы (до 40%) энергосбережения.

Основными направлениями энергосбережения в АПК на ближайшую перспективу являются:

- внедрение энергоэффективных систем микроклимата, кормления, поения, содержания молодняка;

- внедрение эффективных сушильных установок для зерна, в том числе на местных видах топлива;

- применение солнечных нагревателей для воды, используемой на технологические нужды;

- внедрение частотно-регулируемого привода для технологических установок, вспомогательного оборудования котельных;

- перевод котельных в водогрейный режим;

- децентрализация схем теплоснабжения с внедрением газогенераторных установок;

- замена электрических котлов и неэкономичных чугунных котлов на котельные установки, работающие на местных видах топлива;

- внедрение газогенераторных установок с применением эффективных технологий преобразования низкосортных топлив в высококалорийные;

- создание мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания, установка турбогенераторов малой мощности в котельных, строительство малых ГЭС;

- термореновация производственных помещений;

- внедрение энергоэффективных систем освещения производственных помещений, уличного освещения населенных пунктов;

- установка современной аппаратуры для технического обслуживания, регулирования двигателей внутреннего сгорания.

Первоочередные мероприятия:

- внедрение обогреваемых полов и ковриков на животноводческих фермах и комплексах;

- перевод содержания животных на глубокую подстилку;

- внедрение эффективных систем микроклимата;

- внедрение энергоэффективных систем поения, кормления, улучшенного содержания птицы, замена проточных поилок на ниппельные;

- термореновация производственных помещений;

- внедрение экономичных теплогенераторов, воздухоподогревателей для сушки зерна;

- замена неэффективных котлов на более экономичные, перевод котлов на местные виды топлива;

- ликвидация длинных теплотрасс и паровых трасс с внедрением установок локального обогрева помещений на местных видах топлива;

- внедрение систем зонного обогрева инфракрасными излучателями, гелиоколлекторных установок;

- внедрение приборов контроля и регулирования ТЭР.

Лекция №2 (2 часа)

Тема: «Топливо»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения о топливе.

1.2 Состав и свойства твердого, жидкого и газообразного топлива.

1.3 Теплотехнические характеристики топлива.

1.4 Низшая и высшая теплота сгорания топлива.

1.5 Понятие условного топлива.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения о топливе.

Топливо – это горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах и для обогрева, либо преобразуется в другие виды энергии.

В промышленной энергетике и коммунально-бытовом секторе для получения тепла используется, как правило, химическая энергия, содержащаяся в органической массе ископаемого топлива. Исключением являются электронагревательные приборы, солнечные коллекторы и геотермальные установки, использующие электроэнергию, энергию солнца и тепло земных недр. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией, обеспечивается процессами сжигания различных видов органического топлива.

В структуре мирового снабжения первичными ТЭР доля нефтяного топлива снижается при одновременном увеличении доли природного газа.

Определенные изменения наблюдались и в региональной структуре мирового топливно-энергетического баланса. Главные из них состояли в снижении доли промышленно развитых стран-членов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), стран Центральной и Восточной Европы, а также стран СНГ в суммарном мировом потреблении первичных ТЭР при одновременном увеличении доли Китая, других стран Азии, а также Латинской Америки и Африки.

Более 25 лет назад из-за нефтяного кризиса многие страны приняли меры по рационализации структуры энергопотребления в сторону снижения в ней доли нефти. Несмотря на это, добыча ее из года в год увеличивается. Региональная структура мировой добычи нефти, %: Страны-члены ОЭСР – 29,3; Ближний Восток – 30,0; Африка – 10,6; Страны СНГ – 10,4; Латинская Америка – 9,7; Азия (без Китая) – 5,2; Китай – 4,6; Центральная и Восточная Европа – 0,2.

Добыча природного газа в мире по сравнению с нефтью увеличивалась более быстрыми темпами. Например, за период с 1976 по 1996 г. она возросла почти вдвое, при этом более 25% всего прироста добычи приходится на Россию. Другими крупнейшими производителями природного газа являются США (23,5%), Канада (7,1%), Нидерланды (4,1%), Великобритания (3,9%), Индонезия (3,3%), Алжир (2,6%), Узбекистан (2,1%), Саудовская Аравия (1,9%) и Норвегия (1,8%). Перечисленные выше страны в общей сложности добывают свыше 75% всего газа.

На долю России приходится почти 40% мирового экспорта природного газа из них в свою очередь почти 40% в страны СНГ. Другими крупнейшими экспортерами газа являются: Канада (48,7% от национальной добычи) Нидерланды (50%), Алжир (62,6%), Индонезия (48,1%), Норвегия (89,8%).

Несколько более низкими темпами, чем добыча природного газа, но более высокими темпами по сравнению с нефтью увеличивается мировая добыча каменного угля. При этом более трети мировой добычи приходится на Китай. Россия по добыче каменного угля занимает четвертое место в мире, уступая кроме Китая также США и Индии. Анализ статистических данных позволяет сделать несколько выводов. Основные из них:

- добыча каменного угля имеет тенденцию к росту;

- темпы развития мировой торговли каменным углем почти в 3 раза опережают темпы роста его добычи;

- крупнейшими экспортерами каменного угля в течение последних лет остаются Австралия, США и ЮАР, крупнейшими импортерами – Япония, Германия, Великобритания и Россия.

В настоящее время считается, что ресурсное обеспечение развития мирового энергетического хозяйства в ближайшие десятилетия не вызовет какой-либо озабоченности. Постепенное истощение наиболее экономически эффективных месторождений нефти и природного газа будет в перспективе в определенной мере компенсироваться благодаря научно-техническому прогрессу в соответствующих топливодобывающих отраслях, который призван обеспечить повышение нефте- и газоотдачи пластов, создать предпосылки для экономически обоснованной разработки более трудных для освоения месторождений и для широкого вовлечения в мировой энергетический баланс так называемых “нетрадиционных” видов углеводородов.

К категории “нетрадиционных” углеводородных энергетических ресурсов относятся залежи нефти и газа на очень больших глубинах на суше, месторождения газа с аномально высоким давлением, морские нефтегазовые месторождения с толщей воды над ними 300 м и более и т.д. Иными словами, это месторождения, на которых современные техника и технология, а также экономические показатели не позволяют вести не только разработку, но и разведку.

Классификация органического топлива

По агрегатному состоянию топлива органического происхождения разделяются на твердые, жидкие и газовые (газообразные).

По происхождению органические топлива делятся на природные (естественные) и искусственные, получаемые различными методами.

Таблица 2.1 Классификация органического топлива

Агрегатное состояние	Происхождение
Естественные	Искусственные
Твердое	Дрова, каменные и бурые угли, антрацит, горючие сланцы, торф	Кокс, полукокс, брикеты угольные и коксовые
Жидкое	Нефть	Мазут, дизельное и светлое моторное топливо,
Газовое	Природный и попутный газы	Генераторный, доменный, коксовый газы

3.2 Состав и свойства твердого, жидкого и газообразного топлива.

Элементарный состав и технические характеристики органического топлива

В состав органического топлива входят различные соединения горючих и негорючих элементов. Твердое и жидкое топливо содержит такие горючие вещества, как углерод C, водород H, летучую серу S_л, и негорючие вещества – кислород O, азот N, золу A, влагу W. Летучая сера состоит из органических S_ор и колчеданных S_к соединений: S_л=S_ор+S_к. Органическое топливо характеризуется:

- рабочей массой ;

- сухой массой ;

- горючей массой ;

- органической массой .

Сера органической массы не содержит колчеданную. Можно пересчитать состав топлива с одной массы на другую с помощью соответствующих коэффициентов (табл. 2.2)

Таблица 2.2 Пересчет состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса	Искомая масса
органическая	горючая	сухая	рабочая
Органическая
Горючая
Сухая
Рабочая

Твердое топливо

Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих веществ (Vг = 40–60%), высокими зольностью (Aр = 15–30%) и влажностью (Wр = 30–40%).… Каменные угли по составу и свойствам разнообразны. Они обладают сравнительно… Антрациты отличаются от других твердых топлив плотной структурой, высоким содержанием углерода (Cг = 93–96%), малым…

Жидкое топливо

Природное жидкое топливо – нефть – одновременно является источником получения искусственного жидкого топлива. Нефть состоит из различных углеводородов с примесью кислородных, азотных и сернистых соединений. Природную нефть в качестве топлива, как правило, не применяют. Жидкие искусственные топлива делят на жидкие дистиллятные, тяжелые дистиллятные и остаточные.

Основными характеристиками тяжелого дистиллятного топлива являются вязкость, температуры застывания и вспышки, процентное содержание кокса, определяющее склонность топлива к нагарообразованию. Остаточное топливо, например мазут, сжигают в топках котлов и печей. Мазут характеризуется высокой теплотой сгорания МДж/кг и представляет собой вязкую жидкость, которую необходимо подогревать до 310–320 K при транспортировании по трубам, а при сжигании – до 350–390 K.

Газообразное топливо

Природные газы можно подразделить на три группы: 1. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений. Они в основном состоят из… 2. Газы, которые выделяются из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью, в которой его бывает растворено от…

Таблица 1.3 Теплофизические свойства газов

Наименование газа	Обозна-чение	Плотность ρ, кг/м³	Теплота сгорания низшая , МДж/м³
Метан	CH₄	0,717	35,88
Этан	C₂H₆	1,355	64,36
Пропан	C₃H₈	2,009	93,18
Бутан	C₄H₁₀	2,697	123,15
Пентан	C₅H₁₂	3,454	156,63
Гексан	C₆H₁₄	3,848	173,17
Гептан	C₇H₁₆	4,474	200,55
Этилен	C₂H₄	1,251	59,06
Пропилен	C₃H₆	1,877	86,00
Бутилен	C₄H₈	2,503	113,51
Бензол	C₆H₆	3,485	140,38
Азот	N₂	1,250	–
Водород	H₂	0,090	10,79
Диоксид углерода	CO₂	1,977	–
Оксид углерода	CO	1,250	12,64
Кислород	O₂	1,428	–
Сероводород	H₂S	1,536	23,37

3.5 Понятие условного топлива.

Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в очень широких пределах. Для сравнения разных видов топлива при определении норм расхода, запасов, экономии топлива введено понятие об условном топливе. Условным топливом называют топливо, низшая теплота сгорания которого равна Q_у.т = 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расхода какого-либо вида натурального топлива в условное и обратно пользуются тепловым эквивалентом, представляющим собой отношение низшей теплоты сгорания рабочей массы натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива

Лекция №3 (2 часа)

Тема: «Горение топлива»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения о горении топлива.

1.2 Элементы теории горения топлива.

1.3 Материальный баланс горения.

1.4 Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания.

1.5 Коэффициент избытка воздуха и действительный объем продуктов сгорания.

1.6 Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

1.7 Оптимизация процесса горения топливо.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.2 Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учебное пособие/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. -84 с.: ил.15.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения о горении топлива.

Оcнову гоpения cоcтавляют самоускоряющиеся pеакции окиcления гоpючиx вещеcтв топлива, в pезультате котоpыx иcxодные вещеcтва (гоpючее и окиcлитель) пpеобpазуютcя в пpодукты cгоpания, т.е. в новые вещеcтва c иными физичеcкими и xимичеcкими cвойcтвами.

Xаpактеpным пpизнаком гоpения являетcя быcтpопpотекающий пpоцеcc, cопpовождающийcя интенcивным выделением теплоты и pезким повышением темпеpатуpы. Для пpотекания xимичеcкой pеакции между гоpючими вещеcтвами топлива и окиcлителем, пpежде вcего, необxодимо cоздать физичеcкий контакт между молекулами взаимодейcтвующиx вещеcтв и довеcти молекулы до такого cоcтояния, пpи котоpом cтановятcя возможными xимичеcкие pеакции между ними.

Первое (т.е. физический контакт) оcущеcтвляетcя в пpоцеccе обpазования гоpючей cмеcи, втоpое – пpи её воcпламенении.

Таким обpазом, гоpение – это cложный физико-xимичеcкий пpоцеcc, включающий в cебя pяд поcледовательно и паpаллельно пpотекающиx физичеcкиx и xимичеcкиx cтадий.

Pазличают полное гоpение, т.е. без потеpь теплоты, и неполное, т.е. c потеpями теплоты. Пpи полном гоpении вcе гоpючие вещеcтва топлива пpинимают учаcтие в окиcлительныx пpоцеccаx, пpи этом обpазуютcя только окcиды – CО₂, SO₂, H₂O.

Pеальное гоpение, как пpавило, являетcя неполным. Pазличают меxаничеcкую и xимичеcкую неполноту cгоpания.

В пеpвом cлучае (механический недожог) некотоpое количеcтво топлива в пpоцеccе гоpения топлива не учаcтвует. Напpимеp, газовым потоком из топки выноcятcя наиболее мелкие фpакции угля, а наиболее кpупные, наобоpот, могут оcедать в нижней чаcти топки (на поду) и удалятьcя вмеcте c золой и шлаком. В cлоевой топке возможен также пpовал мелкиx фpакций топлива чеpез отвеpcтия колоcниковой pешётки.

Потеpи c xимичеcким недожогом возникают в cлучае xимичеcки неполного окиcления углеpодcодеpжащиx cоединений c обpазованием окиcи углеpода CО, а также в cлучае, когда чаcть гоpючиx газообpазныx вещеcтв, обpазовавшиxcя пpи иcпаpении и теpмичеcком pазложении жидкого и твёpдого топлива (CО, Н₂, CН₄ и дp.), покидает топку до завеpшения окиcлительныx пpоцеccов. В качеcтве окиcлителя пpи гоpении пpеимущеcтвенно иcпользуетcя не чиcтый киcлоpод, а атмоcфеpный воздуx, что объяcняетcя его доcтупноcтью и пpоcтотой иcпользования. В теxнологичеcкиx уcтановкаx, напpимеp, маpтеновcкиx или доменныx печаx, пpименяетcя также воздуx, обогащённый киcлоpодом, или чиcтый киcлоpод.

Pаcxод киcлоpода или воздуxа , теоpетичеcки необxодимый для полного cгоpания единицы количеcтва топлива (килограмм или кубометр), опpеделяетcя из cтеxиометpичеcкиx уpавнений гоpения.

3.2 Элементы теории горения топлива.

Поскольку в основе процесса горения лежит реакция окисления горючих компонентов топлива, то материальный баланс процесса горения выражает количественное соотношение между исходными компонентами (топливо и окислитель) и конечными продуктами (дымовые газы, т.е. продукты сгорания), отнесённое к единице объёма (или массы) топлива.

Несмотря на то, что непосредственным окислителем в реакциях горения является кислород, на практике чистый кислород используется очень редко (лишь в специфических технологических процессах). В теплоэнергетике в качестве окислителя используется воздух как наиболее доступный и дешёвый газ, в котором содержится примерно 21 % кислорода (по объёму). Оставшиеся примерно 79 % составляет азот (концентрация других компонентов, как правило, ничтожно мала), который при нормальных условиях не принимает участия в процессе горения, поскольку является инертным газом. При высоких температурах, к сожалению (или даже – к несчастью), протекают реакции образования высокотоксичных оксидов азота (их принято называть NОх). Но это уже другие реакции, которые к материальному балансу процесса горения отношения не имеют.

3.3 Материальный баланс горения.

Материальный баланс процесса горения твёрдого и жидкого топлива составляется на 1 кг топлива. Первоочередной целью материального баланса является определение теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, а также теоретического объёма продуктов сгорания.

Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания - это не самоцель. Впоследствии, когда по результатам теплового баланса будет найден секундный расход топлива, определяют секундные расходы воздуха и дымовых газов, необходимые для выбора (по результатам аэродинамического расчёта котла) соответствующего тягодутьевого оборудования: вентилятора и дымососа.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы)

Составление материального баланса можно условно разделить на две стадии:

– определение объёма воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива, и теоретического объёма продуктов сгорания;

– определение действительных объёмов воздуха и продуктов сгорания (с учётом коэффициента избытка воздуха).

Для твёрдого и жидкого топлива материальный баланс составляется на 1 кг топлива, для газообразного - на 1 м сухого газа при нормальных условиях (Р = 0,1013 МПа, I = 0 °С).

3.4 Теоретический объем воздуха и продуктов сгорания.

Cоглаcно закону Дальтона, гоpючие cоcтавляющие топлива вcтупают в xимичеcкое pеагиpование c киcлоpодом в опpеделённом количеcтвенном cоотношении, опpеделяемом из cтеxиометpичеcкиx уpавнений полного гоpения углеpода, водоpода и cеpы, запиcанныx для одного 1 кмоля каждого гоpючего элемента:

(3)

Пpи pаcчёте объёмов воздуxа и пpодуктов cгоpания уcловно пpинимают, что вcе гоpючие cоcтавляющие окиcляютcя полноcтью, т.е. в cоответcтвии c pеакциями.

Как уже отмечалось, в воздуxе cодеpжитcя пpимеpно 21 % киcлоpода (по объёму), поэтому количеcтво воздуxа, теоpетичеcки необxодимого для полного cгорания 1 кг топлива:

Теоретический объём тpёxатомныx газов в cоответcтвии c уpавнениями (3а, в):

Теоpетичеcкий объём азота pавен объёму азота, поcтупившего c воздуxом и объёму азота, выделяемого из топлива

Теоpетичеcкий объём водяного паpа cкладываетcя из cледующих оcтавляющиx:

– водяные паpы, обpазующиеcя пpи cгоpании водоpода, входящего в состав топлива (реакция 2б);

– водяные паpы, обpазующиеcя пpи иcпаpении влаги топлива

– водяные паpы, вноcимые в топку c окиcлителем (воздуxом)

В итоге теоретический объём водяных паров:

Cуммаpный теоpетичеcкий объём пpодуктов cгоpания:

3.5 Коэффициент избытка воздуха и действительный объем продуктов сгорания.

Отношение действительного количества воздуха, подаваемого для сжигания единицы топлива, к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха зависит от рода топлива, способа его сжигания и т.д. Для газообразного топлива обычно α = 1,05 ÷ 1,1; жидкого α = 1,1 ÷ 1,3; твердого α = 1,2 ÷ 1,7.

Коэффициент избытка воздуха является одной из важнейших эксплуатационных характеристик устройств, в которых реализуется процесс сжигания топлива (паровые котлы, промышленные печи и т.д.). При увеличении объема уходящих продуктов сгорания увеличивается и доля теплоты от сгорания топлива, которая теряется с этими газами.

Используя полученные выше уравнения материального баланса процесса горения, можно определить коэффициент избытка воздуха по содержанию (концентрации) в продуктах сгорания СО₂, О₂ или N₂. Общий принцип определения коэффициента избытка воздуха состоит в том, что при полном сгорании топлива изменяется концентрация в сухих газах СО₂, О₂ или N₂ при изменении α. В газоанализаторах исследуется предварительно осушенные продукты сгорания. Это вносит некоторые искажения в объемные доли продуктов сгорания, что особенно заметно для топлив, богатых водородными соединениями (природные газы, жидкое топливо).

В процессе горения, по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций, выгорание замедляется. Условия реагирования ухудшаются также в связи со сложностью перемешивания больших количеств топлива и окислителя.

Таким образом, в связи с несовершенством аэродинамики топочных устройств и невозможностью идеального (т.е. на молекулярном уровне) смешения топлива и окислителя в реальных условиях, для полного сгорания топлива необходимо несколько большее количество воздуха, чем теоретический объём воздуха, полученный из стехиометрических уравнений горения.

Как уже отмечалось, отношение действительного объёма воздуха Vк теоретически необходимому V₀ называется коэффициентом избытка воздуха.

Таким образом, действительный объём воздуха, поступающего в зону горения:

Где - избыточный воздух.

Действительный объём продуктов сгорания будет больше теоретического за счёт азота, кислорода и водяного пара, содержащихся в избыточном воздухе.

Так как воздух практически не содержит трёхатомных газов, то их объём не зависит от коэффициента избытка воздуха и остаётся постоянным равным теоретическому:

Объём двухатомных газов включает в себя теоретический объём азота и избыточный воздух:

Действительный объём водяных паров увеличивается (по сравнению с теоретическим) на количество водяных паров, внесённых с избыточным воздухом:

Суммарный объём продуктов сгорания:

3.6 Энтальпия воздуха и продуктов сгорания.

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания 1 кг твердого, жидкого или 1 м³ газообразного топлива определяется по сумме энтальпий газообразных продуктов сгорания, входящих в состав дымовых газов.

Энтальпия воздуха, кДж/м³ ( при коэффициенте избытка воздуха α = 1),

I_в° = α ּV_в° ּС_в ּt_в,

где С_в — теплоемкость воздуха, м³ • °С, при его температуре t_в, ˚С.

V_в° — теоретический объем воздуха,

Энтальпия газообразных продуктов сгорания, кДж/м³ (при α = 1),

I_г° = (VRо₂ ּСсо₂ + VN₂ּСN₂ + Vн₂оּСн₂о) ּt_г

где Ссо₂, СN₂ Сн₂о — средние объемные теплоемкости двуокиси углерода, азота и водяных паров при постоянном давлении и температуре, кДж/(м³ּ°С).

Энтальпия дымовых газов, кДж/м³ , при α > 1

I_г= I°_г + (α – 1) ּV_в° ּС_в ּ t_г

3.7 Оптимизация процесса горения топливо.

Коэффициет избытка воздуха в топке выбирается в зависимости от:

– вида топлива (теплотехнических характеристик топлива);

– способа сжигания;

– конструкции топки;

– способа образования горючей смеси (конструкции горелки) и др.

Определяющими факторами при выборе оптимального значения коэффициента избытка воздуха являются минимальные суммарные потери с уходящими газами q₂ и химическим и механическим недожогом q_зи q₄.

Увеличение избытка воздуха приводит к росту потерь теплоты с уходящими газами (q₂), снижение - к повышению потерь с химическим и механическим недожогом топлива (q_зи q₄).

Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха будет соответствовать минимальному значению суммы потерь q₂+ q_з+ q₄.

Оптимальные значения коэффициента избытка воздуха в топке α_Т при сжигании:

– мазута 1,05-1,1

– природного газа 1,05-1,1;

твердого топлива:

– камерное (факельное) сжигание 1,15-1,2;

– слоевое сжигание 1,3-1,4.

Расчетный коэффициент избытка воздуха а в топке устанавливается согласно нормам теплового расчета котла.

Уменьшение избытка воздуха приводит к экономии расхода энергии на привод тягодутьевых машин и повышению КПД котла, однако его снижение ниже расчетного значения ведет к быстрому росту недожога топлива и снижает экономичность.

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососом, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды. За счет этого объём продуктов сгорания увеличивается, возрастает избыток воздуха, и снижается температура газов.

Присосы определяются в долях теоретически необходимого объёма воздуха

где - объём присосов воздуха в пределах i-й поверхности котла.

Тогда избыток воздуха за г-й по порядку поверхностью нагрева после топки определится как

Для обеспечения оптимальных условий горения и минимума присосов воздуха по газовому тракту необходим постоянный контроль за избытками воздуха в газовом тракте.

Как уже было отмечено, коэффициент избытка воздуха, в соответствии с определением, равен отношению действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому:

Таким образом, для точного определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить практически полный состав продуктов сгорания, а именно: концентрации кислорода, азота, оксида углерода, водорода, метана.

На практике используются два более упрощённых метода определения коэффициента избытка воздуха: по концентрации кислорода и по концентрации сухих трехатомных газов в продуктах сгорания.

Лекция №4 (2 часа)

Тема: «Котельные установки»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения о котельных установках.

1.2 Назначение и классификация котельных установок.

1.3 Технологические схемы котельных установок.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения о котельных установках.

Котельные агрегаты – устройства, имеющие топку для сжигания органического топлива в окислительной среде, где в результате экзотермических химических реакций горения образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы), теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару), более удобному для дальнейшего использования.

К основным элементам котельной относятся:

– котлы, заполняемые водой и обогреваемые теплом от сжигания.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов сгорания топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

– топки, в которых сжигают топливо и получают нагретые до высоких температур дымовые газы.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращение его химической энергии в теплоту нагретых газов.

- Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

– газоходы, по которым перемещаются дымовые газы и, соприкасаясь со стенками котла, отдают последним свою теплоту;

– дымовые трубы, с помощью которых дымовые газы перемещаются по газоходам, а затем после охлаждения удаляются в атмосферу.

Без перечисленных элементов не может работать даже самая простая котельная установка.

К вспомогательным элементам котельной относят:

– устройства топливоотдачи и пылеприготовления;

– золоуловители, применяемые при сжигании твердых видов топлива и предназначенные для очистки отходящих дымовых газов и улучшающих состояние атмосферного воздуха вблизи котельной;

– дутьевые вентиляторы, необходимые для подачи воздуха в топку котлов;

– дымососы-вентиляторы, способствующие усилению тяги и тем самым уменьшению размеров дымовой трубы;

– питательные устройства (насосы), необходимые для подачи воды в котлы;

– устройства по очистки питательной воды, предотвращающие накипеобразование в котлах и их коррозию.

– водяной экономайзер служит для подогрева питательной воды до ее поступления в котел.

– воздухоподогреватель предназначен для подогрева воздуха перед его поступлением в топку горячими газами, покидающими котлоагрегат.

– приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

Кроме того, в котельных, работающих на жидком топливе, имеется мазутное хозяйство, а при сжигании газа – газорегуляторные станции.

3.2 Назначение и классификация котельных установок.

Котельная- комплекс зданий и сооружений, здание или помещения с котлом (теплогенератором) и вспомогательным технологическим оборудованием, предназначенными для выработки теплоты в целях теплоснабжения.

Центральная котельная- котельная, предназначенная для теплоснабжения нескольких зданий и сооружений, связанных с ней наружными тепловыми сетями.

Автономная (индивидуальная) котельная -котельная, предназначенная для теплоснабжения одного здания или сооружения.

Крышная котельная -котельная, располагаемая (размещаемая) на покрытии здания непосредственно или на специально устроенном основании над покрытием.

По характеру тепловых нагрузок котельные подразделяются на :

- производственные, предназначенные для получения пара или горячей воды, используемых в технологических процессах предприятий, заводов и фабрик;

- производственно-отопительные, обеспечивают тепловые нагрузки технологических потребителей предприятий, а также отопления, вентиляции и горячего водоснабжения промышленных, общественных и жилых зданий и сооружений;

- отопительные, предназначенные только для обеспечения отопления, вентиляции и горячего водоснабжения коммунально-бытовых потребителей.

По способу подачи воды системы теплоснабжения разделяются на закрытые и открытые, двух- и четырехтрубные и другие.

В закрытых системах вода тепловой сети используется только как теплоноситель в теплообменниках для подогрева холодной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, а вода из теплосети не отбирается. Главные преимущества закрытой системы теплоснабжения: стабильное качество горячей воды и простота контроля плотности системы. Основные недостатки – сложность оборудования и эксплуатация абонентских вводов горячего водоснабжения; коррозия установок из-за поступления в них недеаэрированной водопроводной воды, а также образование накипи и шлама в трубопроводах горячего водоснабжения. В открытых системах вода непосредственно из тепловой сети забирается для подачи ее в систему горячего водоснабжения потребителя. Котельная установка при этом имеет дополнительные элементы: баки-аккумуляторы для создания запаса воды на горячее водоснабжение в часы максимального ее расходования потребителями, перекачивающие насосы и др. Основные преимущества открытых систем теплоснабжения: простые и недорогие абонентские вводы горячего водоснабжения, их долговечность. Недостатки – усложнение и удорожание оборудования водоподготовки и подпиточных устройств; усложнения контроля утечек теплоносителя и герметичности системы.

Система теплоснабжения большой и средней мощности экономически целесообразно выполнять двухтрубными - с общим подающим трубопроводом горячей воды для отопления вентиляции и горячего водоснабжения и общим обратным трубопроводом. Четырехтрубные системы теплоснабжения применяются в основном при небольшом радиусе расположения потребителей. Котельная имеет две водонагревательные установки: одна – для подогрева воды системы отопления и вентиляции, другая – для подогрева воды системы горячего водоснабжения.

По способу размещения котельные подразделяются на:

– отдельно стоящие;

– пристроенные к зданиям другого назначения;

– встроенные в здания другого назначения независимо от этажа размещения;

– крышные.

3.3 Технологические схемы котельных установок.

В теплоэнергетике одним из обязательных конструкторских документов является тепловая схема. Тепловая схема представляет собой условное графическое изображение основного и вспомогательного оборудования, объединяемого линиями трубопроводов для рабочего тела. Различают принципиальную, развернутую и рабочую или монтажную тепловые схемы.

В принципиальной тепловой схеме указывают условно лишь главное оборудование (котлоагрегаты, подогреватели, деаэраторы, насосы) и трубопроводы, не размещая арматуры, вспомогательных устройств и второстепенных трубопроводов и не уточняя количества и расположения оборудования.

Развернутая тепловая схема содержит все количество устанавливаемого оборудования, а также все коммуникации – трубопроводы, соединяющие оборудование с помещаемой на них запорной и регулирующей арматурой. Так как объединение в развернутой тепловой схеме всех элементов и оборудования котельной из-за их большого числа затруднительно, эту схему разделяют на части по технологическому процессу.

Рабочую или монтажную тепловую схему выполняют в ортогональном, а отдельные сложные узлы в аксонометрическом изображении с указанием отметок расположения трубопроводов, их наклона, арматуры, креплений, размеров и т.д.

Общие правила выполнения схем устанавливает ГОСТ 2.701-84. ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению. Схемы выполняются компактно, но без ущерба для ясности и удобства их чтения. Графические изображения элементов и линии связей между ними располагают таким образом, чтобы обеспечить наилучшее представление о структуре изделия и взаимодействии его составных частей. Линии связи, соединяющие функциональные части изделия, должны иметь наименьшее количество изломов и пересечений. Они должны состоять из горизонтальных и вертикальных участков.

Схемы выполняют без соблюдения масштаба. Действительное пространственное расположение составных частей установки не учитывают.

Рис.4.1 Технологическая схема производственно-отопительной котельной:

1-воздухозаборный короб; 2-паросборный коллектор; 3-редукционная установка;

4-паропровод к бойлеру; 5-деаэратор; 6-пароводяной бойлер; 7-потребитель; 8-сетевой насос; 9-система химической подготовки воды; 10-подпиточный насос; 11-охладитель деаэрированной воды; 12-дымовая труба; 13-питательный насос; 14-подогреватель сырой воды; 15-дымосос; 16-расширитель непрерывной продувки; 17-водяной экономайзер;

18-насос; 19-трубопровод непрерывной продувки; 20-конвективные поверхности нагрева; 21-пароперегреватель; 22, 26-нижний и верхний барабаны; 23-дутьевой вентилятор;

24-горелка; 25-топка котельного агрегата; 27-ГРП котельной; 28-мазутохранилище;

29-фильтр; 30-насос.

Из мазутохранилища (28), обогреваемого паром, через фильтры (29) тонкой очистки насосами (30) мазут подается в горелку (24) и после смешивания с воздухом сгорает.

Отопительный котел имеет топку (25) с расположенными в ней испарительными поверхностями нагрева (кипятильными трубами), верхний (26) и нижний (22) барабаны, конвективные поверхности нагрева (20), пароперегреватель (21), водяной экономайзер (17).

Воздух в отопительном котле, необходимый для сжигания газа, забирается из верхней части котельной и по воздухозаборному коробу (1) поступает на вход дутьевого вентилятора (23), откуда под давлением подается в горелки (24). Продукты горения проходят последовательно через все теплоиспользующие элементы и с помощью дымососа (15) выбрасываются в дымовую трубу (12).

Пар в отопительном котле поступает в общий сборный коллектор (2), откуда направляется к технологическим потребителям. Часть пара после снижения давления в редукционной установке (3) подается в деаэратор (5), где происходит удаление из питательной воды растворенных в ней агрессивных газов для предотвращения коррозии поверхностей нагрева.

Для получения горячей воды, расходуемой на технологические нужды и теплоснабжение, в котельной установлен пароводяной бойлер (6). Пар в бойлер поступает из общего паросборного коллектора (2) по специальному паропроводу (4). Сетевая вода сетевым насосом 8, установленным на обратной линии, подается для нагрева в бойлер, из которого поступает в прямую линию системы теплоснабжения к потребителям (7) теплоты. Конденсат пара из бойлера поступает в деаэратор 5. Подпитка тепловой сети осуществляется подпиточным насосом (10), забирающим воду из деаэратора, общего для системы теплоснабжения и питания котла. Для уменьшения солесодержания котловой воды из барабана (26) по трубопроводу (19) производится непрерывная продувка.

Вода в отопительном котле направляется в расширитель непрерывной продувки (16), где в результате снижения давления вскипает. Образующийся при этом пар поступает в паровую линию к деаэратору, а горячая вода — в подогреватель сырой воды (14), которая насосом (18) подается в систему 9химической подготовки воды. Химически очищенная вода перед поступлением в деаэратор подогревается в охладителе 11 деаэрированной воды. Деаэрированная вода питательным насосом 13 направляется в водяной экономайзер (17) котла.

Лекция №5 (2 часа)

Тема: «Тепловой баланс котельного агрегата»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие понятия о тепловом балансе.

1.2 Характеристика потерь теплоты.

1.3 Коэффициент полезного действия котельного агрегата.

1.4 Зависимость КПД котла от его нагрузки.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие понятия о тепловом балансе.

Расход сжигаемого топлива должен обеспечивать получение необходимого количество полезной теплоты, а также восполнения тепловых потерь, сопровождающих работу котельной установки. Полезно используемая теплота в котельной установке Q₁ идет на подогрев воды, ее испарение, получение и перегрев пара. Соотношение, связывающее приход и расход теплоты носит название теплового баланса.

Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива, на 1 м³ газообразного топлива или в % от введенной теплоты. Суммарное количество введенной в топку теплоты называется располагаемой теплотой

и соответственно включает в себя:

• – низшую рабочую теплоту сгорания топлива;

• Q_ф.т– физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с топливом, если топливо предварительно нагревается (мазут);

• _Qф.в – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с воздухом, если нагрев воздуха происходит вне котельного агрегата (воздухоподогреватель);

• Q_пар – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с паром, при паровом распылении топлива (паромеханические форсунки).

Следовательно:

= + Q_ф.т+ Q_ф.в+ Q_пар

Расходная часть теплового баланса Q_расх включает в себя полезно использованную теплоту Q₁, а также потери теплоты с уходящими топочными газами Q₂, химической Q₃ и механической Q₄ неполнотой сгорания топлива, от наружного охлаждения Q₅, с физической теплотой шлаков Q₆, на аккумуляцию ограждающих конструкций Q_акк (при нестационарных условиях работы установки).

Следовательно:

Q_расх = Q₁+ Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q_акк.

Уравнение теплового баланса имеет вид :

= Q_расх

Разделив каждый член уравнения теплового баланса на и умножив на 100 %, получим другую запись уравнения теплового баланса:

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆.

3.2 Характеристика потерь теплоты.

Работа теплогенерирующей установки сопровождается потерями теплоты, выраженными обычно в долях, %:

q_i = (Q_i / ) ⋅100.

Потери теплоты с уходящими топочными газами теплогенератора –

q₂ = (Q₂ /) ⋅100, %.

В теплогенераторе это, чаще всего, наибольшая часть тепловых потерь. Потери теплоты с уходящими топочными газами можно понизить за счет:

• снижения объема дымовых топочных газов, путем поддержания требуемого коэффициента избытка воздуха в топке αт и уменьшения присосов воздуха;

• снижения температуры уходящих топочных газов, для чего применяют хвостовые поверхности нагрева: водяной экономайзер, воздухоподогреватель, контактный теплообменник.

Температура уходящих топочных газов (140…180 °С) считается рентабельной и во многом зависит от состояния внутренней и внешней поверхности нагрева труб котла, экономайзера. Отложение накипи на внутренней поверхности стенок труб котла, а также сажи (летучей золы) на внешней поверхности нагрева существенно ухудшают коэффициент теплопередачи от топочных газов к воде и пару. Увеличение поверхности экономайзера, воздухоподогревателя для более глубокого охлаждения дымовых газов не является целесообразным, так как при этом уменьшается температурный напор ∆Т и увеличивается металлоемкость.

Повышение температуры уходящих топочных газов может произойти в результате неправильного процесса эксплуатации и сжигания топлива: большой тяги (топливо догорает в кипятильном пучке); наличия неплотности в газовых перегородках (газы напрямую идут по газоходам котельного агрегата, не отдавая теплоты трубам – поверхностям нагрева), а также при большом гидравлическом сопротивлении внутри труб (за счет отложения накипи и шлама).

Химический недожог – q₃ = (Q₃ /) ⋅100, %.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, определяется по результатам анализа летучих горючих веществ Н₂, СО, СН₄ в уходящих дымовых топочных газах. Причины химической неполноты сгорания: плохое смесеобразование, недостаток воздуха, низкая температура в топке.

Механический недожог – q₄= (Q₄ / ) ⋅100, %.

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, характерны для твердого топлива и зависят от доли провала топлива через колосниковую решетку в систему шлакозолоудаления, уноса частичек несгоревшего топлива с дымовыми газами и шлаком, который может оплавить частицу твердого топлива и не дать ей полностью сгореть.

Потери теплоты от наружного охлаждения ограждающих конструкций – q₅ = (Q₅ /) ⋅100, %.

Возникают ввиду разности температуры наружной поверхности теплогенератора и окружающего наружного воздуха. Они зависят от качества изолирующих материалов, их толщины. Для поддержания q₅ в заданных пределах необходимо чтобы температура наружной поверхности теплогенератора – его обмуровки, не превышала 50 °С.

Потери теплоты q5 уменьшаются по ходу движения топочных газов по газовому тракту, поэтому в теплогенераторе введено понятие коэффициента сохранения теплоты ϕ = 1 − 0,01q₅.

Потери с физической теплотой шлака – q₆= (Q₆ /) ⋅100, %.

Возникают за счет высокой температуры шлаков порядка 650°С и характерны только при сжигании твердого топлива.

Таблицы расчета тепловых потерь, коэффициента полезного действия брутто, натурального, расчетного и условного расхода топлива теплогенератора приведены в главе 8.

3.3 Коэффициент полезного действия котельного агрегата.

Коэффициентом полезного действия брутто η_бр, %, называется отношение полезно используемой теплоты Q₁ к располагаемой

η_бр = (Q₁ / )⋅100, %.

Доля полезно используемой теплоты q₁ = (Q₁ /) 100, %.

Тогда имеем, что q₁ = η_бр.

Следовательно, коэффициент полезного действия брутто

η_бр = 100 − (q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆), %.

При выработке тепловой энергии следует учитывать расход тепловой энергии на собственные нужды q_с.н (привод насосов, тягодутьевых устройств, на обдувку, деаэрацию, мазутное хозяйство и т.д.). В связи с этим введено понятие КПД нетто η_нетто = η_бр − q_с.н, %. Натуральный расход топлива Вн, кг/с, м³/с, при нормальных условиях сжигания (при t = 0 °С и Р = 760 мм рт. ст), в паровом и водогрейном котельном агрегате определяется по формулам:

• для парового котла В_н = (D∆i_п) / (η_бр),

• для водогрейного котла В_н = (G∆i_в) / (η_бр),

где D – паропроизводительность теплогенератора, кг/с; ∆i_п – прирост энтальпии пара и питательной воды, кДж/кг; – располагаемая теплота, кДж/кг, кДж/м³; η_бр – КПД брутто; G – расход воды через водогрейный котел, кг/с; ∆i_в – прирост энтальпии горячей и холодной воды, кДж/кг.

При сжигании газа и мазута, расчетный расход топлива В_р равен натуральному расходу В_н, так как потери теплоты от механической неполноты сгорания q₄ = 0.

Для увеличения ηбр необходимо снижать потери теплоты, а именно:

• работать по режимной карте, температурному графику, с наименьшим коэффициентом избытка воздуха: 1,05…1,1 – для природного газа; 1,1…1,15 – для мазута; 1,4…1,8 – для твердого топлива;

• следить за температурой уходящих топочных газов, полнотой сгорания топлива, обмуровкой котла.

3.4 Зависимость КПД котла от его нагрузки.

Чем выше тепловая нагрузка (форсировка) котла, тем больше топлива сжигается в его топке и тем больше образуется дымовых газов. Одновременно с увеличением теплопроизводительности котла при повышенной форсировке растут потери теплоты с уходящими газами, так как температура уходящих газов при увеличении нагрузки возрастает.

Рис. 5.1 График зависимости КПД котла от его нагрузки

С увеличением нагрузки также возрастают потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания. Изменение тепловой нагрузки котла влияет на величину тепловых потерь и его КПД (рис.5.1). При минимальной нагрузке (точка а) основную роль играют потери теплоты в окружающую среду. С ростом нагрузки уменьшаются потери теплоты в окружающую среду, но увеличиваются остальные тепловые потери. КПД котла возрастает и достигает в точке б максимальной величины. Потери теплоты с уходящими газами, а также от химической и механической не¬полноты сгорания (при дальнейшем увеличении нагрузки) возрастают более резко, чем уменьшаются потери теплоты в окружающую среду, КПД котла в этом случае снижается (точка в).

Чрезмерное уменьшение коэффициента избытка воздуха приводит к появлению зон с недостатком кислорода. В таких зонах не происходит полного окисления элементов топлива и образуется сажа.

Чрезмерная и длительная форсировка приводит к напряженной работе котла в целом и его отдельных узлов. Увеличение температуры уходящих газов может привести к перегреву элементов котла в выходной по газам области, их не пластическим термическим деформациям с возможным последующим разрушением.
Следствием чрезмерной и длительной форсировки котла может явиться:
- выгорание покраски обшивки котла, ее деформация, в следствии прогорание изоляции;
- выбивание дымовых газов в котельную, также по причине выгорания изоляции;
- выход из строя дымососа по причине выброса горячих дымовых газов в газоход за котлом, в следствии прогорания изоляции;

- ухудшение тяги на котле в следствии забивания конвективной части котла по причине деформации заднего щита конвективного хода;

- порыв в области сварного шва пластин газоплотности и элементов трубной системы, по причине работы котла на мощности превышающей заявленную заводом изготовителем.

Лекция №6 (2 часа)

Тема: «Топочные устройства»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения.

1.2 Основные характеристики топочных устройств.

1.3 Топки для сжигания газа.

1.4 Основы расчета топочных камер.

1.5 Теплопередача в топке.

1.6 Теоретическая температура горения.

1.7 Температура на входе в первый газоход. Определение количества тепла, переданного в топке.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения.

Топка – устройство, предназначенное для сжигания топлива с целью получения теплоты. Топка выполняет функцию горения и теплообменного аппарата – теплота излучением и конвекцией одновременно передается от факела горения и продуктов сгорания к экранным поверхностям, по которым циркулирует вода. Доля лучистого теплообмена в топке, где температура топочных газов порядка 1000 °С, больше чем конвективного, поэтому, чаще всего, поверхности нагрева в топке называют радиационными.

Типы топочных устройств

слоевые камерные … ручные механические вихревые кипящий слой

Таблица 6.1 Характеристики топок

Класс	Тип	Топливо	Коэф-т избытка воздуха	Недожог %	Тепловое напрние топочного прострва ,Мкал/()

Слоевые	С пневмозабросом и неподвижной решеткой	Слабоспека-ющиеся каменные угли	1,4	5,5	200-300
С цепной решеткой	Сортовой антрацит	1,5		250-400
Шахтно-цепная	Кусковой торф	1,3		250-400
Каменный уголь	1,2	1-1,5
Факельные	С горелками и сухим шлакоудале-нием	Антрацит	1,2-1,25	4,6
Мазут	1,03	0,5
Природный газ	1,1	0,5	300-400
С шахтными мельницами	Бурый уголь	1,2	0,5-1
Фрезторф	1,2	0,5-1

Факельные	С жидким шлакоудале-нием	Каменный уголь	1,2	0,5	До 800
Дробленый каменный уголь	1,1-1,2	1,5
Вихревые	С горизонталь-ными циклонами	Угрубленная угольная пыль	1,1-1,2	1,5
С предтопками ВТИ	Грубая угольная пыль	1,1-1,2	0,5	650-750

3.3 Топки для сжигания газа.

Для сжигания природного газа, мазута и пылевидного твердого топлива обычно используют камерные топки, общая принципиальная схема которой приведена на рис. 6.5.

В конструкции камерной топки можно выделить четыре основных элемента: топочную камеру, экранную поверхность, горелочное устройство и систему удаления шлака и золы.

Рис. 6.5. Принципиальная схема камерной топки:

1 – обмуровка; 2 – фронтовой и потолочный экран;3 – задний и подовый экран;

4 – левый боковой экран;5 – горелка; 6 – система удаления шлака и золы;

7 – конвективная шахта – газоход; 8 – пароперегреватель;9 – водяной экономайзер; 10 – воздухоподогреватель; 11 – боров

Топочная камера или топочный объем – пространство, отделенное обмуровкой от окружающей среды.

Обмуровкой называют ограждения, отделяющие топочную камеру и газоходы котельного агрегата от внешней среды. Обмуровку выполняют из красного или диатомового кирпича, огнеупорного материала или из металлических щитов с огнеупорами. Внутренняя часть обмуровки в топке, или

футеровка, со стороны топочных газов и шлаков, выполняется из огнеупорных материалов: шамотного кирпича, шамотобетона и других огнеупорных масс. Обмуровка и футеровка должны быть достаточно плотными, особо высокоогнеупорными, стойкими к химическому воздействию шлаков и иметь малый коэффициент теплопроводности.

Обмуровка может опираться непосредственно на фундамент, на металлические конструкции (каркас) или крепиться на трубах экранов топочной камеры и газоходов. Поэтому существует три конструкции обмуровки: массивная – имеет свой фундамент; накаркасная (облегченная) – фундамента не имеет, крепится на металлический каркас; натрубная – крепится к экранным поверхностям.

Каркас служит для крепления и поддержания всех элементов котельного агрегата (барабанов, поверхностей нагрева, трубопроводов, обмуровки, лестниц и площадок) и представляет собой металлические конструкции обычно рамного типа, соединенные с помощью сварки или закрепленные болтами на фундаменте.

Экранная радиационная поверхность нагрева выполнена из стальных труб диаметром 51…76 мм установленным с шагом 1,05…1,1. Экраны воспринимают теплоту за счет радиации и конвекции и передают ее воде или пароводяной смеси, циркулирующим по трубам. Экраны защищают обмуровку от мощных тепловых потоков.

Система удаления шлака и золы используется в камерных топках только при сжигании твердого пылевидного топлива.

Горелочные устройства устанавливаются на одной или двух противоположных (встречных) поверхностях нагрева, на поду, или в углах топки. На стенах топки котла устраивают амбразуру – отверстие в обмуровке, выложенное огнеупорным материалом, куда устанавливают воздушный регистр и горелочное устройство.

Воздушные регистры. При любом виде топлива (газообразное, жидкое или пылевидное) воздух в основном (кроме инжекционных горелок) нагнетается дутьевым вентилятором в топку через воздушные регистры или воздухонаправляющие аппараты, что обеспечивает интенсивное завихрение и выход (подачу) топливно-воздушной смеси в наиболее узком сечении амбразуры топки со скоростью 25…30 м/с.

Воздухонаправляющее устройство представляет собой лопаточный завихритель осевого типа с подвижными, поворачивающимися вокруг своей оси лопатками. Возможна и установка неподвижных профильных лопаток под углом 45…50° к потоку воздуха. Завихрение потока воздуха интенсифицирует процессы смесеобразования и горения, но при этом увеличивается сопротивление по воздушному тракту. Направляющие аппараты удобны для автоматического регулирования производительности вентиляторов и дымососов.

3.4 Основы расчета топочных камер.

При проектировании и эксплуатации теплогенератора выполняют поверочный расчет топочных устройств. При расчете топки по чертежам или конструктивным данным определяются: объем топочной камеры, степень ее экранирования, площадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих (радиационных) поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр и шаг труб).

Поверочный расчет топок производится в следующей последовательности:

1. Предварительно задаются температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры для промышленных паровых котлов эту температуру рекомендуется принимать при сжигании газа –950…1000 °С, мазута – 1000…1050 °С, а для водогрейных котлов 950…1150 °С.

2. По построенной диаграмме I – ϑ, для принятой температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры определяется энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки.

3. Вычисляются коэффициенты и параметры топочной камеры:

– коэффициенты загрязнения и тепловой эффективности экранов;

– эффективная толщина излучающего слоя;

– поглощательная способность газов RO₂ и паров H₂O;

– коэффициент ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами;

– степень черноты светящейся и несветящейся части факела;

– видимое тепловое напряжение топочного объема;

– эффективная степень черноты факела и степень черноты топки;

– полезное тепловыделение в топке;

– теоретическая (адиабатическая) температура горения, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экранными поверхностями обмена;

– средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания;

– параметр М, зависящий от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки: для котлов ДКВР, КВ-ГМ, ДЕ.

4. Вычисляется действительная температура дымовых топочных газов на выходе из топки.

5. Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее. Если расхождение между полученной действительной температурой на выходе из топки и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±50 °С, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным значением температуры на выходе из топки, и весь расчет повторяется.

3.5 Теплопередача в топке.

В топках современных котельных агрегатов большое значение имеет теплоотдача излучением. Особенно это относится к факельным и вихревым топкам, так как из·за меньших значений коэффициента избытка воздуха температура дымовых газов в этих топках оказывается значительно более высокой, чем в слоевых. В факельных и вихревых топках излучением передается до 40% и больше тепла, выделяемого топливом, что во многом определяет характерный профиль топки, отличающийся развитым экранированием.

При горении топлива в слое излучает как пламя, развивающееся в топочном пространстве, так и горящий кокс, лежащий на колосниковой решетке. При этом в пламени излучают горящие летучие вещества, выделившиеся из топлива, и образовавшиеся трехатомные газообразные продукты сгорания – углекислота и сернистый ангидрид, а также водяные пары.

При горении пылевидного топлива в факеле излучают те же компоненты, но характер излучения несколько меняется. Выделившиеся летучие сгорают не в сплошном потоке, как при слоевом сжигании, а вокруг отдельных центров – горящих частиц топлива; в результате излучает не сплошной поток пламени, а очень большое число центров его. Затем при сжигании пылевидного топлива излучает не сплошной слой относительно крупных кусков кокса, лежащих на решетке, а очень тонкие частицы кокса, сравнительно равномерно распределенные в факеле.

При горениив факеле распыленного жидкого топлива принципиальные особенности излучения остаются такими же, как и при горении пылевидного топлива, с тем отличием, что излучение центров пламени становится доминирующим, а излучение частиц почти отсутствует.

При горении газообразного топлива излучают горящий газ и трехатомные продукты сгорания и только при горении запыленных газов к этому добавляется еще излучение некоторого количества находящихся в них раскаленных твердых частиц.

Интенсивности излучения компонентов факела и слоя различны. Наиболее интенсивно излучает пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлив. По внешнему виду это пламя отличается плотностью и ярким белым или желтым цветом. Значительно менее интенсивным является излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы и еще более слабым оказывается излучение трехатомных газообразных продуктов сгорания. Двухатомные газы тепла практически не излучают.

Интенсивность излучения пламени горящего газообразного топлива сильно зависит от состава топлива и условий ведения процесса горения. Газы, не содержащие углеводородов (генераторный, доменный, водород) горят почти бесцветным пламенем. Интенсивность излучения пламени газов, содержащих углеводороды, колеблется в широких пределах и определяется совершенством перемешивания горящего топлива с воздухом. Углеводороды под влиянием высокой температуры расщепляются в пламени, образуя молекулы с более высоким содержанием углерода и частицы чистого углерода, которые светятся и излучают много тепла. Если при этом горящие газы плохо перемешаны с воздухом, то возникшие высокоуглеродистые соединения и частицы чистого углерода не могут быстро сгореть из·за недостатка кислорода; накапливаясь в пламени, они усиливают интенсивность излучения. Наоборот, при хорошем смешении горящих газов с воздухом высокоуглеродистые соединения и частицы углерода быстро сгорают; поэтому количество их в пламени становится незначительным, а излучательная способность пламени резко снижается.

Таким образом, в зависимости от рода и вида сжигаемого топлива интенсивность излучения пламени может изменяться от очень сильной до очень слабой.

3.6 Теоретическая температура горения.

Тепло в топке от продуктов сгорания к воде котла передается через лучевоспринимающую поверхность нагрева, которая складывается из лучевоспринимающих поверхностей первого газохода и экранов.

Первая поверхность – поверхность труб конвективного пучка, пересекающих газовое окно, через которое проходят продукты сгорания, когда они из топки направляются в первый газоход.

Экранами называются ряды труб, покрывающие стенки топки. Обычно экраны выполняются однорядными, бывают и двухрядные Если один или два ряда труб пересекают топочное пространство, то их называют двухсветным экраном.

Различают две основные температуры продуктов сгорания в топке. Одна называется теоретической и обозначается a ϑ , другая (меньшая по величине) называется температурой при входе в первый газоход, обозначается I-ϑ .

Снижение температуры в топке от теоретической до I-ϑ′ получается за счет передачи тепла к лучевоспринимающей поверхности нагрева. Теоретическая температура – это такая температура, которая получилась бы в случае сгорания при полном отсутствии теплообмена (адиабатическое сгорание).

Практически ее не удается достигнуть из·за влияния отдачи тепла излучением и в окружающую среду, а также возможной диссоциации продуктов сгорания (CO₂ и H₂O) при высокой температуре.

Уравнение баланса энергии для 1 кг топлива до процесса горения и после него, ккал/кг, имеет следующий вид

где – теоретический объем воздуха, м³/кг;

q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания;

q₆ – потери теплоты с физическим теплом удаляемых из топки золы и шлаков и от охлаждения панелей и балок, не включенных в циркуляцию котла;

I_вз – тепло, вносимое в топку с воздухом, ккал/кг;

i_тл – физическое тепло топлива, ккал/кг;

Q_ф – тепло, вносимое в котельный агрегат с форсуночным паром при паровом распыливании мазута, ккал/кг;

– объемы соответственно трехатомных и двухатомных газов и водяных паров, м³/кг;

– объемы соответственно трехатомных и двухатомных газов и водяных паров, ккал/м³·°С;

3.7 Температура на входе в первый газоход. Определение количества тепла, переданного в топке.

В топке процесс передачи тепла к поверхностям нагрева происходит в основном за счет лучеиспускания от факела и продуктов сгорания, а в слоевых топках – еще и от накаленного слоя горящего топлива. Из топки продукты сгорания поступают в газоходы котла, в которых тепло от продуктов сгорания к поверхностям нагрева передается в основном за счет конвекции, т. е. за счет непосредственного соприкосновения.

Как известно, интенсивность процесса передачи тепла характеризуется коэффициентом теплопередачи, т. е. количеством тепла в ккал/ч, передаваемого через 1 м² поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в 1°.

По закону Стефана–Больцмана количество тепла, переданного лучеиспусканием, зависит от четвертой степени средней абсолютной температуры в топке. Коэффициент теплопередачи при этом может достигать 300 ккал/м²·ч·град, в то время как в газоходах котла коэффициент теплопередачи характеризуется величинами порядка 25 ккал/м²·ч·град. Эти показатели достаточно характеризуют огромное значение передачи тепла в топке, поэтому при конструировании следует так компоновать в одно целое котел и топку, чтобы передача тепла в топке достигала максимальных величин. Эту задачу конструктивно можно решить, если довести до максимума размеры лучевоспринимающих поверхностей в топке.

Развивать до максимума лучистые поверхности целесообразно еще и потому, что у них отсутствует газовое сопротивление.

Количество тепла, переданного в топке за счет лучеиспускания, ккал/кг, определяется уравнением:

где ϕ – коэффициент сохранения тепла учитывает потерю тепла в окружающую среду.

Считая, что потеря тепла каждым газоходом, включая топку, пропорциональна его тепловой нагрузке, можно вынести этот коэффициент как множитель, отнесенный к сумме тепловой нагрузки всех газоходов. В таком случае можно составить равенство

откуда

где Q₁ – полезное тепло, ккал/кг;

Q₅ – потери тепла от наружного охлаждения, ккал/кг.

Абсолютная температура на выходе из топки, т.е. на входе в первый газоход, определяется из формулы

где T_а – абсолютная теоретическая температура горения;

B_o – критерий Больцмана;

a_m – степень черноты топки.

Расчетный коэффициент M зависит от относительной высоты положения максимума температуры топочных газов X . Он учитывает также полноту тепловыделения при сжигании твердого топлива в слое, а при сжигании газа или мазута в зоне амбразур горелок или форсунок.

Лекция №7 (2 часа)

Тема: «Тяга и дутье»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения.

1.2 Аэродинамические сопротивления и cамотяга.

1.3 Дымососы и вентиляторы.

1.4 Выбор тягодутьевых машин.

1.5 Дымовые трубы.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.4 Щеголев, М.М. Котельные установки : учебник для вузов / М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. – М.: Стройиздат, 1972. – 384 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения.

Для организации процесса горения в топку парогенератора и водогрейного котла необходимо подавать воздух и удалять образующиеся продукты сгорания. Подача воздуха и удаление продуктов сгорания могут быть осуществлены двумя способами: созданием в топке и газоходах разрежения, т. е. давления, меньшего чем давление окружающего воздуха, и избыточного давления по отношению к окружающему воздуху.

Парогенераторы, работающие с разрежением в газовом тракте, могут иметь тягу и подачу воздуха естественную и искусственную. Под естественной тягой понимают такую, при которой разрежение в топке и газоходах парогенератора создается дымовой трубой и вследствие этого под действием разности давлений (окружающего воздуха и продуктов сгорания) в топку поступает воздух, необходимый для горения. При искусственной тяге разрежение в топке и газоходах парогенератора создается за счет работы дымососа, а подача воздуха производится вентилятором.

Тяга в дымовой трубе при работе котельной установки возникает следующим образом (рис. 7.1). На сечение 1-1 дымовой трубы со стороны входа продуктов сгорания создается давление окружающего воздуха, имеющего плотность р_а. Внутри дымовой трубы находятся продукты сгорания, которые, имея плотность р, также оказывают давление на сечение 1-1. Давление столба воздуха на сечение 1-1, соответствующее высоте дымовой трубы Н, будет равно Нр_ад, а продуктов сгорания Нрд, где д - ускорение свободного падения, м/с². Однако плотность продуктов сгорания р меньше плотности окружающего воздуха. В результате этого на сечение 1-1 будет действовать разность давлений, которая и создает тягу.

Тяга, Па, может быть определена по формуле:

h=Hg(р_а-р). (7.3.1)

Рис. 7.1. Схема возникновения естественной тяги:

G - масса столба воздуха; G₁ - масса столба газов.

Из уравнения ясно, что тяга, создаваемая дымовой трубой, тем больше, чем больше высота дымовой трубы и разность плотностей воздуха и продуктов сгорания. Эта разность плотностей будет возрастать с увеличением температуры продуктов сгорания в дымовой трубе и уменьшением температуры окружающего воздуха.

Парогенераторы и водогрейные котлы, в которых топка и газоходы находятся под избыточным давлением по отношению к окружающему воздуху, называются работающими под наддувом. В этих агрегатах подача воздуха и удаление продуктов сгорания производится под действием вентилятора, т. е. принудительно.

Современные промышленные парогенераторы и водогрейные котлы имеют сложный профиль воздушного и газового трактов вследствие применения развитых хвостовых или конвективных поверхностей нагрева, что привело к увеличению общего аэродинамического сопротивления тракта. Одновременно уменьшение температуры уходящих газов снизило тягу, создаваемую дымовой трубой. По этим причинам промышленные парогенераторы производительностью более 2 т/ч имеют, как правило, искусственную тягу и дутье. Дымовая труба при этом служит не для создания разрежения, а для выброса продуктов сгорания в более высокие слои атмосферы с целью улучшить рассеяние вредностей, содержащихся в них (летучая зола, сернистый ангидрид, окислы азота).

При работе газового тракта под разрежением через неплотности в обмуровке и других элементах агрегата происходят присосы атмосферного воздуха в топку и газоходы, что увеличивает потери тепла с уходящими газами, а также приводит к излишней загрузке дымососа и, соответственно, росту расхода электроэнергии на его привод. В то же время через неплотности не происходит выброса продуктов сгорания в помещение цеха.

В парогенераторах и водогрейных котлах, работающих под наддувом, нет присосов холодного воздуха в газовый тракт, что заметно повышает их экономичность, а отсутствие дымососа упрощает установку. В то же время конструкция газового тракта агрегата усложняется и удорожается.

3.2 Аэродинамические сопротивления и cамотяга.

Движение продуктов сгорания и воздуха, рассматриваемое как движение вязких жидкостей, имеет турбулентный характер и происходит при изменяющейся температуре, так как продукты сгорания охлаждаются, а воздух при наличии воздухоподогревателя нагревается. При движении продуктов сгорания, обладающих вязкостью, возникают сопротивления, препятствующие их движению. На преодоление этих сопротивлений затрачивается часть энергии, которой обладает движущийся поток жидкости.

Возникновение сопротивлений обусловлено силами трения; движущегося потока о стенки канала и возрастанием внутреннего трения в потоке при появлении на его пути различных препятствий. Для преодоления сопротивлений движущийся поток должен обладать определенным избыточным напором, который по мере продвижения по тракту будет падать.

Падение полного напора на каком-либо участке газового или воздушного тракта определяется, Па, по уравнению для несжимаемой жидкости (обычно поправка на сжимаемость вносится приближенно в конце расчета):

(7.3.2)

где ∆h - сопротивление участка, т. е. потеря полного давления, Па;

z₁ и z₂ - геометрические отметки сечений участка (высота расположения их относительно выбранной плоскости отсчета), м;

ρ_а - плотность атмосферного воздуха, принимаемая постоянной в пределах небольших изменений высоты, кг/м³;

ρ - плотность протекающей среды, кг/м³.

Величина (z₂ - z₁)g(ρ_а - ρ) называется самотягой. При равенстве плотностей протекающей среды ρ и атмосферного воздуха ρ_а, а также при горизонтальном расположении газовоздухопровода самотяга равна нулю.

Аэродинамическое сопротивление какого-либо участка тракта складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений. Для парогенераторов и водогрейных котлов к указанным сопротивлениям добавляется особый вид сопротивления - сопротивление поперечно омываемых пучков труб.

Сопротивление трения возникает при движении потока в прямом канале постоянного сечения, в продольно омываемых трубных пучках и в пластинчатых поверхностях нагрева.

Для изотермического потока (при постоянной плотности и вязкости протекающей среды) сопротивление трения (Па) определяется по формуле

(7.3.3)

где λ - коэффициент сопротивления трения, зависящий от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса;

1 - длина канала, м;

ω - скорость протекающей среды, м/с;

d_э - эквивалентный (гидравлический) диаметр, м;

ρ - плотность протекающей среды, кг/м³.

Эквивалентный (гидравлический) диаметр подсчитывается по формуле

(7.3.4)

где F - живое сечение канала, м ;

U - полный периметр сечения, омываемый протекающей средой, м.

Местные сопротивления, Па, рассчитываются по формуле

(7.3.5)

где ζ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от геометрической формы участка (а иногда и от критерия Рейнольдса) .

Сопротивление поперечно омываемых гладких и ребристых труб, Па, определятся по формуле

(7.3.6)

где ζ - коэффициент сопротивления, зависящий от числа рядов и расположения труб в пучке, а также от критерия Рейнольдса.

Самотяга в газоходе возникает вследствие разности плотностей окружающего воздуха и продуктов сгорания. Возникновение самотяги в газоходах аналогично появлению тяги в дымовой трубе, которое было описано в предыдущем параграфе. Самотяга, Па, любого участка газового тракта, а также дымовой трубы при искусственной тяге вычисляется по формуле

(7.3.7)

где Н=z₂ – z₁ расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечения данного участка, м;

ρ - абсолютное среднее давление продуктов сгорания на участке (при избыточном давлении меньше 5000 Па принимается р/101080 = 1), Па;

ρ_о - плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м³;

υ - средняя температура продуктов сгорания на данном участке, °С; 1,20 - плотность наружного воздуха при давлении 101080 Па и температуре 20° С, кг/м³.

При расчете самотяги по температуре наружного воздуха, отличающейся от 20° С более чем на 10° С, вместо значения 1,20 подставляется соответствующее значение плотности воздуха.

Самотяга может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Если продукты сгорания движутся снизу вверх, самотяга имеет положительное значение, т.е. будет создавать дополнительный напор, который можно использовать для преодоления сопротивлений. При движении продуктов сгорания сверху вниз (как это имеет место в опускных газоходах) самотяга будет отрицательной, т.е. для ее преодоления потребуется дополнительный напор. Тяга, создаваемая дымовой трубой, всегда положительна.

3.3 Дымососы и вентиляторы.

Вентиляторы, обеспечивающие подачу в топку воздуха, необходимого для организации процесса горения, называются дутьевыми вентиляторами. Вентиляторы, предназначенные для удаления продуктов сгорания и преодоления сопротивлений газового тракта котельной установки, называются дымососами.

Выбор тягодутьевых машин производится по расходу продуктов сгорания и воздуха, а также сопротивлению газового и воздушного тракта. Дымосос и вентилятор должны иметь производительность, при которой обеспечивается удаление образовавшихся продуктов сгорания и подача воздуха, необходимого для горения при номинальной мощности парогенератора или водогрейного котла. Учитывая колебания барометрического давления, изменение качества топлива, загрязнения поверхностей нагрева в процессе эксплуатации, технические допуски на отклонения заводских напорных характеристик, при выборе машин их производительность и напор выбирают с запасом.

Расход продуктов сгорания у дымососа, м³/ч, определяется по формуле:

(7.3.8)

где В_р - расчетный расход топлива с учетом механического недожога, кг/ч или м³/ч;

К_г,_ух - объем продуктов сгорания (уходящие газы) на 1 кг твердого или жидкого топлива или на 1 м³ газа при коэффициенте избытка воздуха после золоуловителя, м³/кг или м³/м³;

∆а - присос воздуха от золоуловителя до дымососа;

V⁰ - теоретическое количество воздуха, необходимое для горения, м³/кг или м³/м³ ;

υ_д - температура продуктов сгорания перед дымососом; при значении присоса воздуха после воздухоподогревателя меньше 0,1 принимается равной температуре продуктов сгорания после воздухоподогревателя, а при присосах больше 0,1 подсчитывается по формуле

(7.3.9)

где а_ух и υ_ух - избыток воздуха и температура продуктов сгорания за воздухоподогревателем;

t_хв - температура холодного воздуха. Количество холодного воздуха, м³/ч, забираемого дутьевым вентилятором, определяется по формуле:

(7.3.10)

где α_т - коэффициент избытка воздуха в топке;

∆а_m и ∆а_пл - присосы воздуха в топку и систему пылеприготовления;

∆а_вп - относительная утечка воздуха в воздухоподогревателе, принимается равной присосу воздуха по газовой стороне.

При рециркуляции части горячего воздуха в воздухоподогревателе расход воздуха через вентилятор, м³/ч, определяется по формуле:

(7.3.11)

где β_рц - относительное количество рециркулирующего горячего воздуха, определяемое в тепловом расчете воздухоподогревателя;

- температура подогретого в результате рециркуляции воздуха, °С.

На расход воздуха, определенный по формуле (7.3.11), рассчитывается воздухопровод от вентилятора до воздухоподогревателя и участок всасывающего воздухопровода после ввода рециркулирующего воздуха. Остальная часть всасывающего воздухопровода рассчитывается на расход холодного воздуха по формуле (7.3.10).

3.4 Выбор тягодутьевых машин.

Выбор дымососов и вентиляторов производится по заводским напорным характеристикам, приводимым в каталогах заводов-изготовителей. В каталогах характеристики дымососов (вентиляторов) построены по полному напору, создаваемому машиной при перемещении воздуха и продуктов сгорания, имеющих указанную на характеристике температуру, при абсолютном давлении 101080 Па в сечении входа в машину.

Для выбора дымососа вентилятора по каталогу определяется его производительность и полный приведенный напор. Расчетная производительность вентилятора (дымососа) определяется с учетом условий всасывания, т. е. избыточного давления или разрежения и температуры перед машиной:

(7.3.12)

где V - расход воздуха или продуктов сгорания при номинальной нагрузке парогенератора или водогрейного котла, м³/ч;

β₁ и β₂ - коэффициенты запаса по производительности и напору;

h_бвр - барометрическое давление в месте установки машины, Па;

Н_вх — разрежение (-) или избыточное давление (+) во входном сечении вентилятора, Па; учитывается только для машин с давлением больше 3000 Па.

Расчетный полный напор вентилятора (дымососа), Па, определяется по формуле:

(7.3.13)

где ∆Н_п - перепад полных давлений в газовом или воздушном тракте, Па.

Для выбора дымососа (вентилятора) по каталогу выпускаемых промышленностью машин необходимо полученный по формуле полный напор привести к условиям (по температуре и барометрическому давлению), при которых заводом-изготовителем дана напорная характеристика машины. Приведенный напор определяется по формуле:

(7.3.14)

где ρ₀ -плотность перемещаемых продуктов сгорания (воздуха) при 0° С и 101080 Па, кг/м³;

t - действительная температура продуктов сгорания (воздуха) перед машиной, °С;

t_хар - температура, для которой составлена заводская напорная характеристика машины, °С.

Мощность, кВт, потребляемая дымососом (вентилятором), определяется по формуле:

(7.3.15)

где Q_р - расчетная производительность на входе в машину, м³/ч;

η_э — к. п. д. машины в рабочей точке, определяемый по заводской напорной характеристике, %.

Расчетная мощность электродвигателя, кВт, определяется по потребляемой мощности с коэффициентом запаса β₃ = 1,05:

(7.3.16)

Правильный выбор тягодутьевых машин оказывает существенное влияние на мощность и экономичность работы котельной установки, поскольку они потребляют около 60% электроэнергии собственных нужд котельного цеха.

3.5 Дымовые трубы.

В современных промышленных и отопительных котельных дымовая труба служит не для создания необходимой тяги, а для отвода продуктов сгорания, загрязненных летучей золой, несгоревшими частицами топлива, окислами серы и азота. Дымовые трубы для современных установок обычно сооружаются из кирпича или железобетона с кирпичной футеровкой. Кирпичные трубы выполняются высотой до 100 м, а железобетонные - высотой до 250 м. Одна дымовая труба обычно обеспечивает удаление продуктов сгорания от 4-5 агрегатов.

Для установок с принудительной тягой расчет дымовой трубы сводится к определению диаметра ее выходного сечения и высоты по условиям рассеивания в атмосфере выбрасываемых вредностей до допустимых санитар ными нормами концентраций. При расчете газового тракта должна учитываться самотяга, создаваемая дымовой трубой, и ее сопротивление. Сопротивление дымовой трубы складывается из потерь на трение при движении продуктов сгорания и на создание динамического напора, необходимого для получения определенной скорости продуктов сгорания на выходе из трубы. Для дымовых труб крупных промышленных и отопительных котельных выходную скорость рекомендуется принимать ω_вых = 20 - 25 м/с.

Минимальная допустимая высота дымовой трубы, м, определяется по специальной методике из условия предельных допустимых концентраций золы или 50₂ в атмосфере по формуле:

(7.3.17)

где А - коэффициент, зависящий от метеорологических условий местности (для субтропической зоны Средней Азии -240; для Средней Азии, Кавказа, Сибири, Дальнего Востока - 200; для Севера и Северо-Запада Европейской части РФ, Урала, Среднего Поволжья - 160); М - суммарный выброс 50₂ или золы, г/с;

ПДК - предельная допустимая концентрация SO₂ или золы (принимается равной 0,5 мг/м³, а для населенных пунктов, курортных зон и зон отдыха 0,4 мг/м³);

F - коэффициент, принимаемый при расчете по 50₂ равным 1, а при расчете по выбросу золы - равным 2 (к. п. д. золоуловителя не менее 90%) и равным 2,5 (к. п. д. золоуловителя от 75 до 90%);

- объемный расход продуктов сгорания через трубу при температуре их в выходном сечении, м³/с (охлаждение продуктов сгорания в дымовой трубе не учитывается);

∆Т - разность температур продуктов сгорания, выбрасываемых из трубы, и окружающего воздуха, К.

Диаметр устья трубы, м, определяется по формуле:

(7.3.18)

В соответствии со СНиП 11-35-76 к установке принимаются трубы, из кирпича и железобетона, имеющие следующие диаметры выходных отверстий: 1,2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0; 6,6; 7,2; 7,8; 8,4; 9,0 и 9,6 м. Высота дымовых труб должна приниматься 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150 и 180 м.

Лекция №8 (2 часа)

Тема: «Газовые сети»

1 Вопросы лекции:

1.1 Газоснабжение энергетических установок.

1.2 Газорегуляторные пункты и газорегуляторные установки.

1.3 Внутренние газопроводы.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Газоснабжение энергетических установок.

Газопроводы, прокладываемые в городах, поселках и сельских населенных пунктах, классифицируются следующим образом:

по виду транспортируемого газа — природного, попутного, сжиженного углеводородного, искусственного, смешанного;

по избыточному давлению — высокого давления I категории (от 0,6 до 1,2 МПа), высокого давления II категории (свыше 0,3 до 0,6 МПа), среднего давления (свыше 0,005 до 0,3 МПа), низкого давления (до 0,005 МПа);

по местоположению относительно отметки земли — подземные (подводные), надземные (надводные), наземные;

по расположению в системе планировки городов и населенных пунктов — наружные (уличные, внутриквартальные, дворовые, межцеховые, межпоселковые) и внутренние (расположенные внутри зданий и помещений);

по назначению в системе газоснабжения — городские магистральные, распределительные, вводные, импульсные (к средствам измерения, регуляторам и т.д.) и продувочные;

по материалу труб — металлические (стальные), неметаллические (пластмассовые, резинотканевые и т.д.).

Городскими магистральными считают газопроводы, идущие от газорегуляторной станции (ГРС) до головных газорегуляторных пунктов (ГРП).

Распределительными являются газопроводы, идущие от источника газоснабжения до газопроводов потребителей газа. Они могут быть уличными, внутриквартальными, дворовыми, межцеховыми и т.д.

Вводной газопровод — это участок газопровода от установленного снаружи отключающего устройства на вводе в здание при его установке снаружи до внутреннего газопровода, включая газопровод, проложенный в футляре через стену здания.

Внутренним газопроводом является газопровод, прокладываемый внутри здания от вводного газопровода до места подключения теплового агрегата.

Газораспределительная сеть города может иметь газопроводы различного давления. В зависимости от этого могут быть следующие схемы

• одноступенчатая, при которой распределение газа и подача его потребителям осуществляется по газопроводам одного давления (низкого или среднего);

• двухступенчатая, при которой подача газа осуществляется по газопроводам высокого и среднего давления, а распределение по потребителям — по потребителям низкого и среднего давления;

• трехступенчатая и многоступенчатая, в которой используются газопроводы низкого, среднего и высокого давлений.

Связь между газопроводами разных давлений, входящих в систему газоснабжения, должна осуществляться только через газорегуляторные пункты(ГРП), газорегуляторные установки (ГРУ). ГРП и ГРУ различаются по месту их размещения и характеру газоснабжения потребителей газа. ГРУ обычно располагается в помещении котельной и обеспечивает газом потребителей, находящихся только в ней.

Распределительные газопроводы по принципу построения делятся на кольцевые, тупиковые и смешанные. Первые состоят из колец одного давления, соединенных между собой, что обеспечивает равномерность распределения давления в сети и возможность при аварии отключить поврежденный участок с возможно меньшим нарушением газоснабжения объектов. Тупиковая схема этого не позволяет, но она наиболее проста и дешева. Смешанные системы, совмещающие в себе элементы кольцевой и тупиковой, применяются наиболее часто.

Материалы газопроводов. Для строительства систем газоснабжения чаше всего применяют стальные трубы, изготовленные из хорошо сваривающихся сталей. При соединении труб сваркой прочность сварного соединения должна быть равна прочности основного металла труб.

Пластмассовые трубы целесообразно использовать в городских распределительных газопроводах, а также для подземных межпоселковых газопроводов давлением до 0,6 МПа и прокладываемых на территории сельских поселений подземных газопроводов давлением до 0,3 М Па. Полиэтиленовые трубы соединяются методом контактного плавления. Пластмассовые трубы имеют небольшую массу, не подвергаются коррозии, имеют низкие потери на трение, хорошо поддаются механической обработке и удобны при монтаже.

В городах и населенных пунктах газопроводы независимо от их назначения и давления, как правило, прокладываются в земле. Глубина прокладки составляет не менее 0,8 м от верха газопровода. В местах, где отсутствует движение транспорта, глубина залегания может быть уменьшена до 0,6 м.

Коррозия стальных газопроводов и способы их защиты.Подземные стальные газопроводы подвержены поверхностному разрушению от коррозии. Развитию коррозии способствуют электрохимические явления, возникающие между металлом труб и окружающей их почвой или под действием блуждающих в земле Электрических токов.

Почвенная коррозия зависит от наличия в грунте влаги, солей кислот, щелочей и других соединений, способствующих развитию процесса электрохимического разрушения металла. Коррозия газопроводов, вызываемая блуждающими токами, возможна при утечке постоянного электрического тока от проходящей вблизи газопровода линии электрифицированного транспорта (трамвая, электропоезда). В этом случае электрические токи, распространяясь в фунте, избирают металл газопровода своим проводником, при этом место входа тока в стенку газопровода, называемое катодной зоной, не страдает, а место выхода его обратно в грунт, называемое анодной зоной, электрохимически разрушается, приводит к потере металла и утончению стенки газопровода.

Меры защиты газопроводов от влияния почвы и блуждающих токов подразделяются на пассивные и активные. К пассивным мерам защиты относится покрытие поверхности газопровода противокоррозионной изоляцией, в их числе битумные, битумно-резиновые покрытия, применение стеклоткани, пластмассовых лент и т.д..

Активная электрическая защита газопроводов от воздействия блуждающих токов подразделяется на катодную (нейтрализация блуждающих токов подачей внешнего тока), протекторную (нейтрализация блуждающих токов путем направления их на протектор - металл, разрушаемый вместо газопровода) и дренажную (отвод блуждающих токов).

Надземные межцеховые газопроводы на территориях предприятий прокладываются на специальных опорах (колоннах, эстакадах, отдельных мачтах), а также с помощью кронштейнов по стенам зданий, построенных из несгораемых материалов. Наименьшая высота прокладки надземных газопроводов в непроезжей части в местах прохода людей - 2,2 м, считая от нижней части трубы.

3.2 Газорегуляторные пункты и газорегуляторные установки.

Газорегуляторные пункты (ГРП)предназначены для снижения входного давления газа до заданного выходного (рабочего) и поддержания его постоянным независимо от изменения входного давления и потребления газа. Колебания давления газа на выходе из ГРП допускаются в пределах 10% рабочего давления. Кроме того, в ГРП осуществляются: очистка газа от механических примесей, контроль входного и выходного давления и температуры газа, предохранение от повышения или понижения давления газа за ГРП , учет расхода газа.

Рис.8.1. Принципиальная схема газорегуляторного пункта:

1 - предохранительно-сбросный клапан (сбросное устройство); 2 - задвижка на байпасной линии; 3 - манометры: 4 - импульсная линия ПЗК: 5 - продувочный газопровод; 6 - байпасная линия; 7 - расходомер; 8 -задвижка ни входе; 9 - фильтр;

10 - предохранительно-запорный клапан (ГИК); 11 - регулятор давления;

12 -задвижка на выходе.

На схеме ГРП, приведенной на рис.8.1, можно выделить три линии: основную, обводную (байпасную) и рабочую. На основной линии газовое оборудование располагается в следующей последовательности: запорное устройство на входе (задвижка 8) для отключения основной линии; продувочный газопровод 5: фильтр 9 для очистки газа от разных механических примесей; предохранительно-запорный клапан 10, автоматически отключающий подачу газа при повышении или понижении давления газа в рабочей линии за установленные пределы; регулятор 11 давления газа, который снижает давление газа и автоматически поддерживает его на заданном уровне независимо от расхода газа потребителями; запорное устройство на выходе 12.

Байпасную (от англ. bypass – обход) линию составляют продувочный газопровод 5, два запорных устройства (задвижки 2), которые используются для ручного регулирования давления газа в рабочей линии во время выполнения ремонтных работ на отключенной основной линии.

На рабочей линии (линия рабочего давления) устанавливается предохранительно-сбросной клапан 1 (ПСК), который служит для сброса газа через сбросную свечу в атмосферу при повышении давления газа в рабочей линии выше установленного предела.

В ГРП установлены следующие контрольно-измерительные приборы: термометры для измерения температуры газа и в помещении ГРП;расходомер 7 газа (газовый счетчик, дроссельный расходомер); манометры 3 для измерения входного давления газа и давления в рабочей линии, давления на входе и выходе из газового фильтра.

3.3 Внутренние газопроводы.

Внутренние газопроводы выполняются из стальных труб. Трубы соединяют с помощью сварки, разъемные соединения (фланцевые, резьбовые) допускаются для установки арматуры, приборов, КИП и др.

Газопроводы прокладываются, как правило, открыто. Скрытая проводка допускается в бороздах стен с легко снимаемыми щитами с отверстиями для вентиляции.

Газопроводы не должны пересекать вентиляционные решетки, оконные и дверные проемы. В местах прохода людей газопроводы прокладываются на высоте не менее 2,2 м. Крепятся трубы при помощи кронштейнов, хомутов, крючьев и подвесок.

Запрещается использовать газопроводы в качестве опорных конструкций, заземления. Газопроводы окрашиваются водостойкими лакокрасочными материалами желтого цвета.

Рис.8.2. Схема внутренних газопроводов котельной и расположение отключающих устройств:

1 – футляр; 2 – общее отключающее устройство; 3 – кран на продувочном газопроводе; 4 – штуцер с краном для взятия пробы; 5 – продувочный газопровод; 6 – манометр; 7 – аспределительный коллектор; 8 – ответвление к котлу (опуски); 9 – отключающее устройство на опусках.

Принципиальная схема внутренних газопроводов котельной с несколькими котлами приведена на рис. 8.2. Газ по вводному газопроводу проходит через футляр, установленный в стене помещения котельной. Футляр 1 выполняется из отрезка стальной трубы, внутренний диаметр которой не менее чем на 100 мм больше диаметра газопровода. Футляр обеспечивает независимую осадку стен и газопроводов. Общее отключающее устройство 2 предназначено для отключения всех котлов при плановом или аварийном отключении котельной. Отключающие устройства 9 на ответвлениях 8 к котлам (опусках) предназначены для отключения отдельных котлов.

Рис. 8.3. Схема расположения запорных устройств газового оборудования котла с двумя горелками:

1 – газовый коллектор; 2 – ответвление к котлу (опуск); 3 – отключающее устройство на опуске; 4 – ПЗК на котле; 5 – регулирующая газовая заслонка; 6 – газовый запальник; 7 – ЗУ перед горелками; 8 – горелки; 9 – продувочный газопровод; 10 – кран на продувочном газопроводе; 11 – кран к манометру; 12 – манометр

Схема расположения запорных устройств газового оборудования котла с двумя горелками показана на рис. 8.3. Газ из распределительного газового коллектора котельной 1 по ответвлению к котлу (опуску) 2 проходит через отключающее устройство 3 на опуске, предохранительно-запорный клапан 4 (ПЗК), регулирующую газовую заслонку 5 и запорные устройства 7 (ЗУ) поступает в горелки 8.

Для внутренних газопроводов и для газового оборудования должно быть предусмотрено техническое обслуживание не реже одного раза в месяц. Текущий ремонт должен проводиться не реже одного раза в 12 месяцев в случаях, если в паспорте завода-изготовителя нет ресурса эксплуатации и нет данных о его ремонте.

Перед ремонтом газового оборудования, осмотром и ремонтом топок или газоходов, а также при выходе из работы установок сезонного действия газовое оборудование и запальные трубопроводы должны отключаться от газопроводов с установкой заглушек после запорной аппаратуры.

Лекция №9 (2 часа)

Тема: «Водоподготовка и водно-химический режим котельного агрегата»

1 Вопросы лекции:

1.1 Физико-химические характеристики воды.

1.2 Влияние качества воды на работу котла.

1.3 Основные нормы качества воды.

1.4 Удаление механических примесей и коллоидных веществ из вод.

1.5 Основные методы умягчения и обессоливание воды.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Физико-химические характеристики воды.

Источниками водоснабжения для питания котлов являются пруды, реки, озера, используются также фунтовые или артезианские воды, вода из городского или поселкового водопровода. В составе природных вод имеются механические примеси минерального или органического происхождения, растворенные химические вещества и газы, поэтому без предварительной очистки природные воды непригодны для питания котлов.

Воду, используемую в паровых и водогрейных котлах, в зависимости от участка технологической цепи, на котором она используется, называют по-разному. Так, вода, поступающая в котельную или ТЭЦ от возможных источников водоснабжения, называется исходной, или сырой, водой. Как правило, эта вода требует предварительной химической подготовки перед использованием ее для питания котлов.

Вода, поступающая для питания котлов, называется питательной. Вода, подаваемая для восполнения потерь пара или расходов воды в тепловых сетях, называется подпиточной. Воду, находящуюся в испарительной системе котла, называют котловой.

Пар, получаемый в промышленных котлах, направляют в различные теплоиспользующие устройства, конденсат из которых возвращается неполностью либо он настолько загрязнен, что не может быть непосредственно использован. Кроме того, часть пара и воды при наличии неплотностей теряется. В связи с этим необходимо систематически добавлять в тепловые сети некоторое количество воды извне. В водогрейные котлы также приходится добавлять воду из-за ее утечек в системе теплоснабжения или использования потребителями.

Качество исходной, подпиточной, питательной и котловой воды характеризуется содержанием взвешенных частиц, сухим остатком, общим солесодержанием, жесткостью, щелочностью, содержанием кремниевой кислоты, концентрацией водородных ионов и содержанием коррозионно-активных газов.

К взвешенным веществам относятся механические примеси, удаляемые из воды путем фильтрования; содержание взвешенных частиц вычисляют в миллиграммах на килограмм (мг/кг). Общее солесодержание определяется по величине сухого остатка примесей, получающегося после испарения 1 кг профильтрованной воды и подсушивания этого осадка при температуре 105 °С. Общее солесодержание измеряется также в мг/кг.

Находящиеся в воде соли обладают той или иной степенью растворимости, означающей, что в воде при каждой данной температуре без остатка может растворяться определенная максимальная масса соли, которую выражают в граммах на литр (г/л). Различают хорошо растворимые (более 10 г вещества в 1 л Н₂О). малорастворимые (от 0,01 до 10 г/л) и практически не растворимые (менее 0,01 г/л) соли. К хорошо растворимым следует отнести соли щелочных металлов, хлориды (СаС1₂, MgCl₂) и т.д. Растворимость солей зависит от температуры.

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция и магния. Различают общую Ж_о, карбонатную Ж_к и некарбонатную Ж_ик жесткость.

Карбонатная жесткость Ж_к характеризуется содержанием в воде гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂ и гидрокарбонатов магния Mg(HCO₃)₂. Карбонатная жесткость удаляется нагреванием воды, поэтому ее называют также временной жесткостью. При нагревании воды гидрокарбонаты Са(НСО₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ постепенно переходят в малорастворимую форму солей — карбонаты СаСО₃ и MgCO₃, выпадающие в виде рыхлых осадков (шлама) и удаляемые при периодической продувке. Уравнения этих реакций следующие:

Количественно карбонатная жесткость равна концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺. которая соответствует удвоенной концентрации гидрокарбонат-ионов НСО₃.

Некарбонатная жесткость вызвана наличием в воде всех остальных, помимо гидрокарбонатов, солей кальция и магния (например, хлоридов СаСЬ, MgCl₂, сульфатов CaSO₄, MgSO₄, нитратов Ca(NO₃)₃, Mg(NO,)₂, различных силикатов и фосфатов кальция и магния и т.д.). Некарбонатная жесткость является неустранимой, она сохраняется при нагревании и кипячении, поэтому ее называют постоянной жесткостью. Соли постоянной жесткости образуют плотные отложения накипи. Количественно некарбонатная жесткость равна концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺ за вычетом временной (карбонатной) жесткости. В качестве анионов выбраны (условно) сульфат-ионы SO₄, хотя в воде могут также находиться, как бы по отмечено, хлориды, нитраты, различные си ликаты и фосфаты кальция и магния. Так как некарбонатную жесткость определяют через содержание CaSO₄ и MgSO₄, ее называют также сульфатной жесткостью.

Общая жесткость Ж_о характеризуется суммарным содержанием в воде всех солей кальция и магния (хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, нитратов, силикатов), т.е. складывается из карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости:

Ж_о = Ж_к + Ж_нк.

Количественно общую жесткость воды характеризуют через суммарное содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺, выраженное в ммоль/кг. По жесткости все природные воды делятся на мягкие (общая жесткость менее 2 ммоль/кг) и жесткие со средней степенью жесткости (2... 10 ммоль/кг) и высокой степенью жесткости (более 10 ммоль/кг). Для перевода количества вещества п, моль, в его массу m, кг, используют формулу пМ = т, где М — молярная масса конкретного вещества, кг/моль. Для рассматриваемых солей жесткость соответствует M(Са) = 40,08 кг/моль, M(Mg) = 24,32 кг/моль. Так как в химических процессах вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах, то на практике до сих пор широко используется понятие грамм-эквивалента — количество вещества в граммах, численно равное его химическому эквиваленту. Химический эквивалент — безразмерная величина, численно равная для водных растворов солей молярной концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺, приходящейся на вдвое большую молярную концентрацию НСО]. Таким образом, если используют единицу измерения жесткости мг-экв/кг (миллиграмм-эквивалент на 1 кг воды), то она соответствует содержанию в воде 20,04 мг иона Са²⁺ или 12,16 мг иона Mg²⁺.

Щелочность характеризуется наличием в воде щелочных соединений (NaOH — едкий натр, Na₂CO₃ — кальцинированная сода. NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, Na₃PO₄ — тринатрий-фосфат и др.).

Общая щелочность Щ_о складывается из суммы Щ_г (гидратная щелочность), Щ_[К (гидрокарбонатная), Щ_к (карбонатная), т.е.

Щелочность воды, как и ее кислотность, определяется водородным показателем рН. Вода является очень слабым электролитом, и ее диссоциация происходит по реакции Н₂О↔ Н⁺ + ОН . При температуре 25 ⁰С в чистой воде концентрация ионов водорода С_н+равна концентрации гидроксид-ионов С_он-, и в свою очередь они равны: С_н+ = С_он = 10^-7 моль/л. Такая среда называется нейтральной. Десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, назван водородным показателем рН, т.е. рН = -Ig[H⁺]. Таким образом, для нейтральной среды рН = -lg| 10^-7| = 7.

В кислой среде С_н+> С_он- и рН < 7, а в щелочной среде С_Н+<С_ОН- и рН > 7.

Окисляемость воды характеризуется наличием в ней органических соединений. С достаточной степенью точности ее можно определить также по потере массы сухого остатка, сожженного при 800 ⁰С. Важное значение для характеристики качества воды имеет также наличие кремнийсодержащих ионов. Присутствие растворенных в воде газов О₂ и СО₂ определяет в основном ее коррозионные свойства.

Вода, подготовленная для питания котла, не должна давать отложений шлама и накипи, разъедать внутренние стенки труб поверхностей нагрева, а также вспениваться.

3.2 Влияние качества воды на работу котла.

Наличие примесей в питательной воде приводит к явлениям, существенно усложняющим работу котельного агрегата. В первую очередь следует выделить накипеобразование, загрязнение пароперегревателей и турбин, внутреннюю коррозию в трубах.

Накипеобразование на внутренней поверхности обогреваемых труб относится к наиболее нежелательным явлениям. При появлении накипи толщиной δ_Н на внутренней поверхности труб повышается температура стенки t_ст на наружной обогреваемой поверхности металла по причине низкой теплопроводности накипи λ_H.

Даже весьма небольшой слой накипи приводит к весьма существенному повышению температуры металла труб и их разрыву из-за потери механической прочности, что считается тяжелой аварией в котлоагрегате.

Растворение веществ в воде приводит к полной или частичной их диссоциации с образованием соответствующих ионов. Питательная вода содержит в основном следующие ионы: катионы Na⁺, Са²⁺. Mg²⁺ и анионы ОН^- , Сl^-, SO^2- СО^2-₃, (HSiO₃)^-. Ион натрия Na⁺легко образуется при растворении в воде многих природных соединений, в их числе соли — хлорид натрия (поваренная соль) NaCl, сульфат натрия (глауберова соль) Na₂SO₄, карбонат натрия (кальцинированная сода) Na₂CO₃, гидроксид натрия (каустическая сода, натровый щелок) NaOH и др.

При соприкосновении воды с горячей стенкой трубы в поверхностном слое вследствие испарения воды достигается состояние насыщения, и избыток вещества выпадает из раствора в осадок, образуя на стенке трубы твердые и плотные отложения — накипь. Очень твердую накипь дают силикаты CaSiO₃, и сульфаты CaSO₄кальция.

Внутренние загрязнения на трубах пароперегревателей и лопатках турбин появляются при выносе солей из барабана котла с часточками влаги и вследствие растворимости некоторых солей в паре. Особая роль в загрязнении пароперегревателя и турбин принадлежит кремнекислотам (их общая формула mSiO₂·nH₂O). С увеличением давления растворимость в паре кремнекислот возрастает. Поэтому с повышением давления пара более 10 МПа значительно возрастают требования к чистоте воды и пара по их содержанию, например по содержанию ортокремниевой кислоты H₄SiO₄, молекулы которой образуют цепи, давая сначала вязкий осадок в виде геля (со временем формируется пористое вещество — силикагель).

В барабанах котлов и экранных трубах наблюдается щелочная коррозия, определяемая концентрацией щелочи NaOH, достигающей опасных значений при выпаривании котловой воды. Особенно активно коррозия протекает под слоем непрочных отложений (накипи и шлама).

Распространенным видом коррозии является кислородная коррозия. Свободный кислород, содержащийся в воде, электрохимически взаимодействует с металлом и вызывает его разрушение. Наиболее подвержены кислородной коррозии внутренние поверхности труб экономайзеров.

3.3 Основные нормы качества воды.

Водно-химический режим работы котла должен обеспечивать надежность всей системы, включая питательный тракт, без повреждения элементов из-за отложений накипи и шлама, повышения относительной щелочности (т.е. доли свободного едкого натра NaOH в общем солевом составе котловой воды) до опасных пределов или коррозии металла.

Все паровые котлы с естественной и многократной принудительной циркуляцией паропроизводительностью 0,7 т/ч и более, все паровые прямоточные котлы, а также все водогрейные котлы должны быть оборудованы установками для докотловой обработки воды. Выбор способа обработки воды для питания котлов осуществляет проектная организация.

На основании теплотехнических испытаний котлов и длительного опыта их эксплуатации установлены нормы качества питательной воды для водотрубных котлов с естественной циркуляцией (табл. 9.1), сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов (табл. 9.2).

Качество подпиточной и сетевой воды водогрейных котлов должно удовлетворять требованиям, указанным в табл. 9.2.

Нормы качества котловой воды, необходимый режим ее коррекционной обработки, режимы непрерывной и периодической продувок принимаются на основании инструкции предприятия изготовителя котла, типовых инструкций по ведению водно-химического режима и других ведомственных нормативных документов или на основании результатов теплотехнических испытаний.

Качество пара зависит от его влажности и концентрации загрязняющих котловую воду веществ. Насыщенный пар должен отвечать нормам, приведенным в табл. 9.3. В паре ограничивается содержание растворимых соединений натрия, а также свободной углекислоты Н₂СО_Ъ которая легко распадается на СО₂ и Н₂О.

Таблица 9.1 Нормы качества питательной воды водотрубных промышленных паровых котлов

Показатель	Рабочее давление, МПа
	0,9	1,4	2,4	4,0
Прозрачность по шрифту, см, не менее					-
Обшая жесткость, мкг-экв/кг	30/40	15/20	10/15	5/10	1/3
Содержание соединений железа (в перссчете на Fe), мкг/кг	Не нормируется	300/Не нормируется	100/200	5/100	20/30
Содержание соединений меди (в пересчете на Си), мкг/кг	Не нормируется	10/Не нормируется	5 5
Содержание растворенного кислорода (для котлов с паропроизводительностью 2 т/ч и более), мкг/кг	50/100	30/50	20/50	20/50	10/10
Значение рН при 25 °С	8,5... 10,5	9,1±0,1
Содержание нефтепродуктов, мг/кг				0,5	0,3

Примечание. В числителе указаны значения для котлов, работающих на жидком топливе, в знаменателе — на других видах топлива.

Таблица 9.2 Нормы качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов

Показатель	Система теплоснабжения
открытая	закрытая
Температура сетевой воды, "С

Прозрачность по шрифту, см, не менее
Карбонатная жесткость, mkг-экв/кг,при рН не более 8,5	800	750	375	800	750	375
Карбонатная жесткость, мкг-экв/кг, при рН более 8,5	Не допускается	По расчету ГОСТ 108.030.47—81
Содержание растворенного кислорода, мкг/кг
Содержание соединений железа (в пересчете на Fe), мкг/кг	300 -	200	250	600	500 400	375 300
Значение рН при 25 ⁰С	7...8.5	7... И
Содержание нефтепродуктов, мг/кг	1,0

Таблица 9.3 Предельные значения содержания примесей в насыщенном паре котлов с естественной циркуляцией

Показатель	Давление в котле, МПа
промышленном	энергетическом
	ТЭЦ	кэс
1,4	2,4	4,0	4,0	4,0
Солесодержание (в пересчете на NaCl), мкг/кг
Содержание свободной углекислоты, мкг/ki
Содержание свободного аммиака, не связанного углекислотой	Не допускается

3.4 Удаление механических примесей и коллоидных веществ из вод.

В природной воде наряду с растворенными могут находиться минеральные и органические примеси, значительно различающиеся по крупности частиц. Для удаления веществ, находящихся во взвешенном состоянии, используют методы отстаивания, фильтрования, коагуляции. Отстаивание проводят в отстойниках, длительность процесса зависит от плотности частиц, их размера и формы. Объем отстойника обычно соответствует полуторной или удвоенной часовой производительности. Скорость осаждения мелких частиц невелика, и поэтому воду после отстаивания подвергают дальнейшему осветлению — фильтрованию.

Фильтрование заключается в пропускании воды через слой мелкозернистого материала (кварцевого песка, мрамора, доломита, антрацита) с размером частиц 0,6... 1мм, которым заполняют закрытые напорные фильтры.

Значительно быстрее и полнее процессы отстаивания и фильтрования протекают при коагуляции, сущность которой заключается в укрупнении наиболее мелких коллоидных частиц и выделении их наряду со взвесями в осадок при добавлении к воде специальных реагентов-коагулянтов.

Наиболее эффективными коагулянтами являются соли алюминия и железа - сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃, сульфат железа FeSO₄·7H₂O и хлорное железо FeCl₃·6H₂О.

Доза коагулянта составляет, например, для сульфата алюминия 30...150 г коагулянта на 1 м³ воды. Коагуляция протекает наиболее полно при температуре воды 35...40°С. В результате коагуляции содержание органических веществ в воде может быть снижено на 60...80%, а кремниевой кислоты — на 25...40%.

Осветлительный фильтр представляет собой цилиндрический металлический резервуар с эллиптическими днищами, в котором на дренажном расширительном устройстве располагается слой фильтрующего материала. Вода после предварительного отстаивания и коагуляции или непосредственно в смеси с коагулянтом поступает в верхнюю часть фильтра через дырчатое распределительное устройство. Просачиваясь со скоростью 12...15 м/ч через фильтрующий материал с высотой слоя 800...1200 мм, вода оставляет на его наружной поверхности и поверхности фильтра в толще взвешенные вещества и хлопья коагулянта, осветляется, после чего через дренажную систему она отводится в бак. В процессе фильтрации (обычно в течение 5...6 ч) фильтрующий материал загрязняется осадком, т.е. требуется его периодическая очистка. Фильтрацию через зафязненный фильтр приостанавливают и промывают его потоком чистой отфильтрованной воды, направленным снизу вверх. Для улучшения качества промывки фильтрующего материала его «взрыхляют» сжатым воздухом, подаваемым снизу под фильтрующий материал. Осветлительный фильтр имеет два люка для загрузки фильтрующего материала, осмотра и ремонта фильтра.

3.5 Основные методы умягчения и обессоливание воды.

Умягчение воды проводят методом осаждения и методом ионного обмена. Метод осаждения заключается в том, что присутствующие в обрабатываемой воде в растворенном состоянии накипеобразующие катионы (Са²⁺, Mg²⁺) в результате химического взаимодействия их с вводимыми в воду реагентами (известь, сода и т.д.) или в результате термического их разложения образуют новые соединения, малорастворимые в воде и поэтому выделяющиеся из нее в твердом состоянии. Образованные таким путем вещества удаляют затем из воды в процессе отстаивания и фильтрования. При умягчении воды методом, получившим название «содово-известковый», не удается получить достаточно глубокого умягчения воды, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил метод ионного обмена.

Обработка воды методом ионного обмена осуществляется в фильтрах через слой зернистого материала — ионита. В процессе фильтрования ионы солей, содержащихся в воде, заменяются ионами, которыми насыщен ионит. В качестве обменных ионов в практике водоподготовки применяются катионы натрия Na⁺, водорода Н⁺, аммония NH₄⁺, а также гидроксильные ОН^- и хлоридные Cl^- анионы.

Если зернистый материал ионита содержит катионы, он называется катионитом, а фильтрация воды через слой катионита — катионированием воды. При содержании в зернистом фильтрующем материале анионов его называют анионитом, а обработку воды — анионированием.

В зависимости от вида обменного катиона различают Na-катионирование и Н-катионирование.

При Na-катионитовом умягчении воды в результате реакций ионного обмена соли жесткости удаляются из воды, и в умягченную воду переходят соли натрия, обладающие высокой растворимостью.

В качестве катионита на установках умягчения воды в настоящее время используются относительно дешевые сульфированные угли (сульфоугли) и более дорогие синтетические смолы. Сульфоуголь получают при обработке бурого или каменного угля высококонцентрированной серной кислотой. Широкое распространение получил катионит КУ-2 на основе полистирольного синтетического материала.

Так, полная обменная способность сульфоугля составляет 500...600 г-экв/м³, а катионита КУ-2 - 1500...1700 г-экв/м³. Обычно рабочий цикл умягчения в катионитном фильтре продолжают до момента «проскока» в фильтрат солей жесткости, затем фильтрацию приостанавливают с целью регенерации фильтра.

Катионитный фильтр (рис. 9.1) состоит из цилиндрического корпуса 3 co сферическими днищами. Загрузку катионита в фильтр ведут через верхний люк 4, а выгрузку — через нижний 5. Высота слоя катионита в зависимости от жесткости исходной воды может достигать 3...4 м. На бетонной подушке 7 устанавливается дренажное устройство 6, предназначенное для равномерного распределения воды, проходящей по всему сечению фильтра. Оно состоит из коллекторов и системы труб, к которым приварены патрубки с резьбой. На них навинчиваются пластмассовые либо фарфоровые колпачки с отверстиями или щелями. Для равномерного распределения по поверхности катионита вода подается в фильтр через воронку 1, обращенную широким концом вверх. Регенерирующий раствор поступает в фильтр через кольцевую трубу 2, в которой имеется множество мелких отверстий.

Рис. 9.1. Кагионитный фильтр:

1 - воронка; 2 - кольцевая дырчатая трубка; 3 - корпус; 4 - верхний люк;

5 - нижний люк; 6 - дренажное устройство; 7- бетонная подушка;

8 - трубопровод для подачи воды на умягчение или раствора соли на регенерацию;

9 - катионит; 10 - трубка для отбора проб

Для регенерации фильтра предполагается выполнение следующих операций: взрыхление катионита, собственно регенерация и отмывка катионита.

Взрыхление проводят током воды снизу вверх с целью устранения спрессованное™ катионита, образовавшейся под давлением массы воды при ее фильтровании. Непосредственно регенерация заключается в пропуске сверху вниз регенерирующего раствора через слой катионита. При Na-катионировании регенерацию проводят 8... 10%-ым раствором поваренной соли NaCl. Ионы Na⁺, содержащиеся в регенерирующем растворе, вытесняют ионы Са²⁺ и Mg²⁺, которые были задержаны в процессе фильтрования. Вытесненные ионы переходят в раствор, а катионит, обогащаясь катионами Na⁺, восстанавливает свою обменную способность.

Отмывка катионита заключается в том, что током воды сверху вниз катионит очищается от избытка регенерирующего раствора и от продуктов регенерации, вытесняемых из катионита.

Регенерацию катионитных фильтров в зависимости от качества воды проводят 1—3 раза в сутки. Во время регенерации, которая занимает около 2 ч, воду пропускают через резервный фильтр.

Чистое Na-катионирование применяют только при умягчении воды с небольшой карбонатной жесткостью. Для умягчения воды с большой карбонатной жесткостью применяют совместное Na-H-катионирование.

Под обессоливанием воды понимают удаление из нее катионов и анионов растворенных веществ. Обессоливание воды по методу ионного обмена связано с использованием процесса анио-нирования наряду с рассмотренным ранее катионированием. Анио-ниты представляют собой искусственно приготовленные материалы. Они делятся на слабооснбвные и сильнооснбвные. Слабооснбвные аниониты способны к поглощению анионов только сильных кислот (SO^2-₄ Cl^-, NО₃^-); анионы слабых кислот (HSiO₃^-, HCO₃^-) ими практически не задерживаются. Сильнооснбвные аниониты могут извлекать из водных растворов анионы сильных и слабых кислот.

При ионно-обменном способе обессоливания обрабатываемая вода проходит ряд ступеней очистки, каждая из которых предназначена для выполнения определенной функции. Число ступеней зависит от степени обессоливания воды. Анионирование может осуществляться при разных значениях рН обрабатываемой воды. Однако наиболее эффективно оно происходит в кислой среде, когда в воде присутствуют ионы водорода. Поэтому для достижения глубокого удаления анионов обрабатываемую воду обычно фильтруют через Н-катионит, а затем через анионит.

Регенерация анионитовых фильтров проводится фильтрованием через слой анионита раствора щелочи NaOH.

На рис. 9.2 приведены две схемы с частичным (а) и глубоким полным (б) обессоливанием: первая находит применение на электростанциях, оборудованных барабанными котлами высокого (10, 14 МПа) давления, вторая является основной для современных блочных электростанций с прямоточными котельными агрегатами сверхкритического давления. В схеме частичного обессоливания (см. рис. 9.3, а) вода поступает в механический фильтр М, затем на катиоиигные (водородные) фильтры первой Н₁, и второй Н₂ ступеней для удаления катионов (Са²⁺, Mg²⁺. Na⁺, NH₄⁺ и др.), после которых воду направляют в декарбонизатор Д. Из декарбо-низатора вода поступает в анионитный фильтр А₂, заряженный сильноосновным анионитом.

Рис. 9.3. Установки с частичным (а) и полным (б) обессоливанием:

М, Н₁, Н₂ - механический, водородный первой и второй ступеней фильтры;

Д — декарбонизатор; А₁, А₂ - анионитные фильтры первый и второй; СО₂ - удаление газа (диоксида углерода); ФСД - фильтр смешанного действия; Ос - осветлитель

В фильтры Н₁ большей частью загружают сульфоуголь СК-1, а в фильтры Н₂ - катионит КУ-2. Анионитные фильтры А₁, заполняют слабоосновным анионитом АВ-31, а А₂ - анионитом АВ-17.

В схеме с полным обессоливанием (см. рис. 9.3, б) вода поступает в осветлитель Ос, из которого далее направляется в сборный бак. Из бака воду насосом подают в механический фильтр М, а затем в Н₁-катионитный фильтр и декарбонизатор Д.

Из декарбонизатора насосом воду подают в последовательно расположенные слабооенбвный анионитный фильтр А₁, Н₂-катионитный фильтр и сильнооенбвный анионитный фильтр А₂. В данной схеме предусмотрена третья ступень очистки в фильтре смешанного действия ФСД, заменяющего соответственно Н₃-катионитный и А₃-анионитный фильтры.

Лекция №10 (2 часа)

Тема: «Питательные устройства и арматура»

1 Вопросы лекции:

1.1 Центробежные насосы.

1.2 Инжекторы.

1.3 Классификация арматуры котельного агрегата.

1.4 Запорная арматура.

1.5 Предохранительные, обратные и регулирующие клапаны.

1.6 Водоуказательные приборы.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Центробежные насосы.

Для питания котлов, подпитки и циркуляции воды в системе отопления применяются центробежные и поршневые насосы с электрическим или паровым приводом, пароструйные инжекторы, насосы с ручным приводом и водопроводная сеть.

Широкое применение в котельных получили центробежные насосы. Насос типа К (рис. 10.1) является горизонтальным одноступенчатым с односторонним всасыванием. Он состоит из чугунного корпуса 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде улитки с диффузорным каналом, крышки 2, исполненной заодно с нагнетательным патрубком 3. Крышка шпильками крепится к корпусу. Нагнетательный (напорный) патрубок 3 расположен под углом 90° к оси насоса. Рабочее колесо 4 с лопатками закреплено на конце вала 5. Возникающее во время работы насоса усилие воспринимается подшипниками, расположенными в масляной ванне 8. Для предотвращения утечки воды из насоса используется сальниковое уплотнение 9. Вал 5 насоса соединяется с валом электродвигателя 7 с помощью муфты 6.

Рис. 10.1. Центробежный насос типа К:

1 — корпус; 2 — крышка корпуса; 3 — нагнетательный патрубок; 4 — рабочее

колесо; 5 — вал; 6 — муфта; 7 — электродвигатель; 8 — масляная ванна; 9 —

сальниковое уплотнение; 10 — всасывающий патрубок

Рис. 10.2. Схема установки центробежного насоса:

1— напорный трубопровод; 2— перепускное устройство — байпас;

3 — лопастное колесо; 4 — кожух-улитка; 5— приемный клапан с сеткой;

6 — всасывающий трубопровод; 7 — запорное устройство на всасывающем трубопроводе; 8 — термометр; 9 — вакуумметр; 10 — запорное устройство на нагнетательном трубопроводе; 11 — обратный клапан; 12 — манометр; 13 — воронка для заливки насоса

Вода через всасывающий патрубок 10 поступает в насос и при вращении рабочего колеса 4 под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам насоса и через нагнетательный патрубок 3 подается в напорную линию.

В самой высокой точке корпуса имеется закрытое пробкой отверстие для выпуска воздуха из корпуса и всасывающего патрубка в момент заливки насоса водой при первоначальном пуске. При продолжительном останове вода сливается из насоса через отверстие в нижней части корпуса, также закрытое пробкой.

Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, создают сравнительно небольшой напор (от 12 до 55 м вод. ст.) и обеспечивают производительность 6,7... 160 м³/ч. Многоступенчатые насосы имеют от 3 до 12 ступеней (рабочих колес) и создают большой напор. Производительность их зависит от диаметра рабочих колес и скорости вращения.

На центробежных насосах устанавливается следующая арматура и КИП:

– на всасывающей линии — приемный клапан 5 (рис. 10.2) с сеткой, запорное устройство 7, термометр 8, вакуумметр 9;

– на нагнетательной линии — запорное устройство 10, обратный клапан 11, манометр 12.

Для предупреждения перегрева и повреждения насоса при отсутствии расхода воды служит рециркуляционный трубопровод с вентилем.

Перед пуском насоса необходимо провести осмотр, проверить наличие смазки в подшипниках, набивку сальников, отсутствие заедания при проворачивании рабочего колеса. Чтобы пустить насос в работу, необходимо залить его и всасывающий трубопровод через воронку 13 водой, открыть запорное устройство 7 на всасывающем трубопроводе, закрыть запорное устройство 10 на нагнетательном трубопроводе, включить электродвигатель и через 40...50 с, открывая запорное устройство на нагнетательном трубопроводе, установить заданное давление.

Во время работы насосов необходимо следить за температурой подшипников, которая не должна превышать 60...70 °С, состоянием упругой муфты, сальниковой набивки, показаниями манометра, термометра, вакуумметра.

Операции с целью останова насоса следует выполнять в следующей последовательности: закрыть запорное устройство 10 на нагнетательном трубопроводе, выключить электродвигатель, закрыть запорное устройство 7 на всасывающем трубопроводе, слить воду из насоса и трубопровода.

Для перехода с рабочего насоса на резервный необходимо заполнить резервный насос водой, включить электродвигатель резервного насоса, одновременно на резервном насосе открыть, а на рабочем насосе закрыть запорную арматуру на нагнетательной линии; после закрытия запорного устройства на нагнетательном трубопроводе включить электродвигатель рабочего насоса; сделать запись в рабочем журнале о переходе с рабочего насоса на резервный с указанием времени.

К неисправностям центробежных насосов относятся:

– отсутствие смазки подшипников;

– утечка воды через сальниковые уплотнения;

– износ соединительной муфты;

– износ лопаток рабочего колеса;

– понижение давления, уменьшение расхода воды и КПД в результате кавитации.

Кавитация в насосах происходит вследствие падения давления на всасывающей стороне насоса, которое приводит к вскипанию воды и образованию в жидкости пустот, заполненных паром. Пузырьки пара, двигаясь вместе с водой по лопаткам рабочего колеса, попадают в область более высоких давлений, где происходит их резкая конденсация. Пузырьки пара резко уменьшаются в объеме, и жидкость, стремясь занять освободившееся пространство, приобретает в этих местах большую скорость. В итоге за счет кавитации давление достигает сотен атмосфер, возникают сильные местные гидравлические удары жидкости о стенки корпуса и лопатки рабочего колеса. Разрушение происходит настолько энергично, что насос выходит из строя буквально через несколько суток.

3.2 Инжекторы.

Для питания котлов в небольших котельных в ряде случаев применяются инжекторы. Инжектор (рис. 10.3) — это пароструйный насос, в котором струя пара, поступающая с большой скоростью, подсасывает воду и подает ее в котел. При повороте рукоятки / в положение «Пуск» пусковой клапан #приподнимается и открывает доступ пара в суживающийся паровой конус 2 инжектора. Пар, выходя из парового конуса с большой скоростью, создает вокруг сопла разрежение, и вода засасывается в инжектор. Далее вода поступает в смесительный конус 3, где пар перемешивается с водой и конденсируется, нагревая при этом воду. Смесительный конус также суживается, вследствие чего скорость питательной воды при выходе из него возрастает. Питательная вода из смесительного конуса поступает в расширяющийся нагнетательный конус 5, где скорость ее уменьшается, а давление увеличивается настолько, что становится выше, чем в котле. При этом открывается обратный питательный клапан 6 и вода поступает в котел.

В начале пуска инжектора пар увлекает с собой воздух и поэтому не конденсируется, пока не засосется вода. В этот период между смесительным и нагнетательными конусами создается избыточное давление, и вода в смеси с паром выбрасывается через вестовой клапан 4 в вестовую трубу. Затем, когда воздух будет вытеснен из инжектора и в него засосется вода, пар начнет конденсироваться в смесительной полости, и за счет большой скорости горячей воды на выходе из смесительного конуса вокруг него возникнет разрежение, под действием которого вестовой клапан присосется к седлу, а вода направиться в котел. Во избежание срыва работы инжекторов температура питательной воды должна быть не выше 40 ⁰С и высота засасывания не более 2 м.

Рис. 10.3. Инжектор:

1 — рукоятка пускового клапана; 2, 3 и 5 — паровой, смесительный и нагнетательный конусы; 4, 6 и 8 — вестовой, обратный и пусковой игольчатый клапаны; 7— корпус инжектора

3.3 Классификация арматуры котельного агрегата.

Арматурой называют приборы и предохранительные устройства, обеспечивающие безопасную и безаварийную работу котла, а также устройства, служащие для управления и регулирования котельного агрегата.

Для выполнения этих задач котлы должны быть оснащены следующим оборудованием:

– устройствами, предохраняющими от повышения давления
(предохранительными устройствами);

– указателями уровня воды;

– манометрами;

– запорной и регулирующей арматурой.

Арматура, применяемая для трубопроводов воды и водяного пара, в зависимости от назначения подразделяется на четыре класса: запорная, регулирующая, предохранительная и контрольная.

Запорная арматура служит только для герметичного отключения котельного агрегата или его элементов, а также отдельных участков или всего трубопровода от сети. К запорной арматуре относятся задвижки, вентили и краны.

Регулирующая арматура предназначена для изменения или поддержания заданного давления или расхода среды. К такой арматуре относятся регулировочные вентили, дроссельные клапаны, питательные клапаны, приборы для автоматического регулирования. Следует отметить, что использовать для регулирования запорную арматуру нежелательно, так как вследствие большой скорости рабочей среды, образующейся при дросселировании, детали запорных органов быстро изнашиваются.

Предохранительная арматура служит для ограничения давления, расхода и направления движения среды. К ней относятся предохранительные клапаны на питательных линиях, паропроводах, барабанах, обратные клапаны на питательных линиях.

К контрольной арматуре относятся указатели уровня воды и пробкоспускные краны.

Материалы для изготовления арматуры выбирают в зависимости от давления и температуры рабочей среды. Для низкого давления (до 2,4 МПа) и температуры среды по 300 ⁰С корпусы и крышки арматуры можно изготовлять из чугуна. Арматуру, предназначенную для воды под более высоким давлением, исполняют из стали.

3.4 Запорная арматура.

Запорная арматура должна обеспечивать плотность отключения в закрытом состоянии и оказывать минимальное сопротивление протекающей среде в открытом состоянии. В качестве запорной арматуры применяют задвижки и вентили. Задвижки имеют относительно небольшое гидравлическое сопротивление, требуют меньшего, чем вентили, усилия на открывание и закрывание, допускают протекание среды в обоих направлениях, имеют меньшую длину корпуса, могут быть изготовлены большого проходного сечения. К недостаткам задвижек относятся: более сложная, чем у вентилей, конструкция, быстрый износ уплотнительных поверхностей затвора и больший подъем затвора при полном открывании, что увеличивает их габариты. Соответственно с этим вентили как запорные органы применяют преимущественно при небольшом проходном сечении (диаметр трубопровода до 100 мм), когда требуется большая плотность отключения (например, для дренажных и спускных трубопроводов), и в основном они используются в качестве регулирующих органов.

На рис. 10.4, а показан наиболее распространенный тип вентиля низкого и среднего давления. Он состоит из корпуса 4, в который запрессовано стальное или бронзовое кольцо (седло 5), и клапана (тарелки) 6, соединенного со шпинделем 7. На конце шпинделя имеется резьба, с помощью которой он при вращении маховика / во время закрывания или открывания вентиля ввинчивается в траверсу 9. Присоединение запорного вентиля к трубопроводу осуществляется с помощью фланцев 3.

На рис. 10.4, б показан запорный вентиль высокого давления без фланцев; он крепится к трубопроводам посредством сварки.

Расход пара (или воды), проходящего через вентиль, регулируется подъемом или опусканием клапана. Движение среды через вентиль может осуществляться в любом направлении и зависит лишь от удобства его открывания или закрывания. Если жидкость или пар подводится под клапан, то это значительно облегчает открывание вентиля и, кроме того, разгружает сальниковое уплотнение от давления при полном его закрывании. Однако, при таком способе подвода среды требуется большое усилие для полного закрывания вентиля.

Если жидкость или пар подается на клапан вентиля, то плотность его закрывания увеличивается и несколько затрудняется начальное открывание из-за давления среды на клапан. Это является главным недостатком такого способа подвода жидкости или пара.

Рис. 10.4. Вентили запорные:

а — фланцевый низкого и среднего давления; 6 — высокого давления, бесфланцевый;

1 — маховик; 2 — сальниковое уплотнение; 3 — фланец; 4 — корпус; 5 — седло;

6 — клапан (тарелка); 7 — шпиндель; 8 — крышка; 9 — траверса; 10 -втулка;

11 — разгрузочный клапан: 12 — шестерня

В арматуре малого диаметра вода и пар обычно подводятся под клапан. У большинства вентилей, наоборот, подача осуществляется на клапан. Для облегчения открывания крупных вентилей применяют разгрузочные обводные (байпасные) линии малого диаметра, служащие для выравнивания давления среды до и после вентиля. Прежде чем открыть основной вентиль, открывают байпас и после того, как в трубопроводе до и после вентиля установится одинаковое давление, приступают к открыванию основного вентиля.

Для этой же цели некоторые вентили выполняются с расположенными на одном шпинделе двумя клапанами (тарелками), один из которых имеет меньший размер и устанавливается в средней части большого клапана (рис. 10.4, б). При подъеме шпинделя сначала поднимается малый разгрузочный клапан 11 на определенную высоту, а затем после выравнивания давления при дальнейшем открывании вентиля поднимается большой клапан 6.

Для облегчения открывания вентиля привод шпинделя осуществлен через две цилиндрические шестерни 12 от маховика диаметром до 500 мм.

При эксплуатации каждый вентиль должен обеспечивать полное перекрывание трубопроводов. Для этого необходимо, чтобы клапан опускался на седло равномерно, без перекосов. Если вентиль «пропускает» вследствие неполного перекрывания сечения трубы, необходимо выяснить причину и устранить ее. Причинами неполного перекрывания могут быть попадание постороннего тела между клапаном и седлом, износ седла или клапана, образование раковин и поперечных рисок и т.д. При обнаружении неплотностей прежде всего следует немного приоткрыть вентиль и снова закрыть его. Если причиной неплотного закрывания был посторонний предмет, то поток может его смыть.

Вентиль является надежным запорным и регулирующим органом. Однако он создает большое сопротивление потоку среды вследствие резкого двукратного изменения направления ее движения.

На электростанциях и в котельных нашли широкое применение задвижки, которые создают значительно меньшее сопротивление потоку среды, чем вентили. Жидкость или пар к задвижкам подводятся с любой стороны.

Задвижки могут иметь различные затворы (параллельные и клиновые), выдвижные и невыдвижные шпиндели.

На рис. 10.5, а приведена нормальная задвижка с параллельными уплотнительными дисками. Задвижка состоит из чугунного корпуса 7, крышки 8, нарезной втулки, маховика 1, выдвижного шпинделя 3, уплотнительных колец 4 и дисков 5. Между дисками устанавливается распорное устройство 6. При вращении маховика по часовой стрелке шпиндель вместе с дисками опускается, распорное устройство упирается в нижнюю часть корпуса и раздвигает диски, плотно прижимая их к уплотнительным кольцам и закрывая проход воде или пару. В задвижках с выдвижным шпинделем шпиндель и маховик имеют квадратную резьбу, и при вращении маховика шпиндель вывинчивается или ввинчивается в него, увлекая за собой диски.

Согласно Правилам Госгортехнадзора России у всех вновь устанавливаемых стационарных котлов паропроизводительносгью более 4 т/ч управление парозапорными органами должно осуществляться дистанционно с рабочего места машиниста котла. На электростанциях или в больших отопительных котельных часто применяются задвижки или вентили с электрическим приводом, позволяющим открывать или закрывать их дистанционно. На рис. 10.5, б приведена бесфланцевая задвижка высокого давления с дистанционным приводом. Бесфланцевая арматура непосредственно приваривается к трубопроводу.

В клиновых задвижках с невыдвижным шпинделем 5 (рис. 10.5, в) последний вращается вместе с маховиком 1. На конце шпинделя 3 имеется резьба, которая входит в нарезную втулку 13, расположенную в верхней части клинового затвора 14. При вращении маховика шпиндель 3 из-за имеющегося на нем буртика 12 не может подняться и будет вращаться вместе с маховиком. При этом нарезная втулка 13 будет вращаться по его резьбе, поднимая или опуская затвор 14 задвижки.

Рис. 10.5. Задвижки:

а — нормальная с параллельными уплотнительными дисками и выдвижным шпинделем;

б — бесфланцевая высокого давления с дистанционным приводом;

в — клиновая с невыдвижным шпинделем;

1 — маховик; 2 — сальниковая набивка; 3 — шпиндель; 4 — уплотнительные кольца;

5 — уплогнительные диски; 6 — распорное устройство; 7 — корпус: 8— крышка;

9— траверса; 10— шарнир; // — зубчатая передача; 12 — буртик; 13 — нарезная втулка; 14 — клиновой затвор

Для надежной работы арматуры очень важно, чтобы место прохода шпинделя было тщательно обработано (отшлифовано) и уплотнено. Уплотнение достигается при помощи сальниковой набивки 2 и грундбуксы (сальникового уплотнения). Грундбукса с внешней стороны имеет резьбу, при помощи которой она ввинчивается в крышку и, таким образом, уплотняет набивку.

В качестве запорного устройства для низкого давления среды (0,3...0,5 МПа) применяются пробковые краны. Краны предназначены для быстрого открывания и закрывания прохода в трубопроводе, а также для регулирования расхода. Пробковые краны по способу уплотнения бывают натяжные (рис. 10.6, а) и сальниковые (рис. 10.6, б); по способу соединения — муфтовые, фланцевые и цапковые; по материалу корпуса и пробки — чугунные, бронзовые и комбинированные (чугунный корпус с бронзовой пробкой).

Основными элементами кранов являются корпус 1 и коническая пробка 2 с отверстием для прохода газа. На четырехгранной головке 3 под ключ наносится риска, совпадающая с направлением отверстия в пробке. Если риска на головке совпадает с направлением трубопровода, на котором установлен кран, то проход для среды открыт, а если риска направлена поперек трубопровода, то проход закрыт.

Рис. 10.6. Краны:

а — натяжной газовый муфтовый; 6— сальниковый;

1— корпус; 2— пробка; 3- четырехгранная головка; 4 — шайба; 5 — гайка;

6 — шпилька с резьбой; 7 -опорное кольцо; 8 — сальниковая набивка;

9 — крышка сальника; 10 — болт

В натяжных кранах в нижней части пробки есть шпилька 6 с резьбой (см. рис. 10.6, а), на которую надевается шайба 4 и накручивается гайка 5. Плотность в этих кранах обеспечивается натяжением гайки. Краны, устанавливаемые на газопроводах, должны иметь упоры, ограничивающие поворот пробки в границах 90°.

Плотность в сальниковых кранах обеспечивается сальниковой набивкой 8. Уплотнение ее осуществляется затягиванием сальника с помощью крышки 9 сальника. Для облегчения разборки сальникового крана в нижней части корпуса устанавливается отжимной болт 10.

В самосмазывающихся кранах (рис. 10.7) на конусных или цилиндрических уплотнительных поверхностях корпусов и пробок имеются канавки 4. При заполнении канавок смазкой снижаются давление, необходимое для герметичного закрытия прохода, и усилие, необходимое для поворота пробки. Периодическая подача смазки в канавки корпуса 6 и пробки 5 осуществляется нажимным болтом 1.

Трехходовой кран (рис. 10.8) устанавливается между манометром и сифонной трубкой, которая защищает трубчатую пружину манометра от чрезмерного нагрева при измерении давления пара или горячей воды. На ручке трехходового крана в виде буквы Т нанесены риски, совпадающие с направлениями каналов в пробке. Поворотом ручки, можно поставить кран в следующие положения:

– рабочее положение — манометр соединен с источником давления (барабан котла, трубопровод и т.д.);

– проверка рабочего манометра постановкой стрелки на нуль (манометр при этом соединен с атмосферой);

– проверка рабочего манометра контрольным (все отверстия в пробке при этом совпадают с отверстиями в корпусе крана);

– продувка сифонной трубки (источник давления соединен с атмосферой);

– нейтральное положение для охлаждения воды или конденсации пара в сифонной трубке (отверстия в пробке и корпусе не совпадают). В этом положении можно заменить неисправный манометр.

Рис. 10.7. Чугунный самосмазывающийся кран:

1— болт; 2 — шариковый клапан; 3 — прокладка; 4 — канавки; 5 — пробка;

6 — корпус

Рис. 10.7. Трехходовой кран:

а — положения 1— V трехходового крана; б — детали крана; в — крепление контрольного манометра для проверки рабочего манометра; I— рабочее положение;

II — постановка стрелки на ноль; III — продувка сифонной трубки; IV— промежуточное положение (набор конденсата в сифонной трубке); V— проверка рабочего манометра контрольным; 1— фланец для контрольного манометра; 2 — штуцер для манометра; 3— пробка крана: 4— риски; 5— ниппель для сифонной трубки;

6 — отверстия в пробке; 7 — гайка для затяжки пробки; 8 — скоба;

9 — контрольный манометр: 10 — сифонная трубка

3.5 Предохранительные, обратные и регулирующие клапаны.

Предохранительные клапаны обеспечивают автоматический выпуск пара или воды из котлов, пароперегревателей и отключаемых (по воде) экономайзеров, в которых давление поднялось выше нормы. Они делятся на рычажно-грузовые, пружинные и импульсные.

На каждом паровом и водогрейном котлах, отключаемых по рабочей среде экономайзеров, должно быть установлено не менее двух предохранительных клапанов (рабочий и контрольный). Предохранительные клапаны защищают котлы, пароперегреватели и водяные экономайзеры при превышении в них давления более чем на 10% расчетного (разрешенного).

В рычажном предохранительном клапане (рис. 10.8, а) выход пара из клапана закрывается тарелкой 8, которая грузом 3, закрепленным на рычаге 9, прижимается к седлу 7, вставленному в корпус 6. Направляющие ребра тарелки не дают ей перекашиваться относительно седла. Рычажный контрольный клапан после настройки заключают в кожух 1 и закрывают на замок 4. Для проверки работы клапана к рычагу прикрепляют цепочку 2, которую пропускают через крышку футляра. Для выхода пара в корпусе имеется отверстие.

Рис 10.8. Предохранительные клапаны:

а — рычажный грузовой; 6 — пружинный;

1 — кожух предохранительного клапана; 2 — цепочка для подрыва клапана; 3 — груз;

4 — замок; 5 — шток; 6 — корпус; 7— седло; 8 — тарелка; 9 — рычаг;

10 — нажимной винт; 11— пружина; 12 — ручка для открывания клапана

Предохранительные клапаны настраивают на рабочее давление при гидравлическом испытании и проверяют при растопке котла. После того как давление пара в паровом котле поднимется до рабочего, окончательно закрепляют грузы на рычагах или нажимные винты пружинных клапанов.

В пружинных предохранительных клапанах (рис. 10.8, б) давление на тарелку 8 создает пружина 11. Для настройки предохранительных клапанов на срабатывание при необходимом давлении используются нажимные винты 10.

Импульсные предохранительные клапаны устанавливаются на паровых котлах с рабочим давлением более 3,9 МПа.

Обратные клапаны пропускают среду только в одном направлении и предназначены для предотвращения движения среды в противоположном направлении. По устройству они делятся на подъемные и поворотные, по способу соединения с трубопроводом — на муфтовые и фланцевые.

Обратный подъемный клапан (рис. 10.9, а) состоит из корпуса 2, в круглое проходное отверстие которого впрессовано бронзовое седло 4, закрываемое клапанной тарелкой 3. Для плотного закрывания клапана тарелка притирается к седлу. Сверху обратного клапана расположена крышка, куда входит направляющий шток тарелки. При движении воды тарелка поднимается, проходное отверстие открывается, и вода проходит через клапан. При движении воды в обратном направлении тарелка опускается, и обратное движение воды прекращается.

Обратный поворотный клапан (рис. 10.9, б) состоит из корпуса 2 с шарнирно закрепленной тарелкой (захлопкой), которая под давлением движущейся среды поднимается, открывая проход для воды. При выключении насоса или аварийном снижении давления в питательном трубопроводе тарелка падает, клапан закрывается и обратное движение воды прекращается.

Подъемные клапаны применимы только на горизонтальных участках трубопроводов, поворотные — на горизонтальных и вертикальных.

Рис. 10.9. Обратные клапаны:

а - подъемный; б - поворотный;

1 - крышка корпуса; 2 - корпус; 3 - тарелка (захлопка); 4 - седло; стрелками показано направление движения потока

При автоматизации котельных установок для регулирования подачи питательной воды в котел используют регулирующие клапаны. Они бывают одно- и двухседельные. В двухседельном регулирующем клапане (рис. 10.10) тарелки 1 разгружены и для их перемещения требуется небольшое усилие.

Расход подаваемой воды регулируется путем вертикального перемещения шпинделя 2, связанного с внутренним 3 и наружным 4 рычагами. На конце наружного рычага установлен противовес — груз 6. Исполнительный механизм регулятора с помощью тяги 5 связан с наружным рычагом питательного клапана.

Рис. 10.10. Двухседельный регулирующий клапан:

1 - тарелка; 2 - шпиндель; 3, 4 - внутренний и наружный рычаги; 5 - тяга к

ручному или автоматическому дистанционному управлению; 6 - груз; стрелками

показано направление движения потока

3.6 Водоуказательные приборы.

Для определения уровня воды в барабане котла применяются водоуказательные стекла. На рис. 10.11 приведен водоуказательный прибор, имеющий плоское стекло 3 с гладкой смотровой поверхностью и призматическими рисками на противоположной поверхности. Стекло, вставленное в специальную металлическую рамку 2, соединено стальными трубками с паровым и водяным пространствами барабана. На трубках установлены три крана 1, 4, 5, позволяющие при продувке водоуказательного прибора соединить стекло соответственно с паровым и водяным пространствами барабана, а также с атмосферой.

На всех водоуказательных приборах против допустимых нижнего и верхнего уровней воды в барабане котла устанавливают неподвижные указатели.

Высота прозрачного элемента каждого указателя уровня воды должна превышать допустимые пределы уровня воды, но не менее чем на 25 мм с каждой стороны.

Указатели уровня воды прямого действия должны устанавливаться вертикально или с наклоном вперед под углом не более 30" и должны быть расположены и освещены так, чтобы уровень воды был хорошо виден с рабочего места оператора.

На паровых котлах с высоко расположенными водоуказательными приборами (более 6 м от пола котельной), когда затруднительно или даже невозможно наблюдение за уровнем воды в водоуказательном стекле, применяют сниженные указатели уровня. На них должны быть нанесены низший и высший допустимые уровни по водоуказательному стеклу, которое установлено на этом же котле.

Исправность сниженных указателей уровня проверяется сверкой с показаниями водоуказательных стекол прямого действия.

Рис. 10.11. Водоуказательный прибор с одним плоским стеклом: а — обший вид прибора:

1 — паровой кран; 2 —рамка; 3 — плоское стекло; 4 — водяной кран; 5 — продувочный кран; 6 — стекло

Лекция №11 (2 часа)

Тема: «Основные материалы и строительные конструкции. Абразивный износ, коррозия, загрязнение и очистка поверхности нагрева»

1 Вопросы лекции:

1.1 Основные материалы и строительные конструкции.

1.2 Обмуровочные материалы.

1.3 Теплоизоляционные материалы.

1.4 Фундаменты и каркасы.

1.5 Обмуровка.

1.6 Гарнитура.

1.7 Абразивный износ поверхности нагрева.

1.8 Коррозия поверхности нагрева.

1.9 Коррозия металла внутренних поверхностей нагрева.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Основные материалы и строительные конструкции.

Поверхности нагрева парогенераторов и водогрейных котлов, выполненные из металла, находятся под воздействием высоких температур, механических напряжений и агрессивной среды. В результате тяжелых условий работы металла парогенераторов и водогрейных котлов и особенно металла поверхностей нагрева, могут возникать явления ползучести, коррозии, изменения структуры и механических свойств.

При изготовлении деталей парогенераторов и в процессе эксплуатации в них возникают внутренние напряжения. Возникновение внутренних напряжений обусловлено неравномерным распределением пластических деформаций, которые могут вызываться неоднородной структурой металла, неравномерным нагревом и охлаждением, влиянием внешней нагрузки. Внутренние напряжения условно разделяют на остаточные и температурные. Остаточные напряжения появляются в процессе изготовления или монтажа (сварка, вальцовка листов или развальцовка труб, неправильная термическая обработка). Температурные напряжения возникают в толще металла при неравномерном обогреве деталей. Весьма значительные температурные напряжения возникают в трубах экранных и конвективных поверхностей нагрева. Это обусловлено значительной тепловой нагрузкой и высокой температурой наружной стенки труб. С увеличением тепловой нагрузки и толщины стенки труб температурные напряжения возрастают.

Основными металлами, применяемыми при изготовлении элементов парогенераторов и водогрейных котлов, а также их топочных устройств, являются сталь и чугун.

В котлостроении применяют углеродистые и легированные стали, т. е. такие, в которые для улучшения механических и физико-химических свойств добавлены другие металлы. Углеродистые стали более дешевы, чем легированные, и поэтому широко применяются. Углеродистые стали в зависимости от содержания вредных примесей, способа выплавки и степени однородности свойств разделяются на стали обыкновенного качества и стали качественные.

Легированные стали разделяются на низколегированные (до 3,5-4% легирующих элементов), среднелегированные (4-10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). В качестве присадок применяют молибден, никель, ванадий, вольфрам, алюминий, марганец, кремний, ниобий, бор, кобальт. Маркировка легированных сталей производится цифрами и буквами. Содержащиеся в стали легирующие элементы обозначаются русскими буквами: Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, М-молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Б - ниобий, Р - бор. Первые две цифры перед буквами соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Цифры, стоящие после букв, обозначают содержание легирующего элемента в стали в целых процентах. Если содержание легирующего элемента меньше 1%, цифры после букв не ставятся. Например, обозначение З0ХМ - низколегированная хромо- молибденовая сталь со средним содержанием углерода 0,30%, хрома менее 1% и молибдена менее 1%. Обозначение 12Х2МВ- низколегированная сталь со средним содержанием углерода 0,12%, хрома 2%, молибдена менее 1%, вольфрама менее 1%.

Трубы поверхности нагрева, работающие при температуре стенки, не большей 500° С, обычно изготовляют из углеродистой стали марки 20, у которой верхний предел содержания углерода составляет 0,24%. Для работы при более высоких температурах применяются трубы из легированной стали. Такие трубы могут применяться и для агрегатов, работающих при низких давлениях и температурах, но на агрессивных продуктах сгорания, вызывающих коррозию.

При изготовлении паропроводов трубы из углеродистой стали могут применяться только при температурах, не больших 450° С. Это требование обусловлено тем, что при разрушении паропровода последствия могут быть более тяжелыми, чем при разрушении трубы пароперегревателя или экранной и конвективной поверхности нагрева.

При изготовлении барабанов парогенераторов применяют листовую сталь и поковки. Барабаны котла, чаще всего вынесенные из зоны обогрева продуктами сгорания, могут изготовляться из углеродистой стали. Однако по технико-экономическим соображениям их делают иногда из легированных сталей.

Так, например, температура стенки барабана парогенератора высокого давления составляет 320-360 °С и его можно изготовлять из углеродистой стали. Но если барабан изготовить из легированной стали, предел текучести которой на 30-40% выше, чем у углеродистой, то можно значительно уменьшить толщину стенки барабана, что экономически целесообразно.

Чугун в зависимости от физико-механических и специальных свойств разделяется на серый, ковкий, жаростойкий, высокопрочный и т. д. Для труб поверхностей нагрева, коллекторов и камер экономайзеров, установленных на парогенераторах с избыточным давлением, не большим 2,25 МПа, допускается применение чугуна марки не ниже СЧ12-28 по ГОСТ 1412-70. Рабочее давление в экономайзере принимается на 25% большим рабочего давления в парогенераторе, на котором установлен экономайзер.

3.2 Обмуровочные материалы.

При выполнении обмуровки парогенераторов и водогрейных котлов применяются различные общестроительные, огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Для правильного конструирования, изготовления и эксплуатации обмуровки необходимо знать свойства применяемых материалов. Свойства материалов обычно разделяют на две группы: основные и специальные. Под основными свойствами понимают такие, которые имеют значе ние для всех случаев применения материала. Специальные свойства материала - это свойства, которые необходимо знать в том или ином частном случае при решении конкретных задач в условиях работы оборудования.

К основным свойствам относятся: физические (плотность, пористость), физико-химические (стойкость к различным средам), механические (прочность при сжатии или изгибе, упругость, пластичность, хрупкость).

К специальным свойствам относятся: тепловые (удельная теплоемкость, теплопроводность, морозостойкость, огнеупорность, шлакоустойчивость и т. д.), особые механические (истираемость, износ, усталость) и свойства, характеризующие воздействие воды и продуктов сгорания (водопоглощение, гигроскопичность, газопроницаемость).

Для обмуровочных материалов, применяемых в котлостроении, наибольшее значение имеют следующие свойства: плотность, пористость, прочность, упругость, пластичность, хрупкость, жесткость, эластичность, теплостойкость, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуроустойчивость, огнеупорность, термостойкость, шлакоустойчивость, газопроницаемость.

Под теплостойкостью материала понимают его способность выдерживать резкие колебания температуры без существенного изменения структуры. Теплостойкость выражается числом теплосмен, т. е. последовательных быстрых нагревов и охлаждений, которые материал выдерживает без остаточных деформаций. Изделия из рыхлых пористых материалов обладают высокой теплостойкостью, так как возникающие напряжения компенсируются упругостью материала.

Температуроустойчивостью называют способность материала сохранять свои свойства без существенных изменений при нагреве до определенной температуры. Эта температура характеризует область возможного применения материала.

Огнеупорностью называют способность материала сохранять свои механические и физические свойства при длительном воздействии температур выше 1580° С. По огнеупорности различают: изделия огнеупорные (от 1580 до 1770°С); высокоогнеупорные (от 1770 до 2000°С); высшей огнеупорности (выше 2000° С).

Термостойкостью называют способность огнеупорного материала противостоять растрескиванию при возникновении температурных напряжений. Растрескивание наблюдается при резком изменении температур и неравномерном нагреве отдельных участков, одностороннем нагреве или охлаждении обмуровки, различных коэффициентах расширения изделия (например, огнеупорного кирпича и шлаковых отложений). При изменении температуры в обмуровке дополнительно к срезывающим напряжениям возникают сжимающие и растягивающие напряжения. Если эти напряжения превысят сопротивление материала разрыву или срезу, происходит растрескивание материала.

Шлакоустойчивостью принято называть способность материала противостоять разрушающему химическому воздействию шлаков. Шлакоустойчивость характеризуют потерей массы материала при воздействии на него шлака в определенных условиях. Шлакоустойчивостью определяется долговечность обмуровки.

Газопроницаемостью называют свойство материала пропускать сквозь себя продукты сгорания или воздух. Газопроницаемость характеризуют коэффициентом газопроницаемости, под которым понимают количество газа (кг), проходящего в 1 ч сквозь слой материала толщиной 1 м при разности давлений 10 Па.

При выполнении обмуровки парогенераторов и водогрейных котлов применяются разнообразные строительные материалы: песок, строительная известь, глиняный кирпич, цемент, каустический магнезит и др.

Огнеупорные материалы используются главным образом для изготовления искусственных изделий: фасонного или нормального огнеупорного кирпича. Из различных огнеупорных материалов наибольшее применение в котельных установках имеют: шамотные, хромитовые, хромомагнезитовые, карборундовые.

Шамотные огнеупорные материалы состоят из кремнезема, содержание которого изменяется от 90 до 0%, и окиси алюминия, содержание которой изменяется от 10 до 100%. В зависимости от содержания компонентов шамотные огнеупорные материалы разделяются на следующие виды: полукислые кварцево-каолиновые, шамотноглинистые, шамотнокаолиновые и высокоглиноземистые.

Для обмуровки топок при сжигании газа и торфа применяются огнеупорные шамотные полукислые изделия. Они состоят из смеси каолина и кварца или глины и кварца при содержании кремнезема не менее 65%. Основным свойством этих изделий является высокая механическая прочность и постоянство объема при высоких температурах. Размягчение изделий, находящихся под нагрузкой, наступает при температурах 1300-1400 °С. При обмуровке газоходов парогенераторов могут применяться легковесные шамотные изделия, имеющие предельную температуру 1150-1250° С.

При выполнении обмуровочных работ пользуются различными растворными смесями. Растворная смесь состоит из вяжущего вещества, мелких заполнителей и воды. В зависимости от назначения различают следующие растворы: для кирпичной или каменной кладки; специальные; для заполнения швов при укладке кирпича или камня; для штукатурок и обмазок.

Огнеупорные растворы относятся к специальным и применяются при выполнении кладки из огнеупорного кирпича или фасонных изделий. Для укладки изделий из шамота применяются шамотные растворы, состоящие из молотого шамота и огнеупорной глины. Порошок из молотого шамота, огнеупорной глины с различными добавками носит название «мертель».

В последнее время многие элементы обмуровки выполняются из жароупорных бетонов. В состав бетона входят заполнители, тонкомолотые добавки и вяжущие вещества. В качестве заполнителей применяется шамотная щебенка или хромитовый железняк. Хромитовый железняк представляет собой руду с содержанием окиси хрома не ниже 38%. Кроме шамотной щебенки может применяться тонкомолотый шамот.

Для защиты отдельных элементов парогенераторов (барабанов, коллекторов экранов, выступающих в топочную камеру, опорных рам трубчатых воздухоподогревателей и др.) от воздействия высоких температур продуктов сгорания применяются огнеупорные массы, наносимые на эти элементы. Огнеупорные массы, наносимые механизированным способом, называются торкретными, а вручную - набивными. Для целей торкретирования обычно применяют бетонные смеси, приготовленные на связке из портландцемента с добавлением огнеупорной глины и жидкого стекла. Для шамотных набивных масс используется шамотный щебень, шамотный порошок и огнеупорная глина, которые затворяются на жидком стекле.

Для уменьшения газопроницаемости обмуровочной конструкции применяются различные обмазки и штукатурки. Общая толщина слоя обмазки обычно составляет 5-7 мм. Общий слой штукатурки обычно составляет не более 20 мм.

3.3 Теплоизоляционные материалы.

Теплоизоляционные материалы и изделия применяются в котлостроении для изоляции горячих поверхностей оборудования и при выполнении обмуровок, имеющих температуру до 900 °С.

Теплоизоляционные материалы должны иметь низкий коэффициент теплопроводности, низкую удельную теплоемкость, небольшую объемную массу, обладать достаточной механической прочностью и необходимой теплостойкостью, допускать возможность обработки и не вызывать коррозии металлов. Материалы, применяемые для тепловой изоляции, должны иметь пористое строение, так как воздух в состоянии покоя имеет наиболее низкий коэффициент теплопроводности.

В зависимости от происхождения теплоизоляционные материалы бывают органические и неорганические. Органические материалы имеют малую объемную массу и дешевы, но не выдерживают воздействия высоких температур и поэтому применяются для изоляции поверхностей с температурой не более 100° С. Неорганические материалы выдерживают более высокие температуры, не горят, не тлеют и не гниют.

Теплоизоляционные материалы могут применяться в виде сыпучих масс с добавкой и без добавки связывающих веществ, а также в виде штучных изделий (кирпичи, плиты, листы, рулоны, маты, матрацы, скорлупы и т. д.). Наиболее широко применяются: диатомит, трепел, асбест, асбестодиатомитовые и магнезиальные материалы.

Диатомиты представляют собой осадочные горные породы и состоят в основном из аморфного кремнезема. С увеличением примесей температурная устойчивость диатомитов уменьшается. Диатомиты могут применяться для температур до 900 °С.

Асбест представляет собой минерал, имеющий волокнистую структуру и способный расщепляться на отдельные эластичные волокна. Он выдерживает нагрев до 600 °С, не изменяя своих свойств. Для изоляции используется низкосортный асбест, содержащий в основном короткие волокна, а также асбест, получаемый в виде отходов от других производств. Для изоляции горячих поверхностей в чистом виде асбест не применяется. Чаще применяются смешанные формованные изделия (асбесто-магнезиальные, асбестодиатомитовые и др.). асбестовые сыпучие массы, мастичные и изоляционные цементы, различные смеси асбеста с минеральной ватой, органическим волокном и др.

Для изоляции наиболее часто применяется асбестовая ткань, асбестовый картон, асбестовая бумага, асбестовый шнур.

Из различных сыпучих теплоизоляционных материалов наиболее часто применяется вспученный перлит, вспученный вермикулит, совелитовый порошок, молотый диатомит, асбозурит, асботермит и др. В результате обжига перлита и последующей сортировки по фракциям получается вспученный перлитовый песок. Он используется как теплоизоляционный материал, как заполнитель и для засыпки в различных конструкциях обмуровки. Вспученный вермикулит получается в результате обжига природных гидратированных слюд. Из вермикулита изготовляют различные теплоизоляционные изделия, а также применяют его для засыпки при температурах изолируемой поверхности до 1100°С.

В настоящее время в качестве теплоизоляционного материала широко применяют совелит, представляющий собой смесь углекислых солей магния, кальция и распушенного асбеста. Исходным сырьем для изготовления сове- лита является доломит. Температура изолируемой поверхности при использовании совелита не должна превышать 500° С.

Теплоизоляционный материал, состоящий из стекловидных волокон, называется минеральной ватой. Минеральная вата получается расплавлением горных пород, шлака или стекла. Теплоизоляционные свойства минеральной ваты зависят от толщины волокон. Из минеральной ваты изготовляют войлок на битумной связке и синтетических смолах, маты, асбестоминераловатные плиты, формованные изделия и др. Предельная температура, при которой допустимо применение монтажных минераловатных матов, составляет 500° С.

3.4 Фундаменты и каркасы.

Фундамент воспринимает массу парогенератора или водогрейного котла, его обмуровки, каркаса и передает ее на грунт. Опорная площадь фундамента определяется из условия допустимого давления на основание и зависит от характера грунта. Фундамент парогенератора или водогрейного котла обычно не связывают с фундаментом здания, чтобы каждый из них имел независимую осадку. Глубина закладки фундамента выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить его устойчивость и минимальную осадку.

Высота фундамента может быть различной. Для парогенераторов горизонтальной ориентации фундамент чаще всего доводят до уровня земли. Для парогенераторов вертикальной ориентации - чаще всего до уровня второго этажа (площадка обслуживания). Выступающая из земли до второго этажа часть фундамента выполняется в виде рамной железобетонной конструкции. Под парогенератором размещают тягодутьевые устройства, газоходы и систему шлакозолоудаления.

Каркасом называют металлическую конструкцию, предназначенную для поддержания барабана и трубной системы с водой, а иногда и обмуровки парогенератора и для передачи их массы на фундамент. В настоящее время чаще всего применяют опорные (несущие) и обвязочные каркасы. Парогенераторы и водогрейные котлы малой мощности обычно имеют обвязочные каркасы, служащие для укрепления обмуровки, гарнитуры и других деталей. Масса металлической части парогенератора или водогрейного котла через специальные стойки или рамы, а также обмуровки передается непосредственно на фундамент. Парогенераторы вертикальной ориентации большой мощности обычно имеют несущий каркас, разделенный на несколько частей, относящихся к топке, конвективной поверхности нагрева хвостовым поверхностям нагрева. Каждая из частей представляет собой металлическую конструкцию опирающуюся на фундамент и жестко связанную с другими частями.

3.5 Обмуровка.

Обмуровка парогенератора и водогрейного котла служит для ограждения топочной камеры и газоходов от окружающей среды. Обмуровка парогенераторов и водогрейных котлов работает при достаточно высоких температурах и резком их изменении, а также под химическим воздействием продуктов сгорания, золы и шлаков.

Конструкция обмуровки должна обеспечивать минимальные потери тепла в окружающую среду, быть плотной, противостоять длительному воздействию высоких температур, химическому воздействию продуктов сгорания, золы и шлаков, быть механически прочной, легкой, простой, дешевой и доступной для ремонта, способствовать выполнению блочного монтажа парогенератора или водогрейного котла.

Парогенераторы и водогрейные котлы имеют довольно разнообразную по конструкции обмуровку. Однако независимо от конструкции агрегата и его мощности ряд узлов и элементов являются общими. К ним относятся: стенки, арки, перекрытия, своды, амбразуры, цоды, зажигательные пояса, места прохода труб через обмуровку и т. д.

Разрушение обмуровки прежде всего зависит от температуры, при которой она работает. С увеличением температур интенсивность разрушения обмуровки возрастает. Чем больше неровностей на обмуровке, обращенной внутрь газохода, и чем толще ее швы, тем больше она изнашивается и истирается. Химическое воздействие шлаков приводит к размягчению, оплавлению и нарушению структуры обмуровки.

Вертикальные стены обмуровки топочной камеры и газоходов могут выполняться из различных материалов: огнеупорного строительного и теплоизоляционного кирпича, огнеупорных, жароупорных и теплоизоляционных бетонов, температуростойкой изоляции и т. д. Обмуровка обычно состоит из двух слоев: внутреннего, обращенного к газоходу, и наружного. Внутренний слой называют футеровкой, а наружный - облицовочным слоем. Футеровка выполняется из огнеупорного материала, а облицовка - из материала с низкой теплопроводностью.

3.6 Гарнитура.

Устройства, предназначенные для обслуживания котла и защиты обмуровки от разрушения при взрыве, называются гарнитурой. Парогенератор и водогрейный котел должен иметь топочные дверцы, лазы и гляделки для просмотра топки во время ее работы, а также взрывные предохранительные клапаны.

Взрывные предохранительные клапаны для защиты обмуровки от разрушения устанавливаются на парогенераторах и водогрейных котлах, имеющих камерные топки и шахтные топки для сжигания торфа, опилок, стружек и других мелких производственных отходов. Клапаны устанавливаются в обмуровке топки, последнего газохода агрегата, экономайзера и золоуловителя. Допускается не устанавливать взрывные клапаны в обмуровке котлов, имеющих один ход продуктов сгорания, а также в газоходах перед дымососами.

Для парогенераторов производительностью менее 10 т/ч число, размещение и размеры предохранительных взрывных клапанов выбираются проектной организацией. Обычно выбирают площадь взрывных клапанов для указанных парогенераторов из расчета 250 см площади взрывного клапана на 1 м³ объема топки или газоходов котла.

Для парогенераторов производительностью от 10 до 60 т/ч в верхней части обмуровки над топкой устанавливаются взрывные клапаны площадью не менее 0,2 м². Не менее двух предохранительных клапанов с общим сечением не менее 0,4 м устанавливается на последнем газоходе парогенератора, газоходе водяного экономайзера и газоходе золоуловителя. Клапаны должны быть установлены в таких местах, чтобы при их срабатывании было исключено травмирование обслуживающего персонала.

На парогенераторах и водогрейных котлах, работающих под наддувом, взрывные предохранительные клапаны не устанавливаются.

Лазы в обмуровке предназначены для производства ремонтных работ при остановке парогенератора. Лазы бывают прямоугольной и круглой формы. Прямоугольный лаз должен иметь размеры не менее 350Х450 мм, а круглый - иметь диаметр не менее 450 мм. Гляделки обычно выполняются диаметром от 70 до 100 мм. В парогенераторах и водогрейных котлах, работающих под наддувом, уплотнение лазов и гляделок осуществляется воздухом, имеющим давление, большее, чем в топке или газоходах. Лазы и лючки должны иметь хорошее уплотнение и надежные запоры во избежание самопроизвольного открывания.

3.7 Абразивный износ поверхности нагрева.

При сжигании твердого топлива присутствие в продуктах горения золы и несгоревших частиц приводит к абразивному износу труб, стенок газоходов, стоек, опорных балок и подвесок поверхностей нагрева.

Абразивный износ происходит по причине того, что при ударе и трении твердых частиц о поверхность стенки труб истираются, и толщина их становится меньше. При сильном износе труб появляются свищи или разрывы, что вызывает необходимость останова котла. Абразивный износ определяется выходом золы и несгоревших частиц топлива, скоростью движения газового потока, истирающими свойствами уноса, формой и размерами золовых частиц, износоустойчивостью металла труб, конструктивными характеристиками поверхности нагрева, равномерностью распределения золы и скорости газового потока по сечению газоходов и др.

Наибольшее влияние на износ оказывает скорость газового потока. При сжигании топливе высокоабразивной золой (например, экибастузский и подмосковный угли) скорость газов в поверхностях нагрева ограничивают величиной 6...8 м/с, в то время как для топлив с низкой абразивностью она составляет 10... 12 м/с.

Абразивные свойства золы и несгоревших частиц топлива в значительной степени определяются формой частиц. Например, легкоплавкие зольные частицы оплавляются и меньше истирают трубы, в то время как частицы тугоплавкой золы и несгоревшего топлива имеют шероховатую поверхность с острыми кромками, что повышает их абразивные свойства. Поэтому в качестве одного из методов борьбы с износом рассматривается переход на жидкое шлакоудаление, при котором золовые частицы при оплавлении преобретают сферическую форму. При этом также повышается доля золы, удаляемой из топки в виде шлака, и уменьшается концентрация золы в газовом потоке, что приводит к снижению износа труб.

Увеличенный износ труб обычно наблюдается в области поворотов газового потока, так как при этом происходит перераспределение масс золы и газов по сечению газоходов, возрастает неравномерность их скоростей и концентраций, в зоне их повышенных значений резко возрастает износ труб. Поэтому целесообразно трубы в зоне поворотов потока защитить от износа. Для этого в местах наиболее интенсивного износа на трубах устанавливают уголки и накладки на сгибах змеевиков и приваривают прутки на прямых участках труб. В трубчатых воздухонагревателях во входных участках, где имеет место наибольший износ, устанавливают вставки длиной 150...200 мм.

Износ в определенной степени зависит также от работы пы-лесистем и метода сжигания топлива — например, при увеличении крупности частиц (при открытии створок сепараторов, увеличении доли сушильного агента в гравитационных сепараторах) или ухудшении процесса горения, при котором возрастают недожог, размер золовых частиц и, как следствие, износ.

3.8 Коррозия поверхности нагрева.

Коррозия - разрушение металла труб в результате химического или электрохимического воздействия омывающей среды. Различают высокотемпературную и низкотемпературную коррозию поверхности нагрева. В результате воздействия раскаленных продуктов горения на поверхности металла образуется оксидная пленка. В некотором диапазоне температур эта пленка прочно скреплена с металлом и является плотной. Однако при определенной для каждого металла температуре плотность оксидной пленки резко падает и кислород среды беспрепятственно проникает к чистому металлу, окисляя его. Этот процесс носит название — окалино-образование.

Наиболее интенсивно коррозионные процессы протекают при наличии сернистых соединений в продуктах горения. В области высоких температур при соприкосновении газов с горячими поверхностями нагрева, при наличии локальных зон с избытком кислорода имеет место образование SO₃ из SO₂, так как оксидная пленка окалины Fe₂O₃, а также зола являются катализаторами этого процесса. При наличии оксидов серы в газах происходит их соединение со щелочными компонентами золы с образованием сульфатных соединений типа K₃Fe(SO₄)₂ или Na₃Fe(SO₄)₂, разрушающе воздействующих на защитную пленку окалины. Наиболее подвержены высокотемпературной газовой коррозии трубки выходных ступеней пароперегревателя, имеющих наибольшую температуру металлических стенок.

Наличие в золе топлива оксида ванадия V₂O₅ (пентаоксида диванадия) также усиливает высокотемпературную газовую коррозию, в результате растворяющего его действия на защитные пленки окалины.

Ванадиевая и сульфатная коррозия может быть уменьшена путем снижения содержания свободного кислорода что достигается, например, сжиганием мазута в условиях с малым коэффициентом избытка воздуха.

Низкотемпературная коррозия вызвана конденсацией водяных паров продуктов горения на стенках труб. Температура, при которой на трубах отмечается появление конденсированной жидкой пленки, называется температурой точки росы дымовых газов. Температура точки росы чистых водяных паров невелика и не превышает 60 °С даже для таких влажных топлив, как торф. Повреждения в этом случае имеют характер кислородной коррозии. Благодаря легкому доступу кислорода через тонкую пленку воды, скорость коррозии становится достаточно большой.

При наличии в продуктах горения сернистых соединений SO₂, и SO₃ температура точки росы существенно повышается и может достигать 140...160°С и даже выше. Серный ангидрид SO₃ обладает способностью соединяться с парами воды и образовывать пары серной кислоты. Далее при омывании продуктами горения низкотемпературных поверхностей нагрева происходит конденсация серной кислоты на более холодной, чем газы, металлической стенке, т.е. в результате создаются условия для интенсивного разрушения металла и образования коррозии под действием серной кислоты. Коррозионный процесс в данном случае является электрохимическим, причем жидкая пленка играет роль электролита.

При сжигании топлива содержащаяся в нем сера преимущественно окисляется в сернистый ангидрид SO₂. Образование серного ангидрида SO₃, происходит за счет доокисления SO₂ по реакции

2SO₂ + О₂ → 2SO₃.

Для протекания данной реакции важное значение имеют катализаторы, в роли которых выступают оксиды железа, ванадия и т.д. Окисление SO₂ до SO₃ происходит лишь при наличии в продуктах горения свободного кислорода. Следовательно, снижением избытка воздуха можно уменьшить выход серного ангидрида. Как установлено, при коэффициенте избытка воздуха α = 1,02... 1,03 серный ангидрид вообще не образуется.

Наиболее активно низкотемпературная коррозия происходит в воздушных подогревателях, в которых наблюдаются наиболее низкие температуры греющего и нагреваемого теплоносителя. Для предотвращения коррозии воздухонагревателя широко используется метод повышения температуры поступающего в него воздуха путем рециркуляции горячего воздуха или предварительного подогрева воздуха в паровых калориферах.

На рис 11.1, а и б показаны возможные схемы повышения температуры поступающего холодного воздуха ХВ путем рециркуляции горячего воздуха ГВ. Рециркуляция воздуха снижает температурный напор в воздухоподогревателе, повышает температуру уходящих газов УГ и расход электроэнергии на дутье.

На рис. 11.1, в приведена схема подогрева поступающего в воздухонагреватель воздуха в паровом калорифере, установленном между напорной стороной дутьевого вентилятора и входной ступенью воздухоподогревателя. Калорифер представляет собой трубчатый теплообменник, внутри которого проходит пар при температуре около 120°С. Снаружи трубы омываются воздухом.

Рис. 11.1. Схемы повышения температуры воздуха, поступающего в воздухоподогреватель:

а — с применением рециркуляции воздуха и регулированием шибером на отводе горячего воздуха: б — с применением рециркуляции горячего воздуха специальным вентилятором; в — с паровым калорифером; 1 — короб рециркуляции; 2 — шибер; 3 — дутьевой вентилятор: 4 — вентилятор подачи горячего воздуха; 5 — паровой калорифер; ПГ — продукты горения; УГ — уходящие газы; ГВ — горячий воздух: ХВ — холодный воздух

В последние годы большое внимание уделяется разработке покрытий и изготовлению поверхностей нагрева из коррозионно-стойких материалов. Одним из способов защиты от коррозии является покрытие кислотостойкой эмалью металлических поверхностей нагрева. С целью защиты от низкотемпературной сернокислотной коррозии и для низкотемпературных поверхностей нагрева котла применяют воздухонагреватели со стеклянными трубами.

3.9 Коррозия металла внутренних поверхностей нагрева.

Под воздействием пара, воды, пароводяной смеси на внутреннюю поверхность труб металл труб корродирует. По виду коррозионные разрушения весьма разнообразны. Принято разделять коррозию на сплошную (общую) и местную.

Сплошная коррозия (рис. 11.2, а, б, в) распространяется на всей поверхности, и металл разрушается в глубину более или менее равномерно. Неравномерность ее развития проявляется либо в некоторых колебаниях глубины сплошного повреждения, либо в избирательном удалении из сплава какого-либо компонента.

Местная коррозия охватывает лишь отдельные участки поверхности, по сравнению с которыми остальная поверхность металла не затрагивается повреждением этого вида. Выделяют следующие основные виды местной коррозии:

• коррозия пятнами (рис. 11.2, г) — местная коррозия в виде отдельных пятен относительно больших размеров по площади, но небольшой глубины;

• язвенная коррозия (рис. 11.2, д) — коррозия островными участками меньших размеров, чем при коррозии пятнами, но значительно большей глубины;

• точечная коррозия (рис. 11.2, ё) — местная коррозия в виде точечных поражений;

• межкристаллитная коррозия (рис. 11.2, ж) — местная коррозия, распространяющаяся по границам кристаллитов (зерен) металла;

• транскристаллитная коррозия (рис. 11.2. з) — коррозия, при которой трещина может распространяться не только по границам зерен, но и перерезать тело кристаллита.

Рис. 11.2. Типы коррозионных разрушений:

а — сплошная равномерная коррозия; 6— сплошная неравномерная коррозия;

в — сплошная избирательная коррозия: г— д — местная коррозия (г — пятнами: д —

язвенная: е — точечная; ж — межкристаллитная; з — транскристаллитная)

При местной коррозии масса разрушившегося металла, как пра правило, меньше, чем при сплошной, т.е. общей, коррозии. Вместе с тем местная коррозия раньше выводит из строя элементы оборудования, работающего под давлением.

По механизму процесса выделяют два типа коррозии: химическую и электрохимическую. Последняя наряду с химическим пре вращением сопровождается возникновением электрического тока. По отношению к воде наибольшее значение имеет химическая коррозия металлов с образованием кислородных соединений. При окислении чистого железа в зависимости от условий могут образоваться оксид железа (II) FeO, оксид железа (III) Fe₂O₃ и оксид железа (II) и (III) Fe₃O₄ (магнетит) в виде защитной оксидной пленки по следующим реакциям:

2Fe + О₂ <=> 2FeO; 4Fe + ЗО₂ <=> 2Fe₂O₃; 3Fe + 2О₂ <=> Fe₃O₄.

Химическую коррозию, протекающую в газовых средах при высоких температурах, называют обычно газовой коррозией. В пароводяном цикле ТЭС газовой средой, не содержащей жидкой фазы, является перегретый пар. В теплоэнергетике процесс газовой коррозии сталей в среде перегретого водяного пара называют также пароводяной коррозией.

Для описания газовой коррозии сталей в перегретом паре используют реакцию:

3Fe + 4Н₂О → Fe₃O₄ + 4Н₂.

На скорость протекания этой реакции существенное влияние оказывают температура и состав металла. При температурах до 450 °С скорость окисления паром углеродистых сталей невелика, при дальнейшем повышении температуры скорость окисления, т.е. скорость коррозии, существенно возрастает. Это необходимо учитывать при выборе сталей для пароперегревателей и паропроводов перегретого пара. При рабочих температурах 450...585"С для паропроводов рекомендуется применять жаростойкие и жаропрочные стали, хромомолибденовые стали 12X1МФ, 12Х2МФСР, 12Х2МФБ и др., а для изготовления пароперегревателей — стали аустенитного класса марок Х18Н10Т, Х18Н12Т.

Электрохимическая коррозия металла отличается от химической механизмом протекания. При электрохимической коррозии можно выделить два самостоятельных процесса — анодный и катодный. Анодный процесс — это переход металла в раствор в виде гидратированных ионов. Катодный процесс — это удаление из металла электронов, появившихся в избытке в результате анодного процесса.

На скорость электрохимической коррозии оказывают влияние многие факторы. К внутренним факторам относятся свойства металла, обусловленные структурой сплава, внутренними напряжениями, термической и механической обработкой. К внешним факторам относятся природа и состав электролита, температура раствора, значение рН, скорость движения среды и ее механическое воздействие на металл.

Повреждения и разрушения защитной оксидной пленки создают условия для протекания местной коррозии котельного металла.

К распространенному виду такой коррозии относятся подшламовая коррозия под действием окислителей, межкристаллитная коррозия, а также коррозионное растрескивание.

Понятие подшламовая коррозия объединяет несколько разновидностей коррозии, которые связаны с накоплением на теплопередающей поверхности слоя рыхлых и пористых отложений. В местах скопления отложений в связи с затруднением подвода воды и отвода пузырьков газа концентрация примесей в растворе, находящемся в толще отложений, становится существенно более высокой, чем в хорошо перемешиваемой котловой воде. Подшламовая коррозия, связанная с образованием концентрированных растворов NaOH, получила наименование щелочной коррозии. Концентрированные растворы NaOH при высоких температурах вызывают растворение защитной пленки оксидов железа. Оголившийся металл окисляется, однако в присутствии концентрированного раствора щелочи защитная пленка не образуется и незащищенный металл под слоем отложений продолжает корродировать. Этот процесс протекает до тех пор, пока утончение стенки не приведет к образованию сквозного отверстия — свища.

Щелочная коррозия развивается обычно на огневой стороне экранных труб барабанных котлов в местах скопления отложений. Уязвимыми в отношении щелочной коррозии являются также сварные швы, на неровностях которых часто скапливаются частицы шлама.

К другому виду подшламовой коррозии относится ракушечная коррозия. Такое название связано со своеобразной формой наростов, образующихся в местах повреждения металла.

Коррозия под действием окислителей имеет вид отдельных язвин различных размеров. К числу окислителей, которые поступают с питательной водой, относятся растворенный кислород, нитрит натрия NaNO₂ и нитрат натрия NaNO₃.

Межкристаллитная коррозия внешне проявляется развитием на поверхности металла трещин. Этот вид коррозии встречается в элементах котлов, имеющих зазоры, например, в клепаных барабанах, в вальцовочных соединениях. Образование трещин по границам зерен является результатом совместного действия высоких внутренних механических напряжений в металле и щелочного концентрата котловой воды. Концентрированная щелочь растворяет скапливающиеся по границам зерен примеси, нарушая тем самым связь между отдельными кристаллитами и уменьшая прочность металла. Высокие растягивающие напряжения в металле способствуют проникновению агрессивного щелочного раствора к границам зерен. Разновидностью щелочной коррозии является межкристаллитная коррозия — каустическая хрупкость металла.

Лекция №12 (2 часа)

Тема: «Контрольно-измерительные приборы»

1 Вопросы лекции:

1.1 Теплотехнические измерения.

1.2 Измерение температуры.

1.3 Измерение давления и разрежения.

1.4 Измерение расхода твердых, жидких и газообразных веществ.

1.5 Измерение уровня жидкости и твердых сыпучих тел.

1.6 Анализ дымовых газов.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Теплотехнические измерения.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем, с помощью специальных технических средств.

Теплотехнические измерения служат для определения многих физических величин, связанных с процессами выработки и потребления тепловой энергии. Они включают определение число чисто тепловых величин (температура, тепловая энергия) и некоторые другие величины (давление, расход, количество, уровень, состав газа, концентрация). В энергетической промышленности теплотехнические измерения используются для повседневного контроля и наблюдения за работой и состоянием установленного на электростанциях оборудования. Большую роль технические измерения играют в устройствах автоматизации электрических станций (автоматическое регулирование и управление, технологическая защита, сигнализация).

Надежность и экономичная эксплуатация современных тепловых электростанций и малых котельных немыслима без применения значительного количества разнообразного по устройству, назначению и принципу действия приборов теплотехнического контроля.

Большинство современных теплотехнических приборов основано на применении электрических принципов измерения неэлектрических величин. Указанный принцип измерения, построенный на количественном соотношении между электрическими и неэлектрическими величинами, повышает точность и надежность измерений, упрощает устройство приборов и обеспечивает возможность передачи информации об измеряемом параметре на большие расстояния. Пневматические измерительные приборы применяют на взрывоопасных объектах.

Широкое применение для теплотехнических измерений получили автоматические электронные измерительные приборы, отличающиеся высокой точностью, чувствительностью и быстродействием.

Существуют следующие измерительные приборы, предназначенные для измерения теплотехнических параметров:

– температуры – термометры, пирометры;

– давления – манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры,

тягомеры, тягонапоромеры и барометры;

– расхода и количества – расходомеры, счетчики;

– уровня жидкости и сыпучих тел – уровнемеры, указатели уровня;

– состав дымовых газов – газоанализаторы;

– качество воды и пара – кондуктометры.

Теплотехнические измерения являются составной частью такой большой науки, как метрология.

3.2 Измерение температуры.

Температура является мерой теплового состояния вещества, т.е. степенью его нагрева.

Измерить температуру любого тела непосредственно, т.е. так, как измеряют такие физические величины, как, например, длина, масса, объем, не представляется возможным — в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Определение температуры вещества проводят путем сравнения посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического вещества, которое при соприкосновении с нагретым телом вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.

Такой метод не дает абсолютного значения температуры нагретой среды, а указывает лишь разность температур относительно исходной температуры термометрического вещества, условно принятой за нуль.

При изменении в процессе нагревания внутренней энергии вещества меняются практически все его физические свойства, но для измерения температуры выбираются те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов, сравнительно легко поддаются точному измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения. Именно эти свойства и положены в основу устройства приборов для измерения температуры.

Термометры расширения. Работа термометров расширения основана на свойстве тел изменять объем, а следовательно, и линейные размеры в результате изменения температуры.

В жидкостных стеклянных термометрах в качестве рабочего вещества применяют ртуть и органические жидкости — этиловый спирт, толуол, пентан и др.

Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры. При нормальном абсолютном давлении ртуть находится в жидком состоянии при температурах от -39 (точка замерзания) до +357 °С (точка кипения). Стеклянные термометры с органическими заполнителями пригодны для измерения температур в пределах -190... + 100°С.

Верхний предел измерения ртутных термометров, ограничиваемый температурой размягчения стеклянной оболочки термометра, достигается при помоши искусственного повышения точки кипения ртути. С этой целью у термометров для измерения высоких температур до 500 °С и выше пространство капилляра над ртутью заполняется инертным газом (азотом) при давлении свыше 2 МПа (20 кгс/см²)

Изготовляют два типа ртутных стеклянных термометров (рис. 12.1): с вложенной шкалой и палочные. Термометр технический с вложенной шкалой имеет заполненный ртутью резервуар 6, капилляр 4, шкалу 3, выполненную из стеклянной пластинки молочного цвета, и наружную цилиндрическую оболочку 2, в которой укреплены капилляр и шкала.

Лабораторный палочный термометр состоит из резервуара 6, соединенного с толстостенным капилляром 4, имеющим наружный диаметр 6... 8 мм. Шкала термометра нанесена непосредственно на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу.

Точность показаний ртутного термометра, как и любого измерительного прибора, определяющего температуру, зависит от способа его установки. Неправильная установка прибора, приводящая к большой утечке теплоты в окружающую среду, может привести к занижению его показаний на 10... 15 %.

Применяются два способа установки ртутных термометров: в защитных гильзах и без них, т.е. путем непосредственного погружения термометра в измеряемую среду.

Наиболее распространенным способом является установка термометра в защитной гильзе (рис. 12.2), предохраняющей его от поломки.

Рис. 12.2. Варианты установки ртутного термометра в защитной гильзе: а — вдоль оси трубопровода; б — наклонно к оси горизонтального трубопровода; в — нормально к оси горизонтального трубопровода; г — на вертикальном трубопроводе; D — диаметр трубопровода

Рис. 12.1. Типы ртутных термометров:

а — технический с вложенной шкалой; б— лабораторный палочный с безнулевой шкалой; 1— пробка, залитая гипсом; 2 — оболочка; 3 — шкага; 4 — капилляр; 5 — нижняя часть термометра; 6 — резервуар; 7, 8 — расширения капилляра; 9 — дополнительная шкала

Манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано на изменении давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Указанные термометры являются техническими показывающими или самопишущими приборами и предназначаются для измерения температуры в пределах от -150 до +600 ⁰С. Класс точности их 1—2,5.

Схема манометрического термометра показана на рис. 12.3. Замкнутая система прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 5, погружаемого в измеряемую среду, трубчатой (манометрической) пружины 2, воздействующей посредством тяги 1 на стрелку или перо прибора, и капиллярной трубки 3, соединяющей пружину с термобаллоном.

Термобаллон выполняется из стальной или латунной трубки, с одного конца закрытой, а с другого соединенной с капилляром посредством объемного штуцера 4 с сальниковым уплотнением и резьбой. Термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и т. п.

При нагреве термобаллона увеличение в нем давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает ее перемещение. Соединительный капилляр изготовляется из медной или стальной трубки с внутренним диаметром

0,2...0.4 мм и толщиной стенки 0,5...2 мм. Снаружи капилляр за-шишен металлической оплеткой. Длина капилляра достигает 60 м.

Газовые манометрические термометры заполняются азотом. Для заполнения жидкостных манометрических термометров применяют ртуть, ксилол, толуол при начальном давлении 1,5...2 МПа (15...20кгс/см²).

В парожидкостных манометрических термометрах рабочим веществом служат низкокипяшие органические жидкости: хлористый метил, ацетон, бензол и др.

Рис. 12.3. Схема манометрического термометра:

1 — тяга: 2 — трубчатая пружина; 3 — капиллярная трубка; 4— штуцер с сальниковым уплотнением; 5 — термобаллон

Термометры сопротивления. Для измерения температуры широкое применение получили термометры сопротивления, основанные на изменении электрического сопротивления металлических проводников в зависимости от температуры. Электрическое сопротивление металлов при нагревании растет, следовательно, зная зависимость сопротивления проводника от температуры и определяя это сопротивление при помощи электроизмерительного прибора, можно судить о величине температуры проводника.

Термометры сопротивления применяются для измерения температуры в диапазоне от -260 до +750 °С (в отдельных случаях до 1000 °С).

Достоинствами термометров сопротивления являются высокая точность измерения, легкость осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показателей, возможность присоединения к одному вторичному прибору при помощи переключателя нескольких однотипных термометров.

Термометр сопротивления выполняется из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из электроизоляционного материала (слюды, кварца, пластмассы) и помешенной в металлический защитный чехол с головкой для подключения соединительных проводов.

В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопротивления, применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты и логометры.

Стандартные технические термометры сопротивления имеют следующие условные обозначения: платиновые - ТСП, медные – ТСМ.

Рис. 12.4. Платиновый термометр сопротивления типа ТСП-1

а_ - чувствительный элемент; б — внутренняя арматура; в — защитная арматура;

1— выводы; 2— накладки; 3 — серебряная лента: 4— платиновая проволока; 5 — каркас из слюдяной пластинки: 6 — фарфоровые бусы; 7 — оболочка: 8 — вкладыш;

9 — головка; 10— штуцер; 11 — защитный чехол

Устройство платинового термометра сопротивления приведено на рис. 12.4. На каркасе из слюдяной пластинки 5, имеюшей по бокам зубчатую насечку, намотана платиновая проволока 4 диаметром 0,07 мм и длиной около 2 м. К концам платиновой обмотки припаяны два вывода 1 из серебряной проволоки диаметром 1 мм, присоединенные к латунным зажимам в головке 9 термометра. Слюдяная пластинка с обмоткой изолирована с двух сторон более широкими слюдяными накладками 2 и связана с ними в общий пакет серебряной лентой 3.

Образованный таким образом чувствительный элемент термометра вставлен в плоский алюминиевый вкладыш и вместе с ним заключен в трубчатую оболочку 7 из алюминия. Серебряные выводы изолированы фарфоровыми бусами 6. Оболочка с чувствительным элементом помещена в стальной защитный чехол 11 с приваренным к нему штуцером 10, предназначенным для установки термометра в трубопроводах и резервуарах. В верхней части защитного чехла закреплена алюминиевая головка 9, внутри которой помещен бакелитовый вкладыш с двумя зажимами для присоединения внешних соединительных проводов.

Термоэлектрические пирометры. Действие термоэлектрических пирометров заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, образующих так называемую термопару, непрерывно течет электрический ток, если места спаев этих проводников имеют разную температуру.

Термоэлектрический пирометр (рис. 12.5) состоит из термопары (термоэлектроды А и В) и подключенного к ней соединительными проводами С вторичного электроизмерительного прибора ЭП. Величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), развиваемой термопарой, зависит от материала термоэлектродов, а также от температуры рабочего 3 и свободных 1, 2 концов термопары.

Рис. 12.5. Схема термоэлектрического пирометра:

1, 2 - свободные (холодные) концы термопары; 3 - рабочий конец термопары (горячий спай): А, В - термоэлектроды; С - соединительные провода; ЭП - вторичный электроизмерительный прибор; t₀ - температура холодных концов термопары;

t - температура горячего спая

В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термопар применяются, главным образом, чистые металлы и их сплавы, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

1) обеспечение при измерениях сравнительно больших ТЭДС;

2) постоянство термоэлектрических свойств независимо от изменения со временем внутренней структуры и загрязнения поверхности;

3) устойчивость против действия высоких температур, окисления;

4) хорошая электропроводность;

5) однозначная и по возможности линейная зависимость ТЭДС
от температуры;

6) однородность и постоянство состава материала термоэлектродов для обеспечения взаимозаменяемости термопар.

Наибольшее распространение для промышленных термопар получили материалы: платина, плаинородий, хромель, алюмель, копель.

В табл. 12.1 приведены некоторые характеристики наиболее распространенных термопар.

Таблица 12.1 Пределы измерения температур термопарами

Наименование термопары	Тип	Градуировка	Пределы измерения температур при длительном измерении, °С
Платинородий-платиновая (10% родия) Платинородиевая (30 и 6% родия) Хромель-алюмелевая Хромель-копелевая	ТППТПР ТХА ТХК	ПП-1 ПР-30/6 ХА ХК	-20...+1300 +300...+1600 -50...+ 1000 -50...+600

Термопары из драгоценных металлов и сплавов ТПП и ТПР применяются главным образом для измерения высокой температуры (выше 1000 °С), так как они обладают большой термостойкостью.

Термоэлектроды термопар из драгоценных металлов изготовляются обычно из проволоки диаметром 0,5 мм, а в случае недрагоценных металлов диаметр проволоки 1,2...3,2 мм.

Рабочий конец термометра из таких термоэлектродов образуется сваркой двух концов, а из толстых — их скруткой и сваркой. Иногда для улучшения условий теплопередачи рабочий конец термопары из недрагоценных металлов приваривается ко дну защитного металлического чехла.

Термоэлектроды термопары от спая до зажимов тщательно изолируются. В качестве изоляции применяются одно- и двухканальные фарфоровые трубки или бусы, надеваемые на термоэлектроды.

Общий вид термопары приведен на рис. 12.6. Термопара имеет стальной защитный чехол 5, на который насажен подвижный фланец 6 со стопорным винтом, служащим для ее закрепления. Рабочий конец термопары 7 помешен в фарфоровый стаканчик 8. Оба термоэлектрода изолированы подлине фарфоровыми бусами 9. Головка состоит из литого корпуса 10, крышки / и сальника 2 с уплотнением для вывода проводов. Внутри головки расположена колодка 4 с двумя зажимами 3, несущими на себе две пары винтов // и /2 для закрепления термопроводов и соединительных проводов. В качестве электроизмерительных приборов в термоэлектрических пирометрах применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры.

Рис. 12.6. Общий вид термопары:

1- крышка; 2 - сальник с уплотнением для вывода проводов; 3 - зажимы: 4 - колодка;

5 - защитный чехол; 6 - подвижной фланец: 7 - рабочий конец термопары;

8 - фарфоровый стаканчик; 9 - фарфоровые бусы: 10 - корпус головки;

11, 12 - винты

3.3 Измерение давления и разрежения.

Давлением жидкости, газа или пара называют силу, действующую равномерно на единицу площади. При измерении различают барометрическое, избыточное и абсолютное давление.

Барометрическое (атмосферное) давление р_б создается массой воздушного столба земной атмосферы.

Величина превышения давления среды над барометрическим называется избыточным давлением р. Показанием подавляющего большинства приборов, измеряющих давление, является именно избыточное давление.

Абсолютное (полное) давление — это давление жидкости или газа в закрытом сосуде. Абсолютное давление среды р_а может быть больше или меньше барометрического. В первом случае абсолютное давление равно сумме барометрического и избыточного давлений (р_а = р_б + р), во втором случае абсолютное давление меньше барометрического на величину р_р, называемую разрежением (т.е. р_а = р_б- р_р).

Жидкостные стеклянные манометры.К жидкостным стеклянным манометрам относятся двухтрубные (U-образные) и однотрубные (чашечные). Они используются для измерения давления газа или воздуха до 5 кПа (500 мм вод. ст.). В качестве рабочей жидкости в них используются вода, этиловый спирт, ртуть.

Жидкостный стеклянный U-образный манометр (рис. 12.7, а) состоит из стеклянных измерительных трубок 3 и 4, соединенных внизу между собой и укрепленных на вертикальном основании 1. Между трубками помешена миллиметровая шкала 5 с нулевой отметкой посредине длины.

Рис. 12.7. Жидкостный манометр:

а - двухтрубный (U-образный); б -однотрубный (чашечный);

1- основание;2 -резиновая трубка; 3, 4-измерительные трубки; 5 - шкала;

6 - стеклянный сосуд (чашка);

р_а, р_б - соответственно абсолютное и барометрическое (атмосферное) давление;

h - высота столба рабочей жидкости; h₁, h₂ - уровни жидкости

Измерительные трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки шкалы. Трубка 3 сообщается резиновой трубкой 2 с измеряемой средой, находящейся под абсолютным давлением р_а, а трубка 4 — с атмосферой, имеющей барометрическое давление р_б.

При включении манометра в работу измеряемое давление уравновешивается высотой столба рабочей жидкости h, отсчитываемой по шкале прибора. Так как уровень жидкости в трубке 3 понизится до уровня b, а в трубке 4 он повысится, то общая высота столба будет равна сумме отсчетов, проводимых по шкале выше и ниже нулевой отметки.

Тягомеры и напоромеры.Для измерения небольших разрежений и избыточных давлений (продуктов сгорания, газа, воздуха) применяются тягомеры (для разрежения), напоромеры (для давления) и тягонапоромеры (для разрежения и давления). Эти приборы широко используются для определения давления, разрежения в топках, газоходах и воздуховодах котлоагрегата и имеют одностороннюю или двустороннюю (тягонапоромеры) шкалу, градуированную в Па, кгс/м² или мм вод. ст.

Так как между тягомерами, напоромерами и тягонапоромерами нет существенного различия, в дальнейшем они для простоты изложения называются тягонапоромерами.

Наибольшее распространение получили жидкостные стеклянные и мембранные тягонапоромеры.

Жидкостные тягонапоромеры по существу не отличаются от жидкостных одно- и двухтрубных манометров. Приборы заполняются чаше всего этиловым спиртом или дистиллированной водой.

При относительно точных измерениях небольших избыточных давлений или разрежений до 2 кПа (200 кгс/м²) применяются жидкостные однотрубные (чашечные) тягонапоромеры с наклонной измерительной трубкой ТНЖ-Н и ТНЖ-Щ, приспособленные соответственно для настенного и щитового монтажа.

Жидкостный однотрубный тягонапоромер типа ТНЖ-Н показан со снятой передней крышкой (рис. 12.8, а). Он состоит из стеклянного сосуда 14 и присоединенной к нему стеклянной измерительной трубки 12 внутренним диаметром 2... 2,5 мм, укрепленных при помощи скоб и винтов в металлическом корпусе 11. Около трубки расположена шкала 13, которая может перемешаться с помощью ходового винта 5 с головкой 9. Ходовой винт с головкой служит для корректировки нуля, позволяя при установке и эксплуатации прибора совмещать нулевую отметку шкалы с меткой рабочей жидкости в измерительной трубке. В верхней части корпуса закреплены штуцеры 3 и 6, соединенные резиновыми трубками 2 и 10 с сосудом и измерительной трубкой.

При измерении давления прибор сообщается со средой через штуцер 3, а при измерении разрежения — через штуцер 6.

Для установки тягонапоромера под определенным углом наклона служит уровень 4. Прибор устанавливается при помоши ушек 1 и 8, из которых последние позволяют менять угол наклона корпуса с помощью винта 7.

Тягонапоромеры типов ТНЖ-Н и ТНЖ-Щ изготовляются с верхним пределом измерения 0.25: 0.4; 0,6; 1.0 и 1,6 кПа (25; 40; 63; 100 и 160 кгс/м²). В качестве рабочей жидкости используется подкрашенный этиловый спирт плотностью 850 кг/м³.

Для технических измерений применяется жидкостной дифференциальный тягонапоромер типа ТДЖ (рис. 12.8. б). Прибор имеет стеклянную измерительную трубку 12 внутренним диаметром 10 мм, расположенную вертикально и соединенную резиновой трубкой 2 с сосудом 15. Сосуд 15 для установки нулевого положения мениска жидкости по шкале 13 может перемешаться по вертикали при помоши ходового винта 5. Тягонапоромер комплектуется из отдельных приборов на 1, 2, 3. 4 и 6 точек измерения с обшей фронтальной рамой 16.

Тягонапоромеры ТДЖ имеют шкалу с верхним пределом измерения 1,6...6,3 кПа (160...630 кгс/м²). Рабочей жидкостью является подкрашенная дистиллированная вода.

Мембранные тягонапоромеры являются показывающими мембранными приборами. Большое распространение получили мембранные тягонапоромеры типов ТМП1 (тягомер), НМ-П1 (напоромер) и ТНП-П1 (тягонапоромер) с горизонтальной профильной шкалой и рычажным передаточным механизмом. Их устройство принципиально одинаковое, за исключением передаточного механизма, формы шкалы и корпуса.

Рис. 12.8. Жидкостные тягонапоромеры:

а - однотрубный типа ТНЖ-Н; б - дифференциальный типа ТДЖ;

1,8 - ушки; 2, 10 - резиновые трубки; 3,6 - штуцеры; 4 - уровень; 5 - ходовой винт;

7 - винт для установки прибора по уровню; 9 - головка; 11 - корпус; 12 - измерительная грубка; 13 - шкапа; 14 - стеклянный сосуд; 15 - сосуд с жидкостью;16 - фронтальная рама

На рис. 12.9 приводится мембранный тягомер типа ТМ-П1. В прямоугольном корпусе (на схеме не показан) при помощи штуцера 8 закреплена упругая мембранная коробка 1, состоящая из двух спаянных по краям гофрированных дисковых мембран, выполненных из бериллиевой бронзы. Внутренняя полость мембранной коробки сообщается с измеряемой средой (в данном случае со средой меньшего давления), а полость корпуса прибора — с атмосферой (со средой большего давления). С помощью поводка 4 верхняя часть мембранной коробки соединена с фасонным рычагом 2, сидящим на оси 3. Для увеличения жесткости упругой системы ось 3 закреплена на скобообразной плоской пружине 5.

Под воздействием переменной разности давлений мембранная коробка сжимается и разжимается, вызывая перемещение рычага 2, тяги 14 и рычага 9, сидящего на оси 12. На этой же оси закреплена стопорным винтом 10 указывающая стрелка 13 с противовесом 11. Конец стрелки передвигается вдоль горизонтальной профильной шкалы (на схеме не показана). Спиральная пружина (волосок /5), закрепленная одним концом на оси стрелки и другим на неподвижной части прибора, служит для устранения влияния зазоров (люфтов) в сочленениях рычажного механизма.

Для установки стрелки прибора на начальную отметку шкалы служит корректор нуля 6. При вращении винта корректора происходят изгиб пружины 5 и передвижение рычажной системы, связанной со стрелкой.

Рис. 12.9. Показывающий мембранный тягомер типа ТМ-П1 с профильной шкалой:

1- мембранная коробка; 2 - фасонный рычаг; 3, 12 - ось; 4 - поводок; 5 - пружина;

6 - корректор нуля; 7 - соединительная грубка; 8 - штуцер; 9 - рычаг; 10 - стопорный винт; 11 - противовес; 13 - стрелка; 14 - тяга; 15 - волосок

Пружинные манометры.Наиболее широкое применение для измерения избыточного давления жидкости, газа и пара получили пружинные манометры.

Принцип действия пружинных манометров основан на использовании упругой деформации специальных пружин, возникающих под влиянием измеряемого давления. По роду применяемых пружин манометры делятся на трубчатые (с одновитковои и многовитковой трубчатыми пружинами) и мембранные (с гармониковой мембраной — сильфоном).

Показывающий манометр с одновитковои трубчатой пружиной приведен на рис. 12.10. Трубчатая пружина 1 эллиптического сечения одним концом жестко соединена с держателем 8, укрепленным в корпусе 6 манометра. Держатель имеет штуцер 7 с резьбой, служащей для сообщения прибора с измеряемой средой. Свободный конец пружины закрыт запаянной пробкой 4 с шарнирной осью. Посредством поводка 5 он связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора 3, сцепленного с шестеренкой 11, сидящей неподвижно на оси вместе с указывающей стрелкой 2. Спиральная пружина 10 прижимает зубцы шестеренки к зубцам сектора и устраняет «мертвый ход».

Рис. 12.10. Показывающий манометр с одновитковой трубчатой пружиной:

1 - трубчатая пружина; 2 - стрелка; 3 - зубчатый сектор; 4 - пробка; 5 - поводок;

6 - корпус; 7 - штуцер; 8 - держатель; 9 - шкала; 10 - спиральная пружина;

11 - шестеренка

Под действием измеряемого давления трубчатая пружина частично раскручивается и тянет за собой поводок, приводящий в движение зубчато-секторный механизм и стрелку манометра, показывающего по шкале 9 величину этого давления.

Манометры различаются на технические, контрольные и образцовые.

Контрольные манометры типа МКО являются переносными приборами, служащими для периодических точных измерений давления, а также для поверки технических манометров на рабочем месте.

Образцовые пружинные манометры типа МО применяются для поверкм технических и контрольных манометров.

Электроконтактные манометры.В системах автоматического регулирования технологических процессов, в схемах сигнализации, устройствах тепловой зашиты и т.д. применение нашли электроконтактные манометры. На рис. 12.11 показаны принципиальная схема и внешний вид электроконтактного манометра типа ЭКМ. В этом приборе в качестве упругого чувствительного элемента используется одновитковая трубчатая пружина.

Рис. 12.11. Электроконтактный манометр типа ЭКМ:

а - схема прибора; б - внешний вид манометра;

1, 3, 5 - электрические контакты; 2 - головка с винтом; 4 - стрелка;

Л_К, Л₃ — лампы красного и зеленого цвета

По своему устройству прибор типа ЭКМ отличается от рассмотренного ранее пружинного манометра (рис. 12.10) лишь наличием специальных электрических контактов 1, 3 и 5. Установка электрических контактов / и 3 может быть произведена на любые отметки рабочей шкалы манометра вращением винта в головке 2, расположенной на наружной стороне стекла.

Если измеряемое давление среды в объекте уменьшится и достигнет того минимального значения шкалы, на которое установлен контакт /, стрелка 4 с помощью контакта 5 замкнет цепь и включит лампу Л₃ определенного цвета, например зеленого.

Если же давление среды увеличится до верхнего заданного значения, то стрелка с помощью контакта 5 замкнет контакт 3, а следовательно, и цепь красной лампы Л_к.

Выпускаемые приборы типа ЭКМ имеют класс точности 2,5.

Манометры электрические дистанционные.В пружинных манометрах электрических дистанционных типа МЭД происходит преобразование в электрический сигнал давления измеряемой среды, приводящего к механической деформации измерительной части прибора.

3.4 Измерение расхода твердых, жидких и газообразных веществ.

Масса вещества, перемешаемая в единицу времени по трубопроводу или каналу, называется расходом вещества. Расход вещества выражают в единицах измерения объема или массы. Наиболее распространенные единицы измерения объемного расхода — м³/с, м³/ч, а массового — кг/с, кг/ч и т/ч. Для перевода объемных единиц измерения расхода в массовые и обратно используют формулу

G= Vp,

где G - массовый расход вещества, кг/с;

V — объемный расход вещества, м³/с;

р — плотность вещества, кг/м³.

К приборам, измеряющим объем газа, относятся счетчики. С их помощью определяется суммарный объем газа, прошедшего за известный промежуток времени, для чего отсчитываются показания прибора в начале и конце периода измерения и вычисляется разность этих показаний.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Расходомеры показывают или записывают мгновенное значение расхода, отнесенного к единице времени. В ряде случаев расходомер снабжается суммирующим счетным механизмом (интегратором).

Для определения массы и расхода жидкости, газа или пара обычно применяют следующие методы измерений: дроссельный, скоростной и объемный. Дроссельным методом определяется расход, а скоростным и объемным — объем жидкости, газа и пара.

Дроссельные расходомеры.Дроссельный метод измерения основан на изменении статического давления среды, проходящей через искусственно суженное сечение трубопровода.

Дроссельный расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный прибор), дифференциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего устройства (вторичный прибор), и соединительных линий (двух трубок), связывающих между собой оба прибора.

Сужающее устройство (диафрагма) имеет круглое отверстие, расположенное концентрично относительно стенок трубы, диаметр d которого меньше внутреннего диаметра D трубопровода.

При прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной энергии вещества, часть которой вследствие сжатия струи и соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной энергии приводит к появлению разности статических давлений (перепада давления), которая определяется при помощи дифференциального манометра. По измеренному перепаду давления может быть определена кинетическая энергия потока при дросселировании, а по ней — средняя скорость и расход вещества.

На рис. 12.12 показано, как устанавливается диафрагма в трубопроводе и как меняется при этом характер потока.

Рис. 12.12. Характер потока в трубопроводе при установке сужающего устройства:

D, d - диаметр трубопровода и сужаюшего устройства; F₁, F₀, F₂ - плошали сечений соответственно трубопровода, сужающего устройства, максимально сжатого участка;

v₁, v₂ - скорости потока в трубопроводе и максимально сжатом участке

По способу отбора статического давления к дифференциальному манометру стандартные диафрагмы делятся на камерные и бескамерные В камерной диафрагме импульсы давления к дифференциальному манометру передаются через две кольцевые уравнительные камеры, позволяющие усреднить давление по окружности трубопровода и обеспечивающие более точное измерение перепада давления в камере.

Объемные счетчикидля газа.Для измерения объема горючего газа используются объемные ротационные счетчики. Ротационный счетчик (рис. 12.13, а) содержит измерительную камеру 1, в которой размещены две широкие вращающиеся в разные стороны лопасти 2 и 3 восьмеричной формы.

Рис. 12.13. Счетчики расхода газа:

а - ротационный типа РС-100М; б - турбинный (тахометрический);

1 - измерительная камера; 2, 3 - лопасти; 4 - счетный механизм;

5 - дифференциальный манометр; 6 - корпус; 7 - турбина; 8 - счетчик; 9 - редуктор:

10 - обтекатели; 11 - неподвижные направляющие аппараты; 12 - гильза

Действие ротационного счетчика основано на вытеснении определенных объемов газа, заключенных между стенками измерительной камеры и лопастями, при вращении последних под влиянием разности давлений газа до счетчика и после него. Величина зазоров между шестернями и стенками измерительной камеры не превышает 0,03...0,06 мм, т.е. погрешность измерения из-за перетекания газа через них невелика.

Прибор имеет роликовый счетный механизм 4, связанный с одной из лопастей при помощи магнитной муфты или непосредственно выходной осью, пропущенной через сальниковое уплотнение. Для контроля за степенью засоренности счетчика в него встроен водяной двухтрубный дифференциальный манометр 5, измеряющий перепад давления в приборе.

Ротационные счетчики устанавливают на вертикальных участках газопровода с нисходящим потоком газа. Входной патрубок счетчика снабжен сетчатым фильтром для очистки газа от механических примесей.

Ротационные счетчики типа PC выпускаются на номинальную производительность от 40 до 1000 м³/ч. Сопротивление счетчиков при номинальном расходе газа составляет 300 Па (30 мм вод. ст.).

Турбинные (скоростные) счетчики.Газовый тахометрический турбинный счетчик (рис. 12.13, б) состоит из чугунного корпуса 6 с фланцами для присоединения к трубопроводу, турбины 7, счетчика 8, обтекателей 10, расположенных с обеих сторон турбины. Лопатки турбины размещены в кольцевом зазоре между гильзой 12 и обтекателями 10 и имеют наклон около 45°.

Спереди и сзади турбины установлены неподвижные направляющие лопатки 11, выравнивающие поток газа. Турбина связана посредством червячной передачи редуктора 9 со счетчиком 8.

Частота вращения турбины пропорциональна скорости течения газа, а следовательно, и его расходу.

3.5 Измерение уровня жидкости и твердых сыпучих тел.

Широкое распространение в котельных установках получили гидростатические уровнемеры, основанные на принципе измерения разности давлений двух водяных столбов.

На рис. 12.14, а приведен уровнемер с жидкостным однотрубным дифференциальным манометром. Этот прибор присоединяется к барабану при помоши двух стальных трубок 1 и 12 и имеет уравнительный сосуд 2, соединительные медные трубки 3 и 11, грязеуловители 4 и 10, широкий сосуд 9 и измерительную трубку 7 небольшого диаметра. Заполнение водой и продувка грязеуловителей осуществляются через верхние и нижние отверстия в их корпусе. Отверстие, закрытое пробкой 8, служит для выпуска из прибора рабочей жидкости. Хорошая видимость уровня жидкости обеспечивается лампой 6 с рефлектором, а отключение измерительной трубки — вентилем 5.

Рис. 12.14. Гидростатические уровнемеры паровых котлов:

а — с жидкостным однотрубным дифференциальным манометром; б — с мембранным дифференциальным манометром; 1, 3, 11, 12 — соединительные трубки;

2 — уравнительный сосуд; 4, 10 — грязеуловители; 5 — вентиль; 6 — лампа с рефлектором; 7 — измерительная трубка; 8 — пробка; 9 — широкий сосуд;

13 — дифференциальный манометр

Для измерения уровня воды в барабане и в системах автоматического регулирования используется гидростатический уровнемер, приведенный на рис. 12.14, б. Он состоит из двухкамерного уравнительного сосуда 2, бесшкального мембранного дифференциального манометра (датчика) 13 типа ДМ. В плюсовой камере уравнительного сосуда, соединенной трубкой 11 с паровым пространством барабана котла, уровень конденсата поддерживается постоянным. Минусовая камера сосуда соединяется трубкой 3 с водяным пространством котла. Уровень воды в этой камере соответствует переменному уровню в барабане котла. Давление столба воды плюсовой и минусовой камер уравнительного сосуда передается по соединительным трубкам 11 и 3 нижней и верхней полостям дифференциального манометра.

Под действием разности давлений нижней и верхней камер плунжер перемещается в индукционной катушке, индуцируя некую величину электродвижущей силы ∆Е, зависящую от уровня воды в барабане и фиксируемую с помошью вторичного прибора.

3.6 Анализ дымовых газов.

Приборы для количественного анализа состава газов называются газоанализаторами. Существуют ручные (переносные) и автоматические газоанализаторы. Первые служат для контрольных и лабораторных измерений, а вторые — для непрерывного анализа газов в промышленных установках. Благодаря большой точности измерения ручными газоанализаторами пользуются при испытаниях и наладке работы котлоагрегатов, а также для проверки автоматических газоанализаторов.

По принципу действия газоанализаторы делятся на химические, хроматографические, магнитные и электрические.

Переносные химические газоанализаторы по своему назначению подразделяются на газоанализаторы для сокращенного и полного (общего) анализа газа.

Химические газоанализаторы выполняют определение содержания отдельных компонентов газовой смеси путем избирательного поглощения (абсорбции) их соответствующими химическими реактивами.

На рис. 12.15 показана схема переносного газоанализатора типа ГХП-ЗМ для сокращенного анализа. Прибором определяется содержание в дымовых газах СО₂, О₂ и СО посредством стеклянных поглотительных сосудов 13, 14, 15 с реактивами. Каждый из сосудов содержит 200 мл реактива и состоит из двух сообщающихся баллонов, из которых один служит для поглощения реактивом газа, а второй — для приема реактива, вытесняемого во время поглощения. В баллонах для поглощения газа, присоединенных с помощью тонких трубок с кранами 3, 4, 7 к стеклянной распределительной гребенке 5, помещены тонкостенные стеклянные трубки наружным диаметром 4...5 мм, предназначенные для увеличения поверхности соприкосновения реактива с исследуемым газом. Баллоны для приема реактива соединены в верхней части стеклянной трубкой 6 с резиновым мешочком 12, изолирующим растворы от атмосферы.

К правому концу распределительной гребенки подключена измерительная бюретка 8 емкостью 100 мл (соответствует 100%), помешенная в стеклянный цилиндрический сосуд (рубашку) с водой для охлаждения пробы газа и поддержания ее температуры постоянной во время анализа.

При помощи резиновой трубки измерительная бюретка присоединена к уравнительному сосуду 9 с замыкающей жидкостью, состоящей из водного раствора хлористого натрия для отбора и перемещения в приборе пробы газа.

На левом конце распределительной гребенки установлен трехходовой кран 2, сообщающийся с атмосферой посредством трубки, имеющей на конце резиновую грушу 16, и с фильтром 17 для очистки газа, заполненным стекловатой. Фильтр связан с газопод-водящей трубкой /, проложенной от газохода котла.

Сосуд 13 служит для поглощения СО₂. В качестве реактива используется водный раствор гидроксида калия (КОН). Сосуд 14 предназначен для поглощения О₂. Реактивом служит щелочной раствор пирогаллоловой кислоты [С₆Н₃(ОН)₃]. Поглощение СО происходит в сосуде 15 щелочным раствором СиС1₂ (хлорид меди (II)).

Рис 12.15. Схема переносного шзоанализатора типа ГХП-ЗМ для сокращенного анализа:

1 — газоподводящая трубка; 2— трехходовой кран; 3, 4, 7— краны; 5 — распределительная гребенка; 6 — стеклянная трубка; 8 — измерительная бюретка;

9 — уравнительным сосуд; 10— шкала; 11 — водяная рубашка; 12 — резиновый мешочек; 13, 14, 15— поглотительные сосуды;10 — резиновая груша; 17— фильтр

Магнитные газоанализаторы служат для определения содержания в дымовых газах кислорода, магнитные свойства которого резко отличаются от магнитных свойств других газов.

Действие электрических газоанализаторов основано на различии теплопроводностей отдельных компонентов газовой смеси и воздуха, определяемых электрическим путем. Чаше всего электрические газоанализаторы используются для измерения содержания в дымовых газах диоксида углерода (СО₂ — углекислый газ). Теплопроводность СО₂ почти в 2 раза меньше теплопроводности воздуха, тогда как для СО, N₂ и О₂ этот показатель почти такой же, как у воздуха. Это обстоятельство используется для определения содержания СО₂ в дымовых газах по изменению теплопроводности смеси. Влияние водяных паров на теплопроводность газовой смеси устраняется сушкой газа в холодильнике, расположенном перед прибором.

Лекция №13 (2 часа)

Тема: «Автоматизация котельных»

1 Вопросы лекции:

1.1 Виды автоматизации.

1.2 Измерения и контроль технологических параметров.

1.3 Сигнализация. Автоматика безопасности.

1.4 Автоматическое регулирование котельных установок.

1.5 Автоматическое регулирование питания котла.

1.6 Автоматическое регулирование процесса горения.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3 Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.

2.2.5. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Виды автоматизации.

Системы автоматики современных котлов подразделяются на следующие виды, которые выполняют определенные функции:

1) автоматическое регулирование параметров работы:

• давления пара в барабане паровых котлов или температуры горячей воды для водогрейных;

• расхода воздуха на горение (соотношение расходов газ: воздух);

• разрежения в топке;

• температуры перегрева пара;

• уровня воды в барабане (для паровых котлов);

2) автоматическая защита котла (автоматика безопасности) отключением подачи газа при следующих предаварийных показателях:

• повышение давления пара для паровых котлов и температуры горячей воды для водогрейных;

• повышение или понижение давления газа перед горелками;

• понижение давления воздуха перед горелками;

• понижение разрежения в топке;

• погасание факела;

• повышение или понижение уровня воды в барабане парового котла и отключение циркуляционных насосов для водогрейных котлов;

• отключение электроэнергии;

3) световая и звуковая сигнализация при срабатывании автоматики по п. 2;

4) дистанционный контроль ряда параметров, выносимых на щиты управления и контроля. Набор параметров определяется проектной организацией, как правило, это разрежение в топке, давление воздуха за вентилятором, температура продуктов горения по дымовому тракту, силы тока электродвигателей дымососа и
вентилятора и т.д.;

5) дистанционное управление направляющими аппаратами дымососа и вентилятора, питательным клапаном, регулирующим органом на газопроводе;

6) полуавтоматический или автоматический пуск котла.

3.2 Измерения и контроль технологических параметров.

На каждом теплоэнергетической установке должны быть предусмотрены приборы безопасности, обеспечивающие своевременное и надежное автоматическое отключение котла или его элементов при недопустимых отклонениях от заданных режимов эксплуатации. Паровые котлы должны иметь автоматические регуляторы питания и звуковые сигнализаторы верхнего и нижнего предельных положений уровней воды.

При камерном сжигании топлива все теплоэнергетические установки оборудуются устройствами и приборами, которые автоматически прекращают подачу топлива к горелкам в случаях: а) повышения или понижения давления газообразного топлива перед горелками за пределы установленных норм; б) понижения давления жидкого топлива перед горелками до предельных значений (за исключением ротационных форсунок); в) понижения или повышения уровня воды в барабане; г) погасания факела горелок в топке; д) отключении дымососов и вентиляторов, прекращения тяги, уменьшения разрежения в топке; е) понижения давления воздуха перед горелками (с принудительной подачей воздуха).

Кроме того, в водогрейных котлах, во избежание гидравлического удара трубопроводов, автоматически прекращается подача топлива к горелкам в случаях: а) повышения давления воды в выходном коллекторе более чем на 5 % расчетного или разрешенного давления; б) понижения давления воды в выходном коллекторе котла до значения, соответствующего давлению насыщения; в) повышения температуры воды на выходе из котла до значения, меньшего на 20 °С температуры насыщения; г) уменьшения расхода воды через котел до значения, при котором недогрев воды до кипения на выходе из котла при максимальной нагрузке и рабочем давлении в выходном коллекторе достигает 20 °С.

Регулирование температуры пара в пароперегревателе производится регулятором температуры, воздействующим на охлаждающую питательную воду, поступающую в пароохладитель.

Автоматическое регулирование непрерывной продувки производится при отклонении солесодержания котловой воды от установленной нормы. Основной импульс от датчика солемера котловой воды передается на регулятор, а второй импульс поступает от дифманометра, воспринимающего изменение расхода пара в котле. Регулятор воздействует на клапан непрерывной продувки, изменяя ее значение.

Автоматическое регулирование питания котельного агрегата водой производится авторегуляторами питания, которые воспринимают импульс по уровню воды в барабане котла и по расходу пара из него (двухимпульсные) или по расходу пара и расходу воды (трехимпульсные).

Для автоматического регулирования работы котельных агрегатов применяют различные системы: «Кристалл», АМК-У, КСУ, КУРС и др.

Система автоматического регулирования для котлов ДКВР, ДЕ и водогрейных с температурой воды более 115 °С поддерживает давление пара и уровень воды в барабане котла, разрежение в топке и соотношение «газ – воздух», температуру горячей воды. Система имеет комплекс датчиков (первичных приборов), усилителей, преобразователей, исполнительных механизмов и регулирующих органов.

Первичные приборы контролируют:

• давление пара в барабане котла – манометром электрическим, дистанционным (МЭД);

• соотношение «газ – воздух» и разрежение в топке – дифференциальными тягомерами (ДТ−2);

• уровень воды в барабане – дифманометром (ДМ);

• температуру наружного воздуха – термометром сопротивления (ТС).

Первичный прибор (датчик) реагирует на отклонение регулируемого параметра от заданного значения, преобразует это отклонение в электрический сигнал и подает его на усилитель.

Усилитель транзисторный (УТ) питает первичную обмотку датчика, суммирует сигналы, поступившие от вторичной обмотки датчика и задатчика, усиливает их и подает командный сигнал на исполнительный механизм (ИМ). С помощью УТ осуществляется дистанционное управление ИМ для воздействия на регулирующий орган. Исполнительный механизм может быть гидравлическим (ГИМ), электрическим (ЭИМ) или пневматическим (ПИМ). Регулирующими органами служат: а) мазутный клапан или газовая заслонка – изменяют подачу топлива; б) направляющий аппарат вентилятора – регулирует подачу воздуха в топку и соотношение «газ – воздух»; в) направляющий аппарат дымососа – обеспечивает поддержание устойчивого разрежения в топке в пределах 2…3 кгс/м²(мм вод. ст.); г) регулятор питания – поддерживает уровень воды в заданных пределах.

На передней панели прибора имеются: сигнальные лампочки, сигнализирующие отклонение того или иного параметра от заданного значения; ручка задатчика; тумблер-переключатель управления режимом работы – «автоматика» или «дистанционное»; тумблер дистанционного управления ИМ – «больше» или «меньше».

Так, например, при повышении давления пара в барабане котла МЭД подает сигнал на УТ, где он суммируется с сигналом устройства обратной связи (задатчика), при несовпадении усиливается, и командный сигнал поступает на ИМ, который воздействует на регулирующий орган, т.е. на газовую заслонку, прикрывает ее, и подача газа уменьшается. При этом нарушается соотношение «газ – воздух», а отклонение данного параметра контролируется датчиком ДТ-2, он срабатывает и дает электрический сигнал на свой УТ, откуда поступает командный сигнал на ИМ вентилятора. Лопатки направляющего аппарата прикрываются, уменьшая подачу воздуха пропорционально количеству газа, и соотношение «газ – воздух» восстанавливается. Разрежение в топке при этом увеличивается, так как количество газов уменьшилось, а дымосос работает с прежней производительностью. На это реагирует датчик разрежения ДТ-2 и подает сигнал на свой УТ, который подает командный сигнал на ИМ дымососа, и лопатки направляющего аппарата прикрываются, а разрежение в топке восстанавливается. При уменьшении горения процесс парообразования уменьшается, и уровень воды в барабане возрастает. Реагирует ДМ и сигнализирует на УТ, откуда командный сигнал идет на ИМ регулятора питания, и подача питательной воды уменьшается.

Такое же пропорциональное регулирование работы системы происходит и при снижении давления пара в барабане.

Система АМК-У предназначена для комплексной автоматизации работы паровых котлов производительностью до 1,6 т/ч и водогрейных котлов, работающих на жидком и газообразном топливе; в зависимости от области применения предусматриваются восемь модификаций системы. Комплект средств управления (КСУ) предназначен для паровых котлов паропроизводительностью до 2,5 т/ч.

Котлы с естественной циркуляцией, принудительной подачей топлива и принудительной тягой комплектуются средствами управления КСУ-2П-1, такие же котлы с топками под наддувом – КСУ-2П-2, а для прямоточных котлов с наддувом – КСУ-2П-3.

3.3 Автоматика безопасности. Сигнализация.

Автоматика безопасности (АБ) состоит из датчиков, щита управления со звуковой и световой сигнализацией, клапанов-отсекателей газа. Датчики контролируют аварийные значения: газа среднего давления, давления пара в котле, давления воды на выходе из котла – электроконтактным манометром (ЭКМ); наличие пламени – фотодатчиком (ФД); газа низкого давления, давления воздуха перед горелкой, разрежения в топке – датчиком тяги (ДТ) или датчиком напора тяги (ДНТ); температуры на выходе из котла – электроконтактным термометром (ЭКТ). Клапаны-отсекатели газа типа ПКН (ПЗК) с электромагнитом и газовые клапаны типа КГ или СВГМ регулируют и отсекают подачу газа. При аварийном значении контролируемого параметра срабатывает соответствующий датчик и подает электросигнал на щит управления, где также срабатывает схема и отключает напряжение с электромагнита ПКН, который закрывает подачу газа (т.е. срабатывает клапан-отсекатель). Одновременно включается звуковая сигнализация и загорается лампочка, показывающая причину отсечки газа.

Оператор проверяет исправность АБ при приеме смены. Слесарь КИПиА один раз в 10 дней в присутствии оператора проверяет исправность АБ имитацией отсечки, а один раз в месяц в присутствии оператора и ответственного за газовое хозяйство проверяет исправность АБ с фактической отсечкой газа, в каждом случае делая запись в журнале АБ.

Надежная, безопасная и экономичная работа оборудования осуществляется персоналом в соответствии с инструкциями и правилами эксплуатации и обеспечивается с помощью КИП и аппаратуры для контроля и управления.

Технологическому контролю подлежат следующие параметры: давление, температура, расход пара; температура уходящих газов и продуктов сгорания; давление и температура воздуха; разрежение в топке и газоходах; количество и качество топлива; качество воды и пара; расход электроэнергии и др.

Для автоматизации управления работой теплоэнергетического оборудования котельных, кроме КИП, применяют:

1) устройства дистанционного управления (электродвигатели, электромагнитные приводы, гидравлические системы), предназначенные для пуска оборудования (топок, вентиляторов, дымососов, насосов) и воздействия на регулирующие и запорные органы;

2) устройства защиты, служащие для предохранения котельных агрегатов и оборудования от аварий;

3) автоматические устройства для управления периодическими операциями пуска и остановки оборудования;

4) автоматические блокировки – устройства, ограждающие оборудование от неправильных операций, выполненных по ошибке персонала, неправильного включения или отключения механизмов; обеспечивающие заданную последовательность операций при растопке котла и автоматическое прекращение подачи топлива при возникновении аварийных режимов;

5) автоматическое регулирование с помощью авторегуляторов для поддержания параметров на заданном значении или изменения их по определенной программе;

6) предупредительную, контрольную, аварийную и командную сигнализацию.

Предупредительная сигнализация служит для извещения персонала о нарушениях нормального режима работы оборудования, связанных с изменением параметров (давления, температуры воды, пара и др.). Контрольная сигнализация предназначена для извещения персонала в данный момент о работе или остановке оборудования, о положении запорных и регулирующих органов и др. Аварийная сигнализация извещает персонал о аварийной остановке оборудования. Командная сигнализация применяется для передачи сигналов (команд) от одного оперативного поста к другому.

Предупредительную и аварийную сигнализации выполняют световой и звуковой (сирена). Контрольная и командная сигнализации осуществляются обычно с помощью световых табло.

3.4 Автоматическое регулирование котельных установок.

Система автоматического регулирования котельных установок обеспечивает изменение производительности установки при сохранении заданных параметров (давления и температуры пара) и максимального КПД установки. Кроме того, повышает безопасность, надежность и экономичность работы котла, сокращает количество обслуживающего персонала и облегчает условия его труда. Автоматическое регулирование котла включает регулирование подачи воды, температуры перегретого пара и процесса горения. При регулировании питания котла обеспечивается соответствие между расходами воды, подаваемой в котел, и вырабатываемого пара, что характеризуется постоянством уровня воды в барабане.

Регулирование питания котлов малой производительности обычно осуществляется одноимпульсными регуляторами, управляемыми датчиками изменения уровня воды в барабане. В котлах средней и большой паропроизводительности с малым водяным объемом применяются двухимпульсные регуляторы питания котла по уровню воды и расходу пара, а также трехимпульсные. Управляющие питанием котла по уровню воды, расходу пара и перепаду давлений на регулирующем клапане.

Регулирование температуры пара осуществляется регулятором, управляемым датчиками изменения температуры перегретого пара на выходе из пароперегревателя, изменения температуры пара в промежуточном коллекторе пароперегревателя и изменения температуры газов в газоходе пароперегревателя, а иногда еще датчиком изменения давления пара.

Регулирование процесса горения в топке котла (в соответствии с расходом пара) осуществляется регуляторами подачи топлива II, воздуха III и регулятором тяги IV (см. рис 13.1). Регуляторы подачи топлива II и воздуха III управляются датчиком изменения давления перегретого пара I, а регулятор тяги IV - датчиком изменения разрежения в топке 7 котла.

Рисунок 13.1. Схема автоматического регулирования котельной установки:

1 - бункер угля; 2 - шаровая мельница; 3 - сепаратор; 4 - циклон; 5 - бункер пыли;

6 - мельничный вентилятор; 7 - топка котла; 8 - барабан котла;

9 - пароперегреватель; 10 - пароохладитель; 11 - экономайзер;

12 - воздухоподогреватель; 13 - вентилятор; 14 - дымосос; I - датчик измерения давления перегретого пара; II - регулятор топлива; III - регулятор воздуха; IV - регулятор тяги; V - регулятор загрузки мельницы; VI - регулятор температуры мельницы.

В котельных установках, работающих на пылевидном топливе, осуществляется также регулирование работы пылеприготовительной системы регулятором V загрузки мельниц, обеспечивающим постоянство загрузки шаровых барабанных мельниц и регулятором VI температуры пылевоздушной смеси за мельницей.

Для предупреждения персонала о недопустимости отклонения важнейших параметров котельной установки от заданных служат звуковые и световые сигнализаторы предельных уровней воды в барабане, предельных температур перегретого пара и низшего давления питательной воды. Для обеспечения правильной последовательности операций при пуске и остановке механизмов применяется блокировка. Так, при аварийном отключении дымососов отключаются дутьевые вентиляторы и прекращается подача топлива в топку.

3.5 Автоматическое регулирование питания котла.

Автоматизация питания барабанных котлоагрегатов предусматривает автоматическое управление питанием водой как при условиях нормального протекания эксплутационных режимов работы котла, так и при режимах пуска и останова котельного агрегата.

В свою очередь нормальные эксплутационные режимы работы могут протекать при постоянном и переменном (скользящем) давлении свежего пара.

Показателем соответствия материального баланса между паром и водой – расхода свежего пара и расхода питательной воды служит уровень в барабане котла. Отклонение уровня воды в барабане от среднего значения характеризует наличие небаланса между притоком питательной воды и расходом пара. Оно (отклонение) происходит также вследствие изменения паросодержания пара в пароводяной смеси подъемных труб за счет колебаний давления пара в барабане котла или изменений тепловосприятия испарительных поверхностей нагрева.

Так, при увеличении расхода пара в первый момент после возмущения уровень воды в барабане возрастает в результате резкого уменьшения давления пара, что в свою очередь приводит к увеличению паросодержания в подъемных трубах циркуляционного контура и росту уровня. Это явление называется набуханием уровня.

При изменении нагрузки котла и, как следствие, изменении его паропроизводительности средний уровень воды должен поддерживаться постоянным.

Максимально допустимые отклонения уровня воды в барабане составляют + 100 мм от среднего значения, установленного заводом-изготовителем. При этом средний уровень не обязательно должен совпадать с геометрической осью барабана. Снижение уровня ниже видимой части водомерного стекла, установленного на барабане котельного агрегата, считается «упуском» воды, а превышение его верхней видимой части – «перепиткой». Расстояние между этими критическими отметками составляет 400 мм.

Снижение уровня ниже места присоединения опускных труб циркуляционного контура может привести к нарушению питания и охлаждению водой подъемных труб, нарушению их прочности в местах стыковки с корпусом барабана, а в наиболее тяжелых случаях и пережогу.

Чрезмерное повышение уровня может привести к ухудшению действия внутрибарабанных сепарационных устройств, заносу солями пароперегревателя, а также забросу частиц воды в турбину, что может явиться причиной тяжелых механических повреждений лопаток ее ротора.

Снабжение барабана водой осуществляется по одной, реже двум ниткам трубопроводов питательной воды, одна из которых служит резервной.

Схема автоматического регулирования питания котельного агрегата. В АСР питания котла водой реализован принцип комбинированного регулирования по возмущению – при изменении расхода пара или питательной воды и отклонению – при изменении уровня воды в барабане котла.

Регулятор питания должен обеспечить постоянство среднего уровня воды независимо от нагрузки котла и возмущающих воздействий (Рис. 13.2).

В АСР питания используют для этих целей трехимпульсный регулятор питания. Сигналы по возмущению: расход свежего пара D_n, расход питательной воды D_n_в. Сигнал по отклонению: уровень в барабане котельного агрегата H_б. Сигнал по расходу питательной воды используется как выключающий для снятия в статике сигнала по расходу пара.

Регулятор питания перемещает регулировочный орган на линии питательной воды при появлении сигнала небаланса между расходами питательной воды и перегретого пара. Помимо этого он воздействует на положение клапана при отклонении уровня воды в барабане котельного агрегата от заданного значения. Использование сигналов D_n и D_n_в обеспечивают быстродействие АСР питания, сигнал H_б – заданную точность поддержания уровня в барабане.

В схеме измерительного блока регулятора питания датчики D_n_, D_пв и H_б включены таким образом, что при понижении уровня воды в барабане котлоагрегата, увеличении расхода пара, уменьшении расхода питательной воды, они действуют в одном направлении – в сторону открытия питательного клапана, а при повышении уровня, уменьшении расхода пара и увеличении расхода питательной воды в сторону закрытия питательного клапана.

Рис. 13.2 Принципиальная схема регулирования питания барабана котла.

1-экономайзер, 2-барабан котла, 3-пароперегреватель, 4-регулятор питания, 5-датчик уровня, 6-задатчик, 7-датчик расхода пара, 8-датчик расхода питательной воды,

9-регулятор производительности, 10-питательный клапан, 11-питательный насос,

12-гидромуфта, 13-электродвигатель, 14 – дифференциальный манометр.

В качестве регулировочных органов питания используются шиберные клапаны и клапаны золотникового типа.

При полном сбросе нагрузки на котле вследствие повышения давления пара в барабане возможно срабатывание предохранительных клапанов. Количество пара, проходящее через эти клапаны не учитывается датчиком расхода пара. Регулятор питания при этом становится двухимпульсным и будет поддерживать заниженный уровень в барабане в соответствии с неравномерностью регулятора по уровню. Поэтому необходимо выбирать минимально возможную величину неравномерности по уровню, обеспечивающую приемлемые динамические качества АСР питания.

При скользящем (переменном) начальном давлении пара перед турбиной для котла, работающего с ней в блоке, по всему пароводяному тракту отсутствуют дросселирование рабочего тела, а уменьшение давления производится снижением скорости вращения питательного насоса, при этом сокращается мощность, затрачиваемая на его привод. Изменение числа оборотов питательного насоса, (11) связанного гидромуфтой (12) с электродвигателем (13), достигается воздействием регулятора производительности (9) по сигналу перепада давления на питательном клапане (10) от дифманометра (14).

3.6 Автоматическое регулирование процесса горения.

Функции приведения нагрузки котла к заданному значению, функции обеспечения соответствия между подачами топлива и воздуха, стабилизации разрежения в топке возлагаются на регуляторы топлива, воздуха и тяги, комплекс которых называется «регуляторами процесса горения».

Регулирование подачи топлива. В каждый момент времени в топке котла должно сгорать столько топлива, чтобы количество пара, вырабатываемого котельным агрегатом, соответствовало количеству потребляемого пара, т. е. внешней нагрузке котельного агрегата. Показателем такого соответствия является давление пара при выходе из котла.

Если при сгорании топлива выделяется больше тепла, чем это необходимо для производства потребляемого количества пара, то излишнее тепло аккумулируется в котле, что приводит к росту давления. Наоборот, если топливо подается в недостаточном количестве, то потребность в паре покрывается частично за счет тепла, аккумулированного в котловой воде, а давление пара при этом падает. Таким образом, подача топлива должна производится так, чтобы обеспечить постоянное давление пара при выходе из котла.

Регулирование подачи воздуха. Подача воздуха в топку должна обеспечить наиболее экономичный режим горения топлива. Для этого требуется поддерживать соответствие между количеством и качеством подаваемого топлива, с одной стороны, и количеством воздуха, необходимого для горения, с другой. Показателем этого соответствия является коэффициент избытка воздуха в топке α_т, который контролируется по данным газового анализа.

Оптимальное значение избытка воздуха зависит от вида топлива, способа его сжигания, конструкции топочного устройства, нагрузки котельного агрегата. В конкретных условиях оптимальное значение α_т при различных нагрузках определяется на основании испытаний котельного агрегата.

Значение α_т можно оценить по содержанию свободного кислорода О₂ в дымовых газах, покидающих топочную камеру.

α_т = 21 / 21 - О₂

Содержание О₂ определяют в поворотной камере газохода за пароперегревателем в %. Оптимальное значение О₂ при номинальной нагрузке при сжигании пылевидного топлива – 3-5 %, при сжигании мазута и газа - 0,2-2 %, при этом α_т=1,2 – 1,3.

Значительное увеличение избытка воздуха против оптимального приводит к росту потерь тепла с уходящими газами q₂, а чрезмерное снижение избытка воздуха увеличивает потери с химической неполнотой сгорания q₃.

Регулирование тяги. Регулирование тяги должно обеспечивать полное удаление продуктов сгорания.

В статических (равновесных) режимах производительность дымососов должна в каждый момент времени соответствовать производительности дутьевых вентиляторов. Показателем этого соответствия служит разрежение в топочной камере.

Допускать в топке котельного агрегата избыточное давление нельзя, за исключением котлоагрегатов, работающих под наддувом, т. к. это вызывает выбивание газов и пламени из топки.

С другой стороны, при значительном разрежении в топке возрастают присосы воздуха, снижающие экономичность работы котла за счет потерь с уходящими газами – q₂ и увеличения расхода электроэнергии на работу дымососов.

Разрежение в различных зонах топочного пространства котельного агрегата по высоте топочной камеры неодинаково. Вследствие явления самотяги разрежение в верхней части топки бывает обычно примерно на 0,1 кПа больше, чем в нижней. Поэтому поддерживают необходимое минимальное разрежение в верхней части топочной камеры.

Лекция №14 (2 часа)

Тема: «Годовой график теплопотребления»

1 Вопросы лекции:

1.1 Определение годового количества тепловой энергии, вырабатываемого котельной.

1.2 Определение годового расхода топлива.

1.3 Порядок построения годового графика теплопотребления.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Определение годового количества тепловой энергии, вырабатываемого котельной.

Расход тепла для отопления зданий Q принимается в соответствии с типовым или индивидуальным проектом здания или системы отопления.

Для расчета эксплуатационных затрат необходимо предварительно определить необходимую годовую выработку теплоты котельной. Выработка теплоты котельной включает в себя несколько статей: отпуск теплоты на технологию, на горячее водоснабжение, на отопление и вентиляцию.

При использовании пара на технологические нужды годовой отпуск теплоты на технологию определяется следующим образом, кДж/год

где τ_тех – число часов использования технологической нагрузки в год, ч;

D_тех – расход пара на технологические нужды, кг/с;

i_п.т – энтальпия пара, отпускаемого на технологические нужды, кДж/кг;

i_к – энтальпия возвращаемого конденсата с производства, кДж/кг.

Годовой отпуск теплоты на горячее водоснабжение, кДж/год

где Q_г.в.л.ч, Q_г.в.з.ч – часовые расходы теплоты на нужды горячего водоснабжения, соответственно, летом и зимой, кВт;

τ_г.в.л, τ_г.в.з – число часов пользования горячим водоснабжением, соответственно, в летний и зимний периоды, ч.

При проведении расчетов принимают Q_г.в.л.ч = 0,82Q_г.в.з.ч.

Годовой отпуск теплоты на отопление и вентиляцию, кДж/год

где Q_о.в.ср – среднечасовой отпуск теплоты на отопление и вентиляцию, кВт;

τ_о.в – число часов использования отопления и вентиляции в год, ч.

Среднечасовой отпуск теплоты на отопление и вентиляцию за отопительный период определяется по формуле, кВт

где – отпуск теплоты на отопление и вентиляцию для максимально-зимнего режима, кВт;

t_вн – температура воздуха внутри отапливаемых помещений, °C;

t_о.ср – средняя за отопительный период температура наружного воздуха, °C;

t_р.о – температура наружного воздуха расчетная для отопления, °C.

Данные по продолжительности отопительного периода, средняя за отопительный период температура наружного воздуха, а также расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления определяются по климатологическим данным для места расположения котельной.

Общий годовой отпуск теплоты потребителям, кДж/год

Необходимая годовая выработка теплоты котельной с учетом потерь в тепловых сетях и возвращаемого конденсата, а также потерь на собственные нужды, кДж/год

где G_к – количество возвращаемого с производства конденсата, кг/с;

c_к – теплоемкость возвращаемого конденсата, кДж/(кг·К)

t_к – температура возвращаемого конденсата, °C;

η_т.с – коэффициент сохранения теплоты в теплосетях (η_т.с = 0,9);

η_с.н – коэффициент расхода теплоты на собственные нужды (η_с.н = 0,95).

Для действующей котельной при наличии приборов учета годовой отпуск теплоты определяют по их показаниям.

Число часов использования установленной мощности рассчитывается по формуле, ч/год

3.2 Определение годового расхода топлива.

По значимости затраты на топливо, расходуемое для покрытия тепловых нагрузок котельной, являются основными и составляют более половины всех затрат. Затраты на топливо рассчитывают по следующей формуле, руб/год

где K – коэффициент, учитывающий складские, транспортные и прочие потери (для газообразного топлива принимается равным 1,055);

Ц_т – цена топлива, руб/т (руб/1000 м³);

Ц_тр – затраты на транспортировку топлива (для газообразного топлива входит в Ц_т), руб/т;

∑B_i – суммарное потребление топлива всеми котлами в расчетном режиме для вновь проектируемой котельной, кг/с (м³/с).

3.3 Порядок построения годового графика теплопотребления.

Для установления экономичного режима работы теплофикационного оборудования, выбора наивыгоднейших параметров теплоносителя, определения выработки электроэнергии на ТЭУ строят график продолжительности тепловой нагрузки (годовой график теплопотребления) для отопительного и неотопительного периодов (условно для зимнего и летнего периода). Он строится по данным расчета тепловой нагрузки и климатологическим данным. Отопительный (зимний) период определяется как продолжительность стояния в течение года среднесуточных устойчивых температур наружного воздуха ti ≤ 8 ^оС.

Годовой график теплопотребления состоит из двух частей: левой – в координатах Q-t, и правой – в координатах Q-n, где ti – текущая температура наружного воздуха; n – время, час.

В левой части строятся графики зависимости тепловых нагрузок (Qот.+в., Qг.в.с.зима и Qг.в.с.лето), суммарной тепловой нагрузки (Q_ТЭУ.) от текущей температуры наружного воздуха ti, оС.

Qг.в.с.лето = 0,65 * Qг.в.с.зима

Q_ТЭУ. = Qот.+в. + Qг.в.с.

Правая часть графика характеризует продолжительность суммарной тепловой нагрузки в течение года. Она строится по графику Q(ti) по продолжительности стояний определенных температурных градаций ni. При этом ∑ni равна продолжительности отопительного периода no. Масштаб времени n: 1мм.- 50 часов.

Лекция №15 (2 часа)

Тема: «Защита окружающей среды при работе котельного агрегата»

1 Вопросы лекции:

1.1 Вредные примеси в продуктах горения.

1.2 Очистка продуктов горения от механических примесей и газообразных токсических выбросов.

2 Литература.

2.1 Основная

2.2 Дополнительная

2.2.3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Вредные примеси в продуктах горения.

Влияние энергетики на природную среду и климат

1. По характеру воздействия: - ухудшающие качество воздуха (выбросы оксидов азота и серы, монооксида… - изменяющие радиационно-тепловой баланс атмосферы (эмиссия парниковых газов – CO2, CH4, N2O), а также выбросы,…

Выбросы тепловых электростанций (ТЭС) и котельных на органическом топливе в атмосферу

Основное загрязнение атмосферного воздуха связано со сжиганием органического топлива. ТЭС и котельные, потребляя большое количество органического топлива, оказывают существенное влияние на загрязнение воздушного бассейна.

Рабочая масса органического топлива состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги и золы. В результате полного сгорания топлива образуются углекислый газ, водяные пары, оксиды серы (сернистый газ, серный ангидрид) и зола. Из перечисленных составляющих к числу токсичных относятся оксиды серы и зола. При высоких температурах в ядре факела топочных камер котлов большой мощности происходит частичное окисление азота воздуха и топлива с образованием оксидов азота (оксид и диоксид азота). При неполном сгорании топлива в топках могут образовываться также монооксид углерода CO, углеводороды, CH₄, C₂H₆ и др., а также канцерогенные вещества. Продукты неполного сгорания весьма вредны, однако при современной технике сжигания их образование можно исключить или свести к минимуму.

Наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также некоторые сорта каменных углей (например, экибастузские). Жидкое топливо имеет небольшую зольность; природный газ является беззольным топливом. Современные золоуловители благодаря высокой степени улавливания золы позволяют значительно снизить выбросы золы и довести их до весьма малых значений.

В последнее время серьезное внимание привлекла проблема изучения канцерогенных веществ, образующихся при неполном сгорании топлива. По своей распространенности и интенсивности воздействия из многих химических веществ этого типа наибольшее значение имеют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и наиболее активный из них – бенз(а)пирен. Максимальное количество бенз(а)пирена образуется при температуре 700 – 800 °C в условиях нехватки воздуха для полного сгорания топлива.

Выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб котельных и электростанций токсичные вещества оказывают вредное воздействие на весь комплекс живой природы, называемый биосферой. Биосфера включает в себя прилегающий к поверхности Земли слой атмосферы, верхний слой почвы и верхние слои водных поверхностей.

Минздравом России установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ПДК называется такая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне дыхания человека, которая не оказывает на его организм прямого или косвенного воздействия, не снижает его работоспособности, не влияет на его самочувствие. ПДК служит основным критерием санитарно-гигиенической оценки качества атмосферного воздуха. Значения ПДК для основных загрязняющих веществ, выбрасываемых энергетическими предприятиями, приведены в табл. 15.1.

Для каждого выбрасываемого в атмосферу вредного вещества должно соблюдаться условие

или

где C_i, ПДК_i – приземные и предельно допустимые концентрации вредных веществ.

Кроме того, Минздравом РФ установлено, что совместное содержание в атмосфере некоторых веществ (веществ однонаправленного действия) может усиливать их токсичность. В энергетике к числу вредных веществ однонаправленного действия относятся диоксиды азота и серы. При одновременном наличии в атмосферном воздухе вредных веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие

Таблица 15.1 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест

Загрязняющее вещество	Предельно допустимая концентрация^*, мг/м³	Наличие в дымовых газах котельных, работающих на
Максималь-ная разовая	средне-суточная	газе	мазуте	угле
Оксид азота NO	0,4	0,06	+	+	+
Диоксид азота NO₂	0,085	0,04	+	+	+
Сернистый ангидрид SO₂	0,5	0,05	+	+	+
Пыль (зола) нетоксичная	0,5	0,15	–	–	+
Летучая зола (при массовой доле CaO ≥ 35 %)	0,05	0,02	–	–	+
Монооксид углерода CO			+	+	+
Сажа (копоть)	0,15	0,05	+	+	–
Пентаоксид ванадия V₂O₅	–	0,02	–	+	–
Сероводород H₂S	0,008	–	+	+	+
Аммиак NH₃	0,2	0,04	+	+	+
Бенз(а)пирен C₂₀H₁₂	–	0,1 · 10^-5	+	+	+
^* Максимальная разовая концентрация определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная – за сутки.

Суммарное количество M_j загрязняющего вещества j, поступающего в атмосферу с дымовыми газами котельной или ТЭС, определяется на основании измерения концентраций вредных веществ в дымовых газах по уравнению, г/с

где C_j – массовая концентрация загрязняющего вещества j в сухих дымовых газах при стандартном коэффициенте избытка воздуха α₀ = 1,4 и нормальных условиях (p = 101,3 кПа, T = 273 К), мг/м³; V_с.г – объемный расход сухих дымовых газов, образующихся при сгорании топлива при α₀ = 1,4 и нормальных условиях, м³/с; K_п – коэффициент пересчета (при определении массового расхода (выброса) загрязняющего вещества в граммах в секунду K_п = 10^-3).

3.2 Очистка продуктов горения от механических примесей и газообразных токсических выбросов.

Эффективность работы золоулавливающих устройств зависит от физико-химических свойств золы и транспортирующих ее дымовых газов. Основными параметрами золы являются плотность, дисперсный состав, удельное электрическое сопротивление, слипаемость.

Для очистки газов от золы и пыли применяются аппараты, различающиеся по конструкции и принципу осаждения частиц (рис. 15.1). Их подразделяют на четыре группы: «сухие» механические, «мокрые» механические, фильтры и электрофильтры.

Рис. 15.1. Золо-пылеуловители ТЭС и котельных: а – осадительная камера; б – жалюзийный золо-пылеуловитель; в – циклон; г – «мокрый» пыле-золоуловитель; д – рукавный фильтр; е – электрофильтр; 1 – загрязненные газы; 2 – очищенные газы; 3 – твердые частицы; 4 – вода; 5 – коронирующие электроды; 6 – осадительные электроды

Золо-пылеуловители характеризуются эффективностью улавливания, которая представляет собой отношение массы уловленной пыли к общему количеству пыли, поступающей в аппарат.

К «сухим» механическим аппаратам относятся: осадительные камеры, циклоны, инерционные, жалюзийные, вихревые и динамические пылеуловители.

Они отличаются простотой изготовления и эксплуатации. Однако эффективность улавливания пыли в них не всегда достаточна, поэтому их используют в основном для предварительной очистки газов.

Осадительные камеры представляют собой пустотелые или с горизонтальными полками камеры (рис. 15.1. а). В них используется гравитационное осаждение частиц при прохождении газа через объем аппарата со скоростью 0,2–0,8 м/с.

Жалюзийные золо-пылеуловители (рис. 15.1. б) просты по конструкции и имеют небольшое гидравлическое сопротивление. Они состоят из жалюзийной решетки и пылеуловителя (циклона). Назначение жалюзийной решетки – разделить газовый поток на две части: одну – менее запыленную, составляющую 80–90 % от всего газового потока, и другую – отсасываемую в циклон, составляющую 10–20 % всего потока и содержащую основную массу пыли, которая улавливается в циклоне. Далее очищенный в циклоне газ смешивается с основным потоком.

Скорость газа в жалюзийном пылеуловителе составляет 12–15 м/с; гидравлическое сопротивление решетки – 100–500 Па. Применяется для улавливания частиц крупнее 20 мкм.

Циклоны являются наиболее распространенными аппаратами для очистки газов от золы и пыли. Они просты в изготовлении, надежно работают при высоких температурах и давлениях газов, имеют практически постоянное гидравлическое сопротивление и не изменяют фракционную эффективность с ростом запыленности газов.

Подводка газов в циклон может быть спиральной, тангенциальной, тангенциально-винтообразной. Циклоны могут быть цилиндрическими и коническими. Цилиндрические циклоны являются высокопроизводительными аппаратами, а конические – высокоэффективными.

Принцип действия циклона следующий (рис. 15.1. в). Поток газа, подводимый тангенциально или спирально, закручивается и движется вниз по спирали. Твердые примеси, содержащиеся в газах, под действием центробежных сил прижимаются к стенкам корпуса циклона и попадают в бункер, а поток очищенных газов отводится из верхней части циклона. Степень очистки таких аппаратов составляет до 90 %.

Для повышения степени очистки применяют циклоны небольшого диаметра (0,23–0,5 м), объединяемые в батареи, так называемые батарейные циклоны. Распространены три типа элементов батарейных циклонов: с осевым направляющим аппаратом (БЦР-254), полуулиточным подводом газа (БЦУ-М) и четырехзаходным подводом газа (БЦ-512). Более высокую степень улавливания имеют батарейные циклоны типов БЦУ-М и БЦ-512.

Батарейные циклоны применяют для улавливания золы (пыли) за котлами паропроизводительностью 500 т/ч. Рекомендуется применение циклонов с тангенциальным полуулиточным подводом газа типа БЦУ-М внутренним диаметром 231 мм. Степень очистки у таких циклонов составляет 88–92 % при потере давления 500–700 Па.

К группе «мокрых» механических пыле-золоуловителей относятся: полые, насадочные, тарельчатые, ударно-инерционного действия, центробежные, скоростные (скрубберы Вентури) скрубберы. Удаление золы (пыли) в них происходит при непосредственном контакте жидкости с запыленным газом. Принцип их действия основан на отделении частиц золы (пыли) от потока инерционными силами и их прилипании к пленке воды, омывающей стенки или поверхность насадки, что исключает возврат частиц в поток газа. В золоуловителях такого типа помимо улавливания золы протекают химические процессы поглощения из дымовых газов оксидов углерода и серы.

Мокрые золоуловители отличаются высокой эффективностью (степень очистки достигает 95–97 %), относительно невысокой стоимостью, умеренными габаритами, простотой обслуживания и относительно небольшими эксплуатационными расходами.

Полые скрубберы (рис. 15.1. г) представляют собой колонны круглого или прямоугольного сечения, в которых осуществляется контакт между газом и каплями воды, распыляемой форсунками. Форсунки устанавливаются в колонне в одном или нескольких сечениях. Наиболее распространены противоточные скрубберы. Скорость газа в них изменяется от 0,6 до 1,2 м/с. Если работа производится при скоростях газа до 5–8 м/с, то устанавливаются каплеуловители.

Гидравлическое сопротивление скруббера без каплеуловителя составляет 250 Па. Высокая эффективность скруббера обеспечивается при размере частиц, превышающем 10 мкм.

В пылеуловителях с подвижной насадкой в качестве насадки используют кольца, седла и шары из полимерных материалов или пористой резины. Плотность насадки не должна превышать плотности жидкости. Оптимальный режим пылеулавливания в таких аппаратах устанавливается при полном псевдоожижении.

Процесс очистки рекомендуется проводить при следующих условиях: скорость газа – 5–6 м/с; удельный расход жидкости на орошение – 0,5–0,7 л/м³ газа; свободное сечение решетки S₀ = 0,4 м²/м² при ширине щели 4–6 мм. Оптимальный диаметр шаров – 20–40 мм. Насыпная плотность – 200–300 кг/м³. Минимальная статическая высота слоя насадки составляет 5–8 диаметров шаров в насадке, а максимальная не должна превышать диаметр скруббера.

В тарельчатых колоннах зола (пыль) удерживается газожидкостным (пенным) слоем, образующимся на контактных тарелках при взаимодействии газа и жидкости. Наиболее распространены пенные аппараты с ситчатыми тарелками или с провальными тарелками – дырчатыми, решетчатыми, трубчатыми и колосниковыми.

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрования газов через пористые перегородки. При фильтровании твердые и жидкие частицы задерживаются на перегородке, а газ полностью проходит через нее. Фильтрующие перегородки весьма разнообразны, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов.

В зависимости от назначения пористые фильтры условно разделяют на фильтры тонкой очистки, воздушные фильтры и промышленные фильтры.

Фильтры тонкой очистки предназначены для улавливания в основном субмикронных частиц из газов с низкой начальной концентрацией (< 1 мг/м³). Их применяют для улавливания особо токсичных частиц с высокой эффективностью. Для очистки газов на 99 % от частиц размером 0,05–0,5 мкм используют материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм).

Гидравлическое сопротивление чистых фильтров 200–300 Па, а забитых пылью – 700–1500 Па.

Фильтры тонкой очистки рассчитаны на срок работы 0,5–3 года. Они не регенерируются, а заменяются на новый.

Воздушные фильтры используются в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха.

К промышленным фильтрам относятся тканевые, зернистые и грубоволокнистые фильтры, используемые для очистки промышленных газов с концентрацией золы (пыли) до 60 г/м³. Наиболее распространены тканевые фильтры, которые содержат гибкую фильтрующую перегородку, имеющую форму цилиндрических рукавов (рукавные фильтры) (рис. 7.1. д). Эффективность таких фильтров – более 99,5 %, а потери напора составляют 1–1,5 кПа при скорости фильтрования 0,5–2 м/с.

Тканевые фильтры изготавливают из материала, который должен выдерживать высокую температуру уходящих газов. Материал фильтра должен быть устойчивым к повышенной влажности и воздействию химических соединений. В качестве материала фильтров используют шерсть, шерстяной войлок или лавсан при температуре газов до 130 °C. Для температуры около 260 °C применяют стекловолокно и стекловолокно с графитом. Длительность работы ткани составляет 1–3 года. Тканевые фильтры обычно делают многокамерными. Число рукавов в одной камере может составлять 100 и более.

Дымовые газы поступают снизу внутрь рукавов, осаждение частиц пыли происходит на внутренней поверхности стенки рукава. При регенерации в одну из камер прекращается подача дымовых газов, и прилипшие к ткани слои пыли удаляются встряхиванием или вибрацией рукавов. Отделению пыли способствует также струя сжатого воздуха, направляемая против движения, осуществляемого в процессе фильтрации. Отделившаяся пыль падает в пылесборник, находящийся под рукавами, и удаляется с помощью шнеков.

Остаточная концентрация золы (пыли) после тканевых фильтров может составлять 15–50 мг/м³, что удовлетворяет самым жестким нормативам.

Промышленные электрофильтры (рис. 7.1. е) используются для очистки больших объемов газа (до 1 млн. м³/ч) с концентрацией частиц до 50 г/м². В них происходит улавливание частиц любых размеров с эффективностью более 99 %. Электрофильтры могут работать при температурах газов до 400–450 °C как под разрежением, так и под давлением. Гидравлическое сопротивление их равно 100–150 Па. Затраты энергии составляют 0,1–0,5 кВт·ч на 1000 м³ очищаемого газа.

Электрофильтры имеют следующие недостатки: большие габариты, повышенная металлоемкость, высокая стоимость, для их обслуживания необходим квалифицированный персонал.

Электрофильтры подразделяются: по конструкции – на однозонные и двухзонные; по направлению газового потока – на горизонтальные и вертикальные; по конструкции осадительных электродов – на пластинчатые и трубчатые; по способу удаления пыли с электродов – на «сухие» и «мокрые»; в зависимости от количества последовательно расположенных электрических полей – на однопольные и многопольные; в зависимости от числа параллельных электрофильтров – на одно- и многосекционные.

Основными конструктивными элементами электрофильтров являются: корпус, где размещены электроды; узлы подвода, распределения и отвода очищаемых газов; устройство для удаления уловленной пыли с электродов; устройство для вывода пыли из электрофильтра; узлы ввода в электрофильтр тока высокого напряжения – изоляторные коробки.

Очистка дымовых газов в электрофильтре происходит в результате создания неравномерного электрического поля высокого напряжения (примерно 50 кВ) и образования коронного разряда между электродами. Образующиеся в зоне коронного разряда ионы и электроны вызывают ток от коронирующих к осадительным электродам – ток короны. Частицы золы, находясь между электродами, заряжаются под действием сил электрического поля, двигаются к осадительным электродам и осаждаются на них. При длительности пребывания газов в активной зоне фильтра не менее 8 с и скорости движения газов 1,2–1,5 м/с степень улавливания составляет 99–99,8 %.

Эффективность улавливания существенно зависит от электрических свойств газового потока, прежде всего от электрического сопротивления золовых частиц. С повышением удельного электрического сопротивления частиц скорость осаждения снижается. Кроме того, эффективность работы электрофильтров зависит от режима встряхивания электродов, для чего чаще всего используют ударно-молотковые механизмы. Промежутки между встряхиваниями должны быть оптимизированы для каждого поля, так как в каждом последующем поле количество осаждаемой золы уменьшается.

Эффективность очистки дымовых газов от золы и пыли значительно повышается при использовании комбинации фильтров, например, мокрого золоуловителя и электрофильтра. Увеличение влажности и снижение температуры газов в мокром золоуловителе обеспечивает эффективное улавливание золы в электрофильтре. Общая степень улавливания золы при этом достигает 99–99,5 %.

Лекция №16 (2 часа)

Тема: «Понятие вентиляция»

1 Вопросы лекции:

1.1 Понятие вентиляции, ее назначение и основные задачи.

1.2 Требования, предъявляемые к вентиляции.

1.3 Классификация систем вентиляции.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника.- М.: Энергоатомиздат, 2006.– 432 с.

2.1.2 Каледина Н.О. Вентиляция производственных объектов: учебное пособие [электронный ресурс] / Н.О. Каледина, - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2008 г. – режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/122685

2.2 Дополнительная

2.2.1 Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства. – СПб.: Политехника, 2007. – 423 с.

2.2.2 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 472 с.

2.2.3. Теплоснабжение и вентиляция. Курсовое и дипломное проектирование./ Под ред. проф. Б.М. Хрусталева – М.: Издательство АСВ, 2007. – 784 с.

2.2.4 Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства. – СПб.: Политехника, 2007. – 423 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Понятие вентиляции, ее назначение и основные задачи.

Воздух, находящийся внутри помещений, может изменять свой состав, температуру и влажность под действием самых разнообразных факторов: изменений параметров наружного (атмосферного) воздуха, выделения тепла, влаги, пыли и вредных газов от людей и технологического оборудования. В результате воздействия этих факторов воздух помещений может принимать состояния, неблагоприятные для самочувствия людей или препятствующие нормальному протеканию технологического процесса. Чтобы избежать чрезмерного ухудшения качества внутреннего воздуха, требуется осуществлять воздухообмен, то есть производить смену воздуха в помещении. При этом из помещения удаляется загрязненный внутренний воздух и взамен подается более чистый, как правило, наружный, воздух.

Таким образом, основной задачей вентиляции является обеспечение воздухообмена в помещении для поддержания расчетных параметров внутреннего воздуха. Вентиляцией называется совокупность мероприятий и устройств, обеспечивающих расчетный воздухообмен в помещениях

Вентиляция (ВЕ) помещений обычно обеспечивается при помощи одной или нескольких специальных инженерных систем – систем вентиляции (СВЕ), которые состоят из различных технических устройств. Эти устройства предназначены для выполнения отдельных задач:

- нагревания воздуха (воздухонагреватели),

- очистки воздуха (фильтры),

- транспортирования воздуха (воздуховоды),

- побуждения движения (вентиляторы),

- распределение воздуха в помещении (воздухораспределители),

- открывание и закрывание каналов для движения воздуха (клапаны и заслонки),

- снижение уровня шума (шумоглушители),

- снижение вибрации (виброизоляторы и гибкие вставки).

Кроме применения технических устройств для нормального функционирования вентиляции требуется реализация некоторых технических и организационных мероприятий. Так, для снижения уровня шума требуется соблюдение нормируемых скоростей воздуха в воздуховодах, для снижения утечек воздуха из воздуховодов качественное их изготовление и монтаж, а также использование герметизирующих материалов. Требуется обеспечить правильное управление работой СВЕ, что достигается использованием средств автоматики в совокупности с ручным управлением и настройкой.

Особо следует отметить, что ВЕ должна обеспечивать не просто воздухообмен (ВО), а расчетный воздухообмен(РВО). Таким образом, устройство ВЕ требует обязательного предварительного проектирования, в процессе которого определяется РВО, конструкция системы и режимы работы всех ее устройств. Поэтому ВЕ не следует путать с проветриванием, которое представляет неорганизованный воздухообмен. Когда житель открывает форточку в жилой комнате, это еще не вентиляция, так как неизвестно, сколько воздуха требуется, и сколько его в действительности поступает в помещение. Если же выполнены специальные расчеты, и определено, сколько воздуха надо подать в данное помещение и на какой угол надо открыть форточку, чтобы именно такое количество его и поступало в помещение, то можно говорить об устройстве вентиляции с естественным побуждением движения воздуха.

СВЕ относятся к системам обеспечения микроклимата помещений. Общая иерархия СОМК выглядит следующим образом:

1) Ограждающие конструкции зданий (НОК);

2) Системы отопления (СО);

3) Системы вентиляции (СВЕ);

4) Системы кондиционирования воздуха (СКВ).

Таким образом, в общей иерархии СОМК СВЕ занимают место между СО и СКВ.

НОК являются основой для создания микроклимата (МК). Именно за счет их и формируется определенный ограниченный объем, называемый зданием (помещением). Без НОК нет помещения и, следовательно, бессмысленно говорить о понятии МК.

НОК способны защитить от или ослабить воздействие следующих факторов:

- атмосферные осадки;

- воздействие ветра;

- воздействие прямых солнечных лучей;

- резкие изменения температуры.

Лишь в отдельных случаях, при наличии тепловых поступлений в помещение, НОК способны обеспечить в холодное время требуемый температурный режим в помещении. В подавляющем большинстве случаев использования только НОК недостаточно для поддержания требуемой температуры в помещении, поэтому для этого требуется использование дополнительных систем — ОТ, СВЕ, СКВ или их сочетания.

СО является инженерной системой, предназначенной для поддержания в помещениях только требуемой температуры. Поддержание на должном уровне других параметров МК эта система обеспечить не может. Поддержание заданной температуры обеспечивается системой СО за счет дополнительного притока тепла в помещение от нагревательных приборов или за счет подачи нагретого воздуха, как правило, в режиме рециркуляции (РЦ).

СВЕ является более развитой инженерной системой. Она способна обеспечивать поддержание на требуемом уровне более широкого набора параметров воздуха:

- температура (не во всех случаях);

- подвижность (скорость);

- относительная влажность (не во всех случаях);

- запыленность;

- концентрация вредных веществ.

СВЕ, как правило, не имеет устройства для охлаждения воздуха и осушения. Поэтому в теплое время года она не всегда способна обеспечить поддержание температуры и влажности в помещении на оптимальном уровне. Учитывая это, СВЕ обычно рассчитывается на поддержание не оптимальных, а допустимых параметров внутреннего воздуха. Тем не менее, при определенных состояниях наружного воздуха, СВЕ не способна обеспечить даже допустимые параметры. Например, летом при высокой влажности наружного воздуха (около 100%) невозможно обеспечить в помещении с избытками влаги относительную влажность внутреннего воздуха в пределах 75%.

СКВ является наиболее сложной, совершенной и мощной системой, которая в комплексе с НОК способна обеспечить в помещении поддержание всех заданных параметров воздуха на требуемом уровне с заданной степенью обеспеченности (надежности).

Четкой границы между СВЕ и СКВ нет. В традиционном понимании СКВ отличается от СВЕ только наличием источника искусственного холода (холодильная машина ХМ) и воздухоохладителя той или иной конструкции. В некоторых случаях (в жарком и сухом климате) возможен промежуточный вариант испарительного (адиабатического) охлаждения воздуха без использования ХМ. В этом случае говорят о неполном кондиционировании или вентиляции с испарительным охлаждением.

Кроме того, системы СВЕ и СКВ часто выполняют роль систем воздушного отопления, подавая в помещение перегретый воздух. В этом случае говорят о воздушном отоплении, совмещенном с вентиляцией.

При выполнение основной задачи ВЕ – создание воздухообмена в помещениях здания – СВЕ связаны определенным образом с самим помещением и с наружным воздухом. Воздух при работе СВЕ перемещается из атмосферы снаружи здания внутрь его через отверстия и проемы в НОК, каналы и воздуховоды СВЕ, и поступает внутрь помещений через воздухораспределительные устройства (ВР), а затем аналогичным образом удаляется из помещения в атмосферу. Весь этот процесс объединяется понятием воздушный режим здания (ВРЗ). Вопросы, связанные с ВРЗ делят на три задачи (группы): внутреннюю, краевую и внешнюю.

Вопросы внутренней задачи касаются моментов, связанных с расчетом параметров воздуха и его движения в самом помещении:

- расчет выделения вредных веществ, тепла и влаги в помещении;

- расчет работы местных отсосов от технологического оборудования и местной приточной вентиляции (душирование);

- расчет требуемого воздухообмена, то есть количества подаваемого воздуха;

- расчет параметров воздуха в помещении, равномерности их распределения по площади или объему помещения;

- расчет параметров приточных и вытяжных струй, создаваемых вентиляционными отверстиями, решетками и воздухораспределителями.

Вопросы краевой задачи касаются моментов, связанных с расчетом движения воздуха из атмосферы в помещение через различные устройства:

- расчет инфильтрации воздуха в помещения и эксфильтрации его из помещений через неплотности в НОК (неорганизованный воздухообмен);

- расчет площади приточных и вытяжных проемов при аэрации;

- расчет размеров вентиляционных каналов и потерь давления при движении воздуха пол ним;

- выбор способа обработки воздуха и расчет требуемого вентиляционного оборудования;

- расчет воздушной завесы для защиты проемов от чрезмерного проникновения наружного воздуха.

Вопросы внешней задачи касаются моментов, связанных с расчетом движения воздуха в атмосфере и около НОК:

- расчет ветровых давлений, создаваемых на наружной поверхности НОК;

- выбор мест расположения воздухозаборных, приточных и вытяжных проемов;

- расчет максимально-допустимого количества выбросов, не приводящего к загрязнению площадки;

- расчет концентраций вредных веществ в приземном слое, проветривания территории площадки, выбор оптимального расположения здания.

3.2 Требования, предъявляемые к вентиляции.

При проектировании СВЕ приходится стремиться, чтобы они как можно лучше удовлетворяли самым различным требованиям: санитарно-гигиеническим, экономическим, энергетическим, пожарной безопасности и другим. К сожалению, как и для любого технического решения, создание идеальной системы, абсолютно полно удовлетворяющей всем требованиям одновременно, в принципе невозможно. Например, установка дополнительного оборудования повышает возможности системы, однако растет ее стоимость, увеличиваются затраты энергии при эксплуатации, усложняется ремонт. Установка современных систем автоматики облегчает эксплуатацию систем, однако ремонт становится доступным только высококвалифицированному персоналу. Примеры можно продолжать до бесконечности. Поэтому следует всегда помнить, что любое техническое решение, в том числе и СВЕ, есть определенный компромисс между выполнением противоречивых требований, предъявляемых к нему.

Разберем подробнее, какие же основные требования предъявляются к СВЕ. Вначале дадим их общий перечень:

1) санитарно-гигиенические;

2) технологические;

3) энергетические;

4) экономические;

5) конструктивно-технологические;

6) эксплуатационные;

7) пожарной безопасности;

8) экологические;

9) архитектурно-строительные;

10) строительно-монтажные.

3.2.1. Санитарно-гигиенические требованиязаключаются в том, что вентиляция должна обеспечивать в помещениях состояние воздуха, соответствующее требованиям санитарных норм. В помещениях должны поддерживаться установленные значения температуры, влажности, концентрации вредных веществ. Особое внимание следует обратить на запыленность воздуха, так как многие СВЕ в нашей стране эксплуатируются без фильтров, состояние покрытий приточных камер, вентиляционных шахт и холодных камер не соответствуют современным требованиям. Современные конструкции установок предусматривают обязательную очистку воздуха. Специальные покрытия внутренней поверхности приточных камер допускают их влажную уборку, а иногда и полную промывку водой. Предпочтение отдается гладким металлическим и пластмассовым поверхностям. Современные фильтры позволяют производить очистку от любых пылей и микроорганизмов, производить озонирование и одорироваание воздуха.

3.2.2. Технологические требования заключаются в том, что вентиляция должна обеспечивать в помещениях состояние воздуха, соответствующее требованиям протекающего технологического процесса. Многие технологические процессы, особенно связанные с обработкой гигроскопических материалаов, весьма чувствительны к температуре и влажности внутреннего воздуха. Типичным примером являются предприятия легкой (текстильные. прядильные и трикотажные фабрики, полиграфические предприятия и др.) и пищевой промышленности. В этом случае внутренние параметры назначаются, исходя из требований именно технологического процесса, а не комфортного ощущения людей. Во многих случаях для обеспечения требуемых параметров приходится использовать СКВ, а не СВЕ.

3.2.3. Энергетические требования заключаются в том, что СВЕ должны выполнять возложенные на них функции при минимальном потреблении тепловой и электрической энергии. Выполнение данного требования обеспечивается внедрением современных методов конструирования оборудования и современных технологий его изготовления, правильным выбором размеров оборудования и вентиляционных каналов, использованием более эффективного и экономичного оборудования, использованием вторичных энергетических ресурсов (в первую очередь использованием теплоты удаляемого вентиляционного воздуха), применением современных цифровых систем автоматического регулирования (САР). Использование современных САР позволяет оптимизировать работу оборудования в самых различных режимах и эффективно управлять даже очень сложными системами, добиваясь минимума потребления энергии. Тщательное конструирование поверхностей, обтекаемых воздушным потоком позволяет также существенно снизить аэродинамическое сопротивление отдельных элементов систем, улучшить энергетические характеристики вентиляторов и насосов. Применение современных электродвигателей с внешним ротором, использование инверторных преобразователей для регулирования скорости вращения колес вентиляторов и насосов, разработка новых конструкций подшипников, улучшение тепловой изоляции оборудования – все это меры, направленные на снижение энергопотребления СВЕ.

3.2.4. Экономические требованиязаключаются в том, что стоимость самой СВЕ и стоимость ее эксплуатации должны быть как можно ниже. Иными словами, вентиляция должна быть доступна по цене, иначе просто от нее откажутся. К сожалению, это требование является наиболее сложно выполнимым. особенно в наши дни. Стоимость качественного оборудования достаточно высока, стоимость тепловой и электрической энергии непрерывно растет – все это приводит к тому, что современные системы вентиляции недоступны малообеспеченному потребителю. И, несмотря на заведомо более низкое качество оборудования, заказчик часто приобретает именно его, ориентируясь на более низкую цену. В некоторых случаях СВЕ сооружаются чисто номинально, для отвода глаз, с целью приема их службами санитарного надзора, чтобы получить разрешение на пуск предприятия. О дальнейшей их эксплуатации заказчик даже не думает. При таком подходе заказчик покупает, разумеется, самое дешевое оборудование, часто негодное к эксплуатации. Результатом становится абсолютно неприемлемое состояние воздушной среды на некоторых предприятиях.

Следует отметить, что стоимость СВЕ и затраты на нее – это разные вещи. Приведенные годовые затраты складываются из капитальной стоимости, деленной на срок эксплуатации системы, и эксплуатационных затрат (годовая стоимость тепловой и электрической энергии, ремонта оборудования, зарплата обслуживающего персонала).

П = К / Т + Э

При таком способе оценки изначально более дорогая система, но имеющая больший срок эксплуатации, меньшее энергопотребление и не нуждающаяся в ремонтах, будет иметь меньшие приведенные годовые затраты.

3.2.5. Конструктивно-технологические требования заключаются в том, что конструкция СВЕ должна обеспечивать современные эффективные способы их производства. Элементы СВЕ должны изготавливаться на современном, уже достигнутом уровне технологии производства, с надлежащей степенью точности и соответствующим качеством. На передовых предприятиях производство элементов СВЕ осуществляется на автоматизированных и роботизированных линиях и отдельных станках, управляемых программно. Следует признать, что только такой уровень производства способен обеспечить высокую надежность и полную идентичность изготавливаемых элементов. Субъективный фактор максимально убран из самого процесса производства. Кроме того, такой подход в массовом производстве позволяет существенно снизить стоимость изготовления оборудования.

Совершенствование конструкции и технологии изготовления приводят к тому, что из конструкции оборудования по возможности максимально убираются дорогие и трудоемкие винтовые соединения, предпочтение отдается креплению на защелках. Тщательно отрабатываются конфигурации всех несущих панелей, каркасов и элементов корпусов. Большинство неответственных деталей изготавливается из пластмассы. Везде, где можно, используются штампованные детали. На наружные поверхности корпусов оборудования декоративные покрытия наносятся автоматическими линиями, что гарантирует их высокую прочность и стойкость.

3.2.6. Эксплуатационные требования заключаются в том, что в процессе функционирования СВЕ ее эксплуатация должна быть минимально трудоемкой. Это достигается в первую очередь увеличением ресурса работы оборудования, что исключает необходимость частого обслуживания или ремонта. Например, современные герметизированные подшипники не требуют обслуживания и смены смазки в течение всего срока службы вентиляторов. Доступ к обслуживаемым элементам оборудования должен быть максимально облегчен. Для этого в конструкции приточных установок предусматривают люки и дверцы, в некоторых случаях обслуживаемые фильтры и воздухонагреватели выдвигаются наружу на специальных салазках. Компоновка агрегатов выполняется таким образом, чтобы замена приводных ремней, смена фильтров или их чистка, проверка работы клапанов и другие операции не вызывали затруднений. Иногда предусматривают дополнительную подсветку внутри приточных установок для визуального контроля состояния оборудования. В больших установках допускается влажная уборка внутренней поверхности.

Несмотря на высокую ремонтнопригодность современного оборудования, сложность его конструкции приводит к тому, что техническое обслуживание и ремонт должны производить только специально обученные специалисты.

3.2.7. Требования пожарной безопасностизаключаются в том, что должна быть исключена возможность возникновения пожара при эксплуатация СВЕ. Это достигается применением специальных защитных отключающих устройств на воздухонагревателях и двигателях вентиляторов, насосов и компрессоров. Кроме того, если СВЕ обслуживает пожаро- или взрывоопасное помещение, используемое оборудование должно быть выполнено во взрывозащищенном исполнении. При необходимости на вентиляционных каналах устанавливаются специальные огнезадерживающие клапаны. Воздуховоды и конструкция корпусов оборудования должны обладать требуемой степенью огнестойкости, что достигается использованием негорючих материалов для воздуховодов, тепловой изоляции, герметизирующих материалов.

3.2.8. Экологические требования заключаются в том, что работа СВЕ не должна негативно сказываться на состоянии окружающей среды. Например, использование новых хладагентов в СКВ вместо хлорсодержащих фреонов 12 и 22 уменьшает выброс в атмосферу веществ, разрушающих озоновый слой. Для конструкции пластмассовых деталей выбираются синтетические материалы, не содержащие и не выделяющие вредных веществ. Производится очистка выбрасываемого в атмосферу воздуха, чтобы избежать ее загрязнения. Снижение энергопотребления уменьшает тепловое загрязнение окружающей среды.

3.2.9. Архитектурно-строительные требования заключаются в том, что отдельные элементы СВЕ, расположенные внутри помещений (воздухораспределители, решетки, воздуховоды, местные отсосы от оборудования), не должны нарушать их внутренний интерьер. Сама СВЕ должна органически вписываться в конструкцию здания. Необходимость прокладки воздуховодов и размещения вентиляционного оборудования не должны существенно усложнять конструкцию здания. Желательно, чтобы оборудование СВЕ занимало как можно меньше места и не занимало бы полезной производственной площади. С этой целью его располагают на вспомогательных площадках и специально отведенных технических помещениях.

Предполагаемое расположение оборудования и воздуховодов не должно нарушать целостности строительных конструкций здания, потерю их несущей способности. Не допускается, например, при прокладке воздуховода через перекрытие пробивать отверстие по ребру плиты, так как это ослабляет ее несущую способность. Нагрузка от оборудования на колонны и плиты перекрытий должна быть в допустимых пределах, в противном случае следует предусматривать усиление конструкций. тяжелое оборудование предпочтительнее располагать в подвале во избежание больших нагрузок на конструкции и возникновения сильных вибраций при работе оборудования. Прокладка вытяжных воздуховодов и шахт через гидроизоляционное покрытие кровли не должна нарушать его целостность.

Следует отметить, что и архитектор при проектировании конструкции здания также должен обязательно учитывать предполагаемое расположение вентиляционного оборудования и возможную трассировку воздуховодов, чтобы облегчить будущее проектирование СВЕ и СКВ. Для этого помещения под вентиляционные камеры и оборудование следует размещать в удаленных от основных помещений местах (чтобы уменьшить уровень шума), но так, чтобы не затруднялась прокладка воздуховодов в вентилируемые помещения. Целесообразно иметь несколько вентиляционных камер в разных концах большого здания, чтобы исключить прокладку длинных воздуховодов. При прокладке воздуховодов по коридорам целесообразно иметь запас по высоте, чтобы расположить воздуховоды за подшивными потолками. Эффективным средством упрощения трассировки воздуховодов в многоэтажных зданиях является устройство специального технического этажа наверху здания, на котором без труда может быть размещено как приточное, так и вытяжное оборудование. Для прокладки вертикальных каналов и воздуховодов следует предусматривать специальные шахты, или закрывать воздуховоды фальш-стенами из легких материалов.

3.2.10. Строительно-монтажные требования заключаются в том, что конструкция СВЕ должна предусматривать технологичные способы монтажа воздуховодов и оборудования на объекте, обеспечивающие надлежащее качество сборки системы. Особое внимание следует уделять герметизации уплотнений при соединении звеньев воздуховодов и присоединении элементов оборудования. Элементы крепления к конструкциям не должны их повреждать, должны быть унифицированы, их изготовление должно быть организовано в массовом производстве. При необходимости для монтажа может использоваться специализированный инструмент. Тяжелые элементы оборудования должны иметь раму или каркас с отверстиями для строповки. Габаритное оборудование должно быть по возможности разборным для облегчения транспортировки и доставки в помещения вентиляционных камер.

Современные фирмы-производителя разрабатывают детальные инструкции по монтажу с указанием последовательности и правил выполнения отдельных операций. При необходимости оборудование снабжается встроенными уровнями для контроля горизонтальности или вертикальности установки. Болтовые соединения все больше заменяются тщательно проработанными защелочными конструкциями, обеспечивающими быструю сборку. Для присоединения воздухораспределительных устройств, местных отсосов, ответвлений к магистралям все чаще используют гибкие воздуховоды, позволяющие эффективно компенсировать неточности монтажных размеров. Вместо прокладок интенсивно используются самозастывающие герметики. Тяжелые и трудоемкие фланцевые соединения заменяются более легкими и технологичными ниппельными и бандажными. для пробивки и сверления отверстий в стенах применяются мощные и производительные перфораторы. Для уменьшения количества соединений на прямых участках воздуховодов применяют спирально-шовные воздуховоды, которые могут быть изготовлены любой длины.

3.3 Классификация систем вентиляции.

Вентиляционная система – это совокупность устройств для обработки, транспортирования, подачи и удаления воздуха. СВЕ можно классифицировать в зависимости от их функционального назначения и принципиальных конструктивных особенностей.

1)По назначениюСВЕ делятся на приточныеи вытяжные.

Фактически это есть деление по направлению движения перемещаемого воздуха: приточные системы подают воздух в помещение, а вытяжные удаляют воздух из него.

Приведенное деление достаточно условно, так как кроме чисто приточных и вытяжных систем, которые являются прямоточными, существуют смешанные системы с рециркуляцией воздуха, которые фактически являются приточно-вытяжными. Чисто рециркуляционная система, работающая при 100% рециркуляции, не подает и не удаляет воздух из помещения — она просто обеспечивает циркуляцию внутреннего воздуха. Тем не менее, систему относят к приточному или вытяжному типу в зависимости от того, подает или удаляет она воздух от обслуживаемого оборудования или зоны.

2)По обслуживаемой зонеСВЕ делятся на общеобменныеи местные.

Общеобменные СВЕ (как приточные, так и вытяжные) обслуживают весь объем помещения, а иногда и нескольких помещений. В отличие от них местные приточные системы предназначены для обслуживания лишь небольшой зоны помещения (воздушное душирование, воздушные оазисы), а местные вытяжные системы предназначены для удаления воздуха от конкретного оборудования для удаления выделяющихся в нем вредностей. Местные системы активно применябтся в промышленных зданиях, где есть отдельные единицы оборудования и отдельные обслуживаемы рабочие зоны на большой площади цехов. В общественных зданиях используются практически только общеобменные СВЕ.

3)По способу побуждения движения воздухаСВЕ делятся на системы с механическим побуждениеми системы с естественным побуждением.

Естественное побуждение – это воздействие естественных сил: гравитации (естественное гравитационное давление, создаваемое за счет разности температур и плотностей наружного и внутреннего воздуха) и ветра. Механическое побуждение создается обычно вентиляторами.

В разговорной речи для краткости часто системы с механическим побуждением называют механическими системами, а системы с естественным побуждением – естественными системами.

4)По наличию воздуховодовСВЕ делятся на канальныеи бесканальные.

Бесканальные системы не имеют воздуховодов для транспортирования воздуха. Типичным примером является открытое окно для притока свежего воздуха. Очевидно, что бесканальные системы могут применяться только для помещений, расположенных около НОК. Отсутствие воздуховодов снижает стоимость систем.

Канальные системы могут обслуживать удаленные помещения, расположенные в любой точке здания. Возможна рассредоточенная подача воздуха в помещение через несколько воздухораспределителей. Оборудование канальных систем может быть расположено на расстоянии от обслуживаемых помещений в удобном месте.

В зависимости от конкретных условий следует выбирать такой тип системы, при котором обеспечивалось бы выполнение поставленных задач при минимальных затратах. Часто помещения, особенно производственные, обслуживаются несколькими системами одновременно

На рисунке 1 приведено несколько вариантов СВЕ с указанием их описание в соответствии с выше приведенной классификацией.

Рисунок 1. Системы вентиляции производственного помещения

1 – приточная прямоточная общеобменная канальная система с механическим побуждением движения воздуха; 2 – вытяжная местная канальная система с механическим побуждением движения воздуха; 3 – вытяжная общеобменная канальная система с естественным побуждением движения воздуха; 4 – вытяжная общеобменная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха; 5 – вытяжная общеобменная бесканальная система с естественным побуждением движения воздуха; 6 – приточная общеобменная бесканальная система с естественным побуждением движения воздуха; 7 – приточная местная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха и 100% рециркуляцией; 8 – приточная прямоточная общеобменная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха; 9 – приточная общеобменная канальная система с механическим побуждением движения воздуха и частичной рециркуляцией.

Лекция №17 (2 часа)

Тема: «Влажный воздух и его параметры»

1 Вопросы лекции:

1.1 Основные параметры влажного воздуха.

1.2 Плотность.

1.3 Теплоемкость.

1.4 Температура.

1.5 Влагосодержание.

1.6 Парциальное давление водяного пара.

1.7 Относительная влажность.

1.8 Температура точки росы.

1.9 Энтальпия (теплосодержание).

1.10 Температура по мокрому термометру.

1.11 I-d диаграмма влажного воздуха.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника.- М.: Энергоатомиздат, 2006.– 432 с.

2.2 Дополнительная

2.2.2 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 472 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Основные параметры влажного воздуха.

Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются водяные пары, то такой воздух называется влажным воздухом(ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением. Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и охлаждение воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.

Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие:

1) плотность;

2) теплоемкость;

3) температура;

4) влагосодержание;

5) парциальное давление водяного пара;

6) относительная влажность;

7) температура точки росы;

8) энтальпия (теплосодержание);

9) температура по мокрому термометру.

Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества(кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.

Под воздействием различных факторов влажный воздух может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается, то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется плотность воздуха, и это приводит к возникновению конвективных течений: происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями теплота постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха как-то повышает свою температуру.

Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.

Более-менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов: струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.

3.2 Плотность.

Плотностью называется масса вещества в единице объема. Единица измерения плотности кг/м³. Плотность газов зависит от молекулярной массы, давления и температуры. Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 29, а молекулярная масса ВП – 18. Плотность всех газов уменьшается с повышением температуры, так как при нагревании при постоянном давлении они расширяются. Для сухого воздуха при 20 °С плотность равна 1,2 кг/м³. При других значениях температуры ее можно вычислить по формуле:

Плотность ВП может быть определена по формуле:

Плотность ВВ меньше плотности СВ, так как ВП имеет меньшую молекулярную массу, чем СВ. Однако учитывая, что количество водяных паров в воздухе относительно невелико, уменьшением плотности в практических расчетах можно смело пренебречь. Так, при температуре воздуха 20 °С в воздухе может находиться около 14 г влаги на 1 кг сухого воздуха, что даст при вычислении плотности погрешность не более 0,7%.

3.3 Теплоемкость.

Теплоемкостью называется количество теплоты, требуемое для нагрева 1 кг вещества на 1 °С. Теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении равна 1,005 кДж/(кг °С). Теплоемкость водяных паров равна 1,8 кДж/(кг °С). Точно также, как и с плотностью, в практических расчетов пренебрегают изменением теплоемкости ВВ, связанным с наличием в воздухе водяных паров, и считают теплоемкость ВВ равной теплоемкости СВ, то есть 1,005. Более того, в прикидочных расчетах можно принимать с = 1 кДж/(кг °С), что даст ошибку 0,5% в сторону уменьшения результата вычислений. Учитывая значительно более низкую точность расчетов в вентиляции, связанную с неопределенностью многих исходных данных, а также тот факт, что любое оборудование подбирается с запасом, погрешность самих вычислений в 0,5% вполне допустима.

3.4 Температура.

Температура является мерой нагретости тела. В вентиляции температуру воздуха обычно указывают по стоградусной шкале, называемую в разговорной речи шкалой Цельсия. Абсолютные температуры по шкале Кельвина не нашли применения в вентиляции. В стоградусной шкале за 0 принята температура таяния льда. Температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении соответствует 100 °С. В вентиляционной практике приходится иметь дело как с положительными, так и отрицательными значениями температур.

3.5 Влагосодержание.

Влагосодержанием ВВ называется количество водяных паров в граммах, приходящееся на каждый килограмм сухой части воздуха. Влагосодержание обозначается буквой d, а единица измерения г/кг.с.в.

Количество влаги, которое может максимально содержаться в воздухе при атмосферном давлении, сильно зависит от его температуры, значительно возрастая при ее повышении, как показано ниже в таблице.

Температура, °С	-20	-10
Макс. влагосодер-жание, г/кг.с.в.	0,77	1,79	3,8	7,63	14,7	27,3	48,9	86,3	152,0

3.6 Парциальное давление водяного пара.

Количество водяных паров, находящееся в воздухе, однозначно определяет парциальное давление водяного пара р_вп во влажном воздухе. Чем больше влаги, тем больше р_вп. Связь между количеством влаги и парциальным давление водяных паров выражается следующими зависимостями:

, ,

где р_б – барометрическое (атмосферное) давление, Па.

Таким образом, при увеличении количества водяных паров в воздухе, находящемся при некоторой температуре t, происходит рост парциального давления водяных паров. При некотором предельном влагосодержании парциальное давление достигнет значения давления насыщающих водяных паров р_нп, то есть давления над свободной поверхностью жидкости, находящейся при той же температуре t. Такое состояние ВВ является предельным и называется насыщенным влажным воздухом. Увеличить влагосодержание воздуха выше предельного невозможно, так как будет происходить конденсация влаги на центрах активации, и в воздухе появится туман. Состояние тумана – это состояние избыточной влаги в воздухе, когда вся она не может находиться в парообразном состоянии, и часть ее находится в мелкокапельном состоянии. Иными словам, туман – это двухфазная среда, в отличие от ВВ, который является однофазной средой.

3.7 Относительная влажность.

Относительной влажностью ВВ называется отношение парциального давления паров в воздухе к давлению насыщающих водяных паров. Обычно относительную влажность выражают в процентах. Тогда формула для расчета относительной влажности будет

Для абсолютно сухого воздуха р_вп= р_нп, и φ = 100 %. При полном насыщении воздуха водяными парами р_вп= р_нп, и φ = 100 %. Относительной влажность, таким образом, является мерой степени насыщения воздуха водяными парами.

3.8 Температура точки росы.

Если ВВ, имеющий относительную влажность 0 < φ < 100 %, охлаждать, то при понижении температуры будет уменьшаться давление насыщенных водяных паров, которое зависит только от температуры. При этом влагосодержание воздуха будет оставаться неизменным, а относительная влажность будет увеличиваться. В некоторый момент при определенной температуре значение р_нпдостигнет значения р_вп. В этот момент относительная влажность достигнет значения 100% – ВВ приобретет состояние полного насыщения. При дальнейшем охлаждении р_нпстанет меньше р_вп, и часть влаги начнет конденсироваться на холодных поверхностях, контактирующих с воздухом, или образуется туман. Таким образом, дальнейшее охлаждение воздуха приводит к его перенасыщению влагой, что ведет к выпадению конденсата – росы. Поэтому та предельная температура, до которой можно охлаждать воздух без выпадения конденсата, и начиная с которой процесс дальнейшего охлаждения сопровождается выпадением конденсата, называется температурой точки росы. Температура точки росы при постоянном атмосферном давлении зависит только от начального влагосодержания воздуха.

3.9 Энтальпия (теплосодержание).

Энтальпией ВВ называется количество теплоты, которое требуется на то, чтобы перевести 1 кг абсолютно сухой воздух (d = 0), находящийся при 0 °С, в некое другое состояние с температурой t и влагосодержанием d.

Из данного определения следует, что при t = 0 и d = 0 энтальпия воздуха также равна 0.

Энтальпия воздуха измеряется в кДж/кг.с.в (килоджоули на килограмм сухого воздуха) и складывается из трех слагаемых, которые отражают затраты теплоты на следующие цели:

- нагрев сухой части воздуха до температуры t;

- испарение влаги;

- нагрев водяных паров до температуры t.

Вклад указанных трех составляющих неодинаков. Оценим его для расчета энтальпии воздуха, имеющего 50% относительную влажность при 20 °С.

I = 1,005 × 20 + 2500 × 7/1000 + 1,8 × 20 × 7/1000 =

= 20,1 + 17,5 + 0,036 = 37,5 + 0,036.

Из приведенных вычислений видно, что затраты теплоты на нагрев сухой части воздуха и на испарение влаги соизмеримы и имеют один порядок, а затраты тепла на нагрев водяных паров составляют лишь около 0,1% от суммы двух других составляющих. Таким образом, энтальпия воздуха в основном складывается из первых двух слагаемых, а третьим слагаемым в большинстве случаев можно пренебречь.

3.10 Температура по мокрому термометру.

Рассмотрим ситуацию, когда мелкая капля воды витает в воздухе, имеющем некоторую температуру и относительную влажность. Схема, поясняющая сущность происходящих при этом процессов, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. К пояснению понятия температуры мокрого термометра.

Для простоты рассуждений будем считать, что в начальный момент времени капля воды имеет такую же температуру, как и окружающий ее воздух, то есть t_w = t_в. Парциальное давление водяных паров над поверхностью капли равно давлению насыщенных паров, а давление водяных паров в окружающем воздухе меньше, так как относительная влажность воздуха меньше 100%. Под действием градиента давлений то начинается первый процесс – процесс массопереноса (испарение) влаги с поверхности капли в воздух. На испарение воды затрачивается некоторое количество теплоты, которое может быть взято только от самой капли, поэтому температура капли начинает понижаться. Затраченное на испарение тепло передается воздуху вместе с испарившейся влагой. Это тепло называется скрытым, так как оно не изменяет температуры воздуха.

Как только температура капли станет меньше температуры окружающего воздуха, начнется второй процесс – теплоотдача явного тепла от воздуха к поверхности капли за счет градиента температур. При этом от воздуха будет отбираться явное тепло. Чем больше разность температур воздуха и капли, тем интенсивнее идет данный процесс.

По мере понижения температуры капли постепенно снижается и величина давления насыщенных паров над поверхностью капли, и интенсивность испарения уменьшается. Интенсивность же передачи явного тепла от воздуха к капле, наоборот, растет по мере снижения температуры капли, так как увеличивается действующая разность температур. В итоге при некоторой температуре капли наступит равенство потоков явного и скрытого тепла. В этот момент справедливо равенство

α ´ F_w ´ (t_в –t_w) = β ´ F_w ´ (р_нп – р_вп) ´ r

Так как подводимое к капле явное тепло равняется отводимому от нее скрытому теплу, температура капли дальше изменяться не будет. Пока будет продолжаться процесс испарения (до полного испарения капли), температура капли будет оставаться постоянной. Эта температура называется температурой мокрого термометра. Энтальпия воздуха в этом процессе так же не меняется, хотя температура его понижается (явное тепло отбирается). Но раз отбираемое явное тепло передаваемому ему скрытому теплу, суммарное теплосодержание воздуха не изменяется. Происходит просто преобразование явного тепла в скрытое.

Температура мокрого термометра зависит от влажности воздуха. Чем меньше относительная влажность, тем ниже давление паров в воздухе и тем интенсивнее идет испарение, поэтому температура будет ниже.

3.11 I-d диаграмма влажного воздуха.

Учитывая, что влажный воздух является основным объектом вентиляционного процесса, в области вентиляции приходится часто определять те или другие параметры воздуха. Чтобы избежать многочисленных вычислений, их определяют обычно по специальной диаграмме, которая носит название I-d диаграммы.Она позволяет быстро определить все параметры воздуха по двум известным. Использование диаграммы позволяет избежать вычислений по формулам и наглядно отобразить вентиляционный процесс. Пример I-d диаграммы приведен на следующей странице. Аналогом I-d диаграммы на западе является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма.

Оформление диаграммы в принципе может быть несколько различным. Типовая общая схема I-d диаграммы показана ниже на рисунке 2. Диаграмма представляет из себя рабочее поле в косоугольной системе координат I-d, на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы – вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержаний обычно располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянных влагосодержаний представляют вертикальные прямые. Линии постоянных энтальпий представляют параллельные прямые, обычно идущие под углом 135° к вертикальным линиям влагосодержаний (в принципе, углы между линиями энтальпии и влагосодержания может быть и другим). Косоугольная система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее поле диаграммы. В такой системе координат линии постоянных температур представляют из себя прямые линии, идущие под небольшим наклоном к горизонтали и слегка расходящиеся веером.

Рабочее поле диаграммы ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей 0% и 100%, между которыми нанесены линии других значений равных относительных влажностей с шагом 10%.

Шкала температур обычно располагается по левой кромке рабочего поля диаграммы. Значения энтальпий воздуха нанесены обычно под кривой φ = 100. Значения парциальных давлений иногда наносят по верхней кромке рабочего поля, иногда по нижней кромке под шкалой влагосодержаний, иногда по правой кромке. В последнем случае на диаграмме добавочно строят вспомогательную кривую парциальных давлений.

Лекция №18 (2 часа)

Тема: «Очистка вентиляционного воздуха»

1 Вопросы лекции:

1.1 Основы очистки воздуха.

1.2 Пылеосадочные камеры.

1.3 Тканевые фильтры.

1.4 Циклоны.

1.5 Орошаемые фильтры.

1.6 Электрические фильтры.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника.- М.: Энергоатомиздат, 2006.– 432 с.

2.2 Дополнительная

2.2.2 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 472 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Основы очистки воздуха.

Нормы предусматривают обязательную очистку наружного воздуха от пыли, если его запыленность вблизи воздухозабора превышает 30% ПДК для рабочей зоны помещения. Очистка воздуха от пыли обязательна для помещений производств с повышенными требованиями к чистоте воздуха: радиоэлектроники, приборостроения точной механики, оптики, окрасочных отделений и цехов.

Очистке от пыли подвергают приток, подаваемый в лечебно-профилактические учреждения, картинные галереи, музеи и некоторые общественные здания (концертные залы, театры, кинотеатры и т.д.).

Вентиляционные выбросы могут содержать не только пыль, но и вредные для здоровья пары и газы. Перед выбросом в атмосферу они должны подвергаться очистке до уровня, который обеспечит, после рассеивания, соблюдение их нормативных концентраций в приземном слое воздуха. Поэтому вытяжные камеры оборудуются аппаратами очистки вентиляционных выбросов от пыли, вредных паров и газов.

Между пылеочистным оборудованием приточных и вытяжных систем имеются конструктивные различия, поэтому приточные камеры оснащаются воздушными фильтрами, а вытяжные камеры — пылеуловителями. Некоторые технологические процессы, например процессы металлопокрытия, сопровождаются выделением в воздух мелкодисперсных капель, паров. Для их улавливания применяют специальный вид фильтров, получивших название туманоуловители.

Воздушные фильтры, пылеуловители и туманоуловители для целей вентиляции выпускаются серийно. В зависимости от начального и требуемого конечного содержания пыли очистка может производиться с помощью одного аппарата или воздух последовательно проходит очистку в нескольких. Способ очистки, при котором отделение пыли или иных вредных примесей от воздушного потока осуществляется последовательно в нескольким аппаратах, отличающихся по принципу действия, конструктивным особенностям и способу очистки, называют комбинированным.

Фильтры, пылеуловители имеют различную способность к улавливанию пыли различных классов дисперсности. Основной характеристикой работы фильтра или пылеуловителя является ионная эффективность и пофракционный проскок, позволяющие правильно подобрать аппарат и рассчитать степень очистки. Но для этого необходимо знать пофракционный состав пыли, содержащейся в очищаемом воздухе.

Пыли, как правило, представляют собой полидисперсные системы. состоящие из множества частиц различных размеров. Под дисперсностью пыли понимают распределение массы пыли по размерам частиц. Размер частиц при различных способах определения дисперсного состава принимают равным:

а) размеру в свету наименьших отверстий сита — при ситовом определении дисперсного состава пыли;

б) диаметру сферических частиц или наибольшему линейному размеру частиц неправильной формы — при исследовании дисперсного состава при помощи микроскопа;

в) диаметру воображаемых сферических частиц, обладающей такой же плотностью и скоростью витания, как и данные частицы — при определении дисперсного состава методом воздушного проветривания или жидкостной седиментации.

По дисперсности различают пыли пяти классификационных групп (табл.18.1).

Таблица 18.1 Классификация пыли

В зависимости от начального и конечного содержания пыли, ее дисперсности, физико-химических свойств и целесообразности возврата в производство различают три степени очистки воздуха: грубую, среднюю и тонкую.

При грубой очистке (используемой только как первая ступень) улавливается лишь крупная пыль (размером более 100 мкм).

При средней очистке задерживаются не только крупные частицы (более 100 мкм), но и значительная часть мелких пылевых частиц.

Остаточная концентрация пыли при средней очистке 30—50 мг/м³. При тонкой очистке улавливается мелкая пыль, в которой фракции мельче 10 мкм составляют 60—100%. Остаточная концентрация пыли при тонкой очистке 1—3 мг/м³ и даже менее.

Классификация обеспыливающих устройств и характеристика их действия

По назначению обеспыливающие устройства можно подразделить на пылеуловители и воздушные фильтры.

Пылеуловители - это устройства, предназначенные для очистки от пыли вентиляционного воздуха, выбрасываемого в атмосферу (удаляемый воздух тоже нужно очищать).

Воздушные фильтры - устройства, предназначенные для очистки от пыли приточного или рециркуляционного воздуха в приточных системах вентиляции и системах кондиционирования воздуха.

По принципу действия устройства, очищающие воздух, можно разделить на четыре основные группы:

– гравитационные пылеуловители;

– инерционные пылеуловители (сухие и мокрые);

– пылеуловители и фильтры контактного действия;

– электрические пылеуловители и фильтры.

Гравитационные пылеуловители действуют на принципе использования гравитационных сил, или сил тяжести, обусловливающих оседание из воздуха пылев-ых частиц. На этом принципе основано устройство пылеосадочных камер.

Инерционные пылеуловители (сухие и мокрые) действуют на принципе использования инерционных сил, возникающих при изменении направления движения запыленного воздушного потока. К таким устройствам относятся циклоны разнообразной конструкции, центробежные скрубберы и циклоны-промыватели, струйные пылеуловители типа ротоклон и пылеуловители Вентури.

Пылеуловители и фильтры контактного действия задерживают пылевые частицы при пропускании запыленного воздуха через сухие или смоченные пористые материалы: ткань, слой синтетических волокон, бумагу, проволочную сетку, слои зернистых материалов, керамических и металлических колец и т. п.

Электрические пылеуловители и фильтры очищают воздух (или газ) от взвешенных в нем частиц (пыль, туман, дым) путем ионизации их при прохождении через электрическое поле.

Действие пылеуловителей и фильтров характеризуется следующими показателями: степенью очистки, пропускной способностью или удельной воздушной нагрузкой, пылеемкостью, аэродинамическим сопротивлением, расходом энергии и стоимостью очистки.

Степень, или эффективность очистки (коэффициент очистки) представляет собой отношение разности массового расхода пыли, содержащейся в воздухе или газе до и после пылеуловителя или фильтра, к массовому расходу пыли до пылеуловителя или фильтра:

где G_H и G_К — массовый расход пыли, содержащейся в воздухе или газе соответственно до и после пылеуловителя или фильтра, кг/ч.

Степень очистки может быть выражена и в процентах:

Степень очистки может быть выражена также в процентах и как отношение разности концентраций — начальной и конечной (до и после очистки) — к начальной концентрации:

При оценке двух пылеуловителей целесообразнее сравнивать их по процентам неуловленной пыли (100—η). Например, если один пылеуловитель имеет η₁ = 85%, а другой - η₂ = 95%, то второй пылеуловитель эффективнее первого в 3 раза, так как

Общая степень очистки воздуха в нескольких фильтрах, установленных последовательно, определяется по формуле

где η₁, η₂ ...η_n — степень очистки соответственно в первом, втором и n-м фильтрах

Удельная воздушная нагрузка характеризуется отношением объемного расхода воздуха или газов, проходящих через пылеуловитель или фильтр, к площади фильтрующей поверхности, и выражается в м³/ч на 1 м².

Пылеемкость представляет собой количество пыли, г или кг, которую удерживает пылеуловитель или фильтр за период непрерывной работы между двумя очередными операциями регенерации фильтрующего слоя или до достижения определенной величины сопротивления пылеуловителя или фильтра. Поскольку пылеемкость зависит от размера частиц пыли, ее следует относить к пыли определенной дисперсности.

Аэродинамическое сопротивление пылеуловителя или фильтра представляет собой разность давлений на входе и выходе, измеренную в Па (кгс/м²).

Расход энергии характеризуется затратой электроэнергии в кВт-ч на очистку 1000 м³ воздуха или газа.

Стоимость очистки воздуха или газов слагается из капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

3.2 Пылеосадочные камеры.

Гравитационные пылеуловители

Гравитационные пылеуловители действуют по принципу использования гравитационных сил или сил тяжести, обуславливающих оседание из воздуха пылевых частиц. На этом принципе основано устройство пылеусадочных камер. В этих камерах происходит значительное уменьшение скорости воздуха, и под действием гравитационных сил частицы пыли оседают. Маленькая скорость потока воздуха способствует предотвращению уноса осевшей пыли. Такого класса оборудование применяется в основном на производствах, как первая ступень очистки.

Рис. 18.1 Схемы пылеусадочных камер: а) простейшего типа, б) полочная,

в) с подвешенными стержнями, г) конструкции В. В. Батурина

3.3 Тканевые фильтры.

Пылеуловители и фильтры контактного действия

Пылеуловители и фильтры контактного действия задерживают пылевые частицы при пропускании запыленного воздуха через сухие или смоченные пористые материалы: ткань, слой синтетических волокон, бумагу, проволочную сетку, слои зернистых материалов, керамических и металлических колец и т.п. Фильтры данного типа широко используются во всех областях. Более 70% всех производимых и используемых обеспыливающих устройств именного этого типа. Все вентиляционные аппараты используемые для общественных и жилых зданий оборудованы такими фильтрами.

Рис. 18.2 Фильтр-пылеуловитель в системе вентиляции Swegon GOLD

3.4 Циклоны.

Инерционные пылеуловители

Инерционные пылеуловители (сухие и мокрые) действуют по принципу использования инерционных сил, возникающих при изменении направления движения запыленного воздушного потока. К таким устройствам относятся циклоны разнообразной конструкции, центробежные скрубберы и циклоны-промыватели, струйные пылеуловители типа ротоклон и пылеуловители Вентури. По такому принципу работает оборудование систем встроенной уборки фирмы Vacuflo.

Рис.18.3 Так устроен инерционный пылеуловитель в системе встроенной уборки фирмы Vacuflo

3.5 Орошаемые фильтры.

Смоченные пористые фильтры

Для смачивания фильтров рекомендуется применять следующие сорта масел; Рис. 18.4 Самоочищающийся фильтр Кд-10006

Электрические пылеуловители и фильтры

Рис.18.5 Электрические пылеуловители и фильтры для фотокаталитической…

Устройство калориферов

Холодный воздух подогревается, проходя в просветах между трубками. Ширина просветов составляет около 0,5 мм. Гладкотрубные калориферы применяют при… Пластинчатые калориферы (рис. 19.3) состоят из трубок /, на которые насажены…

Классификация систем отопления

Системы отопления по расположению основных элементов подразделяются на местные и центральные.

В местных системах для отопления, как правило, одного помещения все три основных элемента (теплогенератор, отопительный прибор и теплопроводы) конструктивно объединяются в одной установке, в которой непосредственно происходит получении, перенос и передача теплоты в помещение. Теплопереносящая рабочая среда нагревается горячей водой, паром, электричеством или при сжигании какого-либо топлива.

К местному отоплению относятся печное отопление, электрическое и газовое отопление. Под термином «газовое отопление» понимают системы отопления:

- с комнатными печами, работающими на газе;

- с газовыми водонагревателями;

- с газовыми нетеплоемкими отопительными приборами;

- с газовоздушными теплообменниками;

- с газовоздушными излучателями;

- с газовыми горелками инфракрасного излучения.

Из перечисленных систем отопления на газе непосредственно к местным относятся системы отопления с комнатными печами и нетеплоемкими отопительными печами, остальные могут устраиваться как местными, так и центральными.

Центральными называются системы, предназначенные для отопления группы помещений из единого теплового центра. В тепловом центре находятся теплогенераторы (котлы) или теплообменники. Они могут размещаться непосредственно в обогреваемом здании (в котельной или местном тепловом пункте) либо вне здания – в центральном тепловом пункте (ЦТП), на тепловой станции (отдельно стоящей котельной) или ТЭЦ.

Краткая характеристика систем отопления. В современных системах теплоснабжения зданий от ТЭЦ или крупных тепловых станций используются два теплоносителя. Первичный высокотемпературный теплоноситель перемещается от тепловой станции по городским распределительным теплопроводам к ЦТП или непосредственно к местным тепловым пунктам зданий (с температурой t₁) и обратно (рис. 20.3). Вторичный теплоноситель после нагревания в теплообменниках (или смешения с первичным) поступает по наружным (внутриквартальным) и внутренним теплопроводам к отопительным приборам обогреваемых помещений зданий и затем возвращается в ЦТП или местный тепловой пункт.

Рис. 21.3. Схема центральной системы отопления. 1 – местный тепловой пункт; 2 и 4 – внутренние подающие и обратные теплопроводы; 3 – отопительные приборы; 5 и 6 – наружный подающий и обратный теплопроводы; 7 – циркуляционный насос

Первичным теплоносителем обычно служит вода, реже пар или газообразные продукты сгорания топлива. По виду вторичного (основного) теплоносителя местные и центральные системы отопления принято называть системами водяного, парового, воздушного или газового отопления.

Для отопления зданий и сооружений в настоящее время преимущественно используют воду или атмосферный воздух, реже водяной пар или нагретые газы. Сопоставим характерные свойства указанных видов теплоносителя при использовании их в системах отопления.

Газы в основном применяются в отопительных печах, газовых калориферах. Основным ограничением в использовании газов является загрязнение атмосферного воздуха в отапливаемых помещениях, если продукты сгорания выпускать непосредственно в помещения или сооружения. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет конструкцию и понижает КПД отопительной установки.

При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителями площадь поперечного сечения труб, достигается бесшумность движения в теплопроводах. Недостатками применения воды являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах. Тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов.

При использовании пара сравнительно сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсатопроводов, достигается быстрое прогревание приборов и отапливаемых помещений. Гидростатическое давление пара в вертикальных трубах по сравнению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, его температура высока и постоянна при данном давлении, что затрудняет регулирование теплопередачи приборов, движение его в трубах сопровождается шумом.

При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоемкость и, как следствие, малая теплоаккумулирующая способность, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.

3.2 Способы теплоснабжения системы водяного отопления.

В зависимости от источника теплоснабжения изменяются оборудование индивидуального теплового пункта системы отопления и его принципиальная схема (рис. 22.1).

Принципиальная схема системы насосного водяного отопления при местном теплоснабжении от собственного водогрейного котла, расположенного в отапливаемом здании, показана на рис. 22.1, а. Воду, нагреваемую в котле 2, перемещает циркуляционный насос 1, включенный в общую подающую или обратную магистраль. К обратной магистрали также присоединяется расширительный бак 4. Систему заполняют водой из водопровода.

При централизованном водяном теплоснабжении применяют три способа присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам:

- независимая схема;

- зависимая схема со смешением воды;

- зависимая прямоточная схема.

Рассмотрим независимую схему присоединения системы насосного водяного отопления, изображенную на рис. 22.1, б. Такая схема близка по своим элементам к схеме при местном теплоснабжении, лишь котлы заменяют теплообменниками 7 и систему заполняют деаэрированной водой (лишенной растворенного воздуха) из наружной тепловой сети, используя высокое давление в ней или специальный подпиточный насос 8, если это давление недостаточно высоко. Воду для заполнения системы, как правило, забирают из обратного теплопровода 10. Возможна, однако, подача воды и из подающего теплопровода, если давление высокотемпературной воды, передающееся при этом в систему, допустимо для всех ее элементов.

Независимая схема присоединения системы отопления к тепловой сети обладает двумя основными преимуществами:

- независимость теплогидравлического режима в системе отопления от режима тепловой сети;

- сохранение работоспособности системы при авариях в тепловой сети.

а	б
в	г

Рис. 22.1. Схемы системы насосного водяного отопления.

а – при местном теплоснабжении; б – с присоединением к наружным теплопроводам централизованного теплоснабжения по независимой схеме; в – то же по зависимой схеме со смешением воды; г – то же по зависимой прямоточной схеме; 1 – циркуляционный насос; 2 – теплогенератор (водогрейный котел); 3 – подача топлива; 4 – расширительный бак; 5 – отопительные приборы; 6 – водопровод; 7 – теплообменник; 8 – подпиточный насос; 9, 10 – наружные, соответственно, подающий и обратный теплопроводы; 11 – смесительная установка

При независимой схеме создается местный теплогидравлический режим в системе отопления при пониженной температуре греющей воды (t_г< t₁). Первичная вода после теплообменников должна иметь температуру выше температуры обратной воды в системе отопления (t₂> t_о). Если, например, расчетная температура t_о = 70 °C, то для сокращения площади нагревательной поверхности теплообменников температура t₂ должна быть не ниже 75 °С.

В результате применения независимой схемы присоединения исключается возможность повышения гидростатического давления в системе отопления выше допустимой величины, определяемой по условию прочности элементов системы отопления. Давление, под которым находится вода в наружном обратном теплопроводе, не будет передаваться теплоносителю, находящемуся в системе отопления.

Кроме того, сохранения циркуляцию и используя теплосодержания воды в течение некоторого времени, обычно достаточного для устранения аварийного повреждения наружных теплопроводов, обеспечивается высокая надежность в работе системы отопления. Система отопления при независимой схеме служит дольше, чем система с местными водогрейными котлами, вследствие уменьшения коррозионной активности воды.

Зависимая схема присоединения системы отопления со смешением воды (рис. 22.1, в) проще по конструкции и в обслуживании. Стоимость ее ниже стоимости независимой схемы, благодаря исключению таких элементов, как теплообменники, расширительный бак и подпиточный насос, функции которых выполняются централизованно на тепловой станции. Эту схему выбирают, когда в системе требуется температура воды t_г< t₁и допускается повышение гидростатического давления до давления, под которым находится вода в наружном обратном теплопроводе.

Смешение обратной воды из системы отопления с высокотемпературной водой из наружного подающего теплопровода осуществляют при помощи смесительного аппарата – насоса или водоструйного элеватора. Насосная смесительная установка имеет преимущество перед элеваторной. Ее КПД выше, в случае аварийного повреждения наружных теплопроводов возможно, как и при независимой схеме присоединения, сохранение циркуляции воды в системе отопления. Смесительный насос можно применять в системах отопления со значительным гидравлическим сопротивлением, тогда как при использовании элеваторной смесительной установки потери давления в системе должны быть сравнительно небольшими.

Недостатком зависимой схемы присоединения со смешением является незащищенность системы от повышения в ней гидростатического давления, непосредственно передающегося через обратный теплопровод, до значения, опасного для целостности отопительных приборов и арматуры.

Зависимая прямоточная схема присоединения системы отопления к наружным теплопроводам наиболее проста по конструкции и в обслуживании (рис. 22.1, г). В системе отсутствуют такие элементы, как теплообменник или смесительная установка, циркуляционный и подпиточный насосы, расширительный бак. Прямоточную схему применяют, когда в системе допускаются подача высокотемпературной воды (t_г= t₁) и значительное гидростатическое давление, или при прямой подаче низкотемпературной воды.

Недостатками зависимой прямоточной схемы являются невозможность местного регулирования температуры горячей воды и зависимость теплового режима здания от температуры воды в наружном подающем теплопроводе. Высота зданий, в которых используют высокотемпературную воду, ограничена вследствие необходимости сохранить в системе гидростатическое давление, достаточно высокое для предотвращения вскипания воды.

3.3 Циркуляционный насос.

В насосных системах применяется насос, действующий в замкнутых кольцах системы отопления, заполненных водой, который не поднимает, а только перемещает воду, создавая циркуляцию, и поэтому называется циркуляционным. В отличие от циркуляционного насоса насос, например, в системе водоснабжения перемещает воду, поднимая ее к точкам разбора. При таком использовании насос называется повысительным.

В процессах заполнения и возмещения потери (утечки) воды в системе отопления циркуляционный насос не участвует. Заполнение происходит под воздействием давления в наружных теплопроводах, в водопроводе или, если этого давления недостаточно, с помощью специального подпиточного насоса.

Циркуляционный насос, как правило, включается в обратную магистраль системы отопления для увеличения срока службы деталей, взаимодействующих с водой. Вообще же для создания циркуляции воды в замкнутых кольцах местоположение циркуляционного насоса безразлично. Если необходимо несколько понизить гидравлическое давление в теплообменнике или котле, то насос может быть включен и в подающую магистраль системы отопления, если его конструкция рассчитана на перемещение более горячей воды.

Рассмотрим основные технические параметры циркуляционного насоса.

Мощность циркуляционного насоса определяется количеством перемещаемой воды и развиваемым при этом давлением.

Количество воды, подаваемое насосом за определенный промежуток времени, отнесенное к этому промежутку (обычно к 1 ч), называется подачей насоса L_н, м³/ч. В технике отопления иногда объемную подачу насосом горячей воды заменяют массовым расходом G_н, кг/ч, не зависящим от температуры воды:

где r – средняя плотность воды в системе отопления, кг/м³.

Для циркуляционного насоса, включенного в общую магистраль, расход перемещаемой воды G_н равен общему расходу воды в системе отопления G_с:

При этом общий расход воды в системе определяется по выражению:

, кг/с,

где Q_c – тепловая мощность системы отопления, Вт;

с – удельная массовая теплоемкость воды, Дж/(кг∙°С);

t_г и t_о – расчетная температура, соответственно, подающей обратной воды в системе отопления, °С.

На практике пользуются расходом воды, перемещаемым в течение часа. Тогда при с = 4187 Дж/(кг∙°С) общий расход воды в системе будет равен:

Циркуляционным давлением насоса называется создаваемое насосом повышение давления в потоке воды, необходимое для преодоления сопротивления ее движению в системе отопления, в которую он включен. Циркуляционное давление насоса обозначается Dр_н и выражается в Н/м² или, что одно и то же, в паскалях (Па). Циркуляционное давление представляет собой удельную энергию, сообщаемую насосом воде в системе отопления, т.е. энергия, отнесенная к единице объема, перемещаемого за 1 с.

Численно циркуляционное давление равняется разности полного гидравлического давления при выходе воды из нагнетательного патрубка и при входе во всасывающий патрубок насоса:

где р_наг и р_вс – гидростатическое давление в потоке воды, Па;

w_наг и w_вс – скорость потока воды, м/с;

– разность уровней выхода и входа воды в насос, м.

Практически циркуляционное давление насоса считают равным разности гидростатического давления в нагнетательном и всасывающем патрубках:

Кроме того, в вертикальной системе насосного водяного отопления всегда действует, помимо давления, создаваемого насосом, естественное циркуляционное давление – Dр_е. Следовательно, если потери давления при циркуляции воды в системе (Dр_с) известны из гидравлического расчета, то необходимое циркуляционное давление насоса должно составить:

Мощность циркуляционного насоса пропорциональна произведению секундной объемной подачи на создаваемое циркуляционное давление:

Мощность электродвигателя, необходимая для привода насоса, определяется с учетом КПД насоса h_н и необходимого запаса мощности k:

В качестве циркуляционных насосов применяют:

- бесфундаментные центробежные насосы;

- высоконапорные центробежные насосы общепромышленного назначения.

Предпочтение необходимо отдавать бесфундаментным циркуляционным насосам, перемещающим значительное количество воды при сравнительно небольшом давлении. Такие насосы компактны, закрепляются непосредственно на трубах и бесшумны в работе. При отсутствии бесфундаментных насосов для создания циркуляции в системах водяного отопления иногда применяют высоконапорные центробежные насосы общепромышленного назначения. Высоконапорный насос уступает бесфундаментному по ряду монтажных и эксплуатационных показателей. Его необходимо устанавливать на фундамент, он создает излишний шум, вызывает вибрацию труб и строительных конструкций, при его применении возрастает расход электроэнергии, требуется обводная труба для сохранения циркуляции воды при остановке.

Каждый насос обладает собственной только ему присущей характеристикой, получаемой в процессе стендовых испытаний опытного образца при определенной частоте вращения электродвигателя. Характеристика насоса выражает зависимость циркуляционного давления Dр_н, КПД h_н и мощности насоса N_н от расхода насоса G_н (рис. 22.2).

Рис. 22.2. Характеристики циркуляционного давления и характеристика системы отопления

По характеристикам насоса можно отметить постепенное уменьшение циркуляционного давления и увеличение потребляемой мощности по мере возрастания расхода, а также существование максимального значения КПД при определенном расходе воды, перемещаемой насосом (точка Б). Часть кривой изменения Dр_н, соответствующая высоким значениям КПД, носит название рабочего отрезка характеристики насоса (отмечена жирной линией). Для обеспечения расчетных параметров, бесшумности и экономии электроэнергии при действии насоса рекомендуется при его выборе ориентироваться на одну из точек в пределах рабочего отрезка характеристики – рабочие точки характеристики.

Рабочая точка А представляет собой точку пересечения рабочего отрезка характеристики насоса с характеристикой системы отопления, выражаемой параболой. Насос при расходе воды равному общему расходу воды в системе () создает в рабочей точке А определенное циркуляционное давление Dр_н, действует с максимальным КПД h_н (точка Б) и обладает мощностью N_н (точка В).

Характеристики циркуляционных бесфундаментных насосов хорошо согласуются с характеристиками систем отопления. А центробежные насосы общепромышленного назначения часто не подходят по каталожным показателям для систем отопления. Приходится искусственно изменять развиваемое ими давление для обеспечения необходимого расхода воды в системе. На рис. 22.3 показан случай применения в системе отопления насоса, создающего давление Dр_н > Dр_с.

Характеристика системы, проведенная через точку Б с известными координатами G_c и Dр_с пересекает характеристику насоса в рабочей точке В. В этих условиях насос будет перемещать воду с расходом (> G_c), развивать давление Dр_н = Dр¢_с (> Dр_с) и увеличивать расход электроэнергии.

Рис. 22.3. Принцип выбора циркуляционного насоса общепромышленного типа

Значительное увеличение расхода воды в системе отопления про тив расчетного нежелательно, так как при этом в нем, помимо возрастания расхода электроэнергии, возникает гидравлическое и тепловое разрегулирование. Поэтому путем введения дополнительного сопротивления, выраженное на рисунке ординатой А-Б (в виде, например, диафрагмы между фланцами задвижки у насоса или трубной вставки малого диаметра), характеристика системы пойдет более круче и будет получена новая рабочая точка А на характеристике насоса. Таким образом, в точке А расход насоса равен расчетному расходу воды в системе , а давление насоса соответствует потерям давления в ней после регулирования.

Присоединение циркуляционных насосов к системе отопления.

В систему отопления включают, как правило, два одинаковых циркуляционных насоса, действующих попеременно: при работе одного из них второй находится в резерве. Бесфундаментный циркуляционный насос 1(рис. 22.4) подключают к трубопроводам системы отопления через задвижки 2 и обратный клапан 3. При этом задвижки до и после обоих насосов постоянно открыты, особенно, если предусмотрено автоматическое переключение насосов. Обратный клапан препятствует циркуляции воды через бездействующий насос (предотвращает работу насоса «на себя»).

При подключении центробежных насосов общепромышленного назначения в систему отопления устанавливают дополнительное оборудование: обводную трубу 6 с задвижкой нормально закрытой, виброизолирующие вставки 5 (резиновые длиной около 1 м, армированные спиральной проволокой), неподвижные опоры 4, препятствующие осевому растяжению резиновых вставок.

Рис. 22.4. Схемы присоединения труб к циркуляционным насосам. а – с бесфундаментными насосами; б – с общепромышленными насосами; 1 – насос; 2 – задвижка; 3 - обратный клапан; 4 – неподвижная опора; 5 – виброизолирующая вставка; 6 – обводная труба с задвижкой (нормально закрыта)

3.4 Смесительная установка системы водяного отопления.

Смесительная установка предназначена для понижения температуры воды, поступающей из наружного подающего теплопровода, до температуры, допустимой в системе отопления. Понижение температуры происходит при смешении высокотемпературной воды t₁ с обратной водой местной системы отопления, охлажденной до температуры t_о.

Кроме того, смесительная установка применяется для местного качественного регулирования тепловой нагрузки системы отопления, дополняющего центральное регулирование на тепловой станции. При местном регулировании путем автоматического изменения по заданному температурному графику температуры смешанной воды (t_г = f(t_н)) поддерживаются оптимальные тепловые условия в обогреваемых помещениях.

Высокотемпературная вода подается в точку смешения под давлением, создаваемым сетевым насосом на тепловой станции в наружном теплопроводе. Количество высокотемпературной воды G₁ при известной тепловой мощности системы отопления Q_c зависит от температуры воды t₁:

где t₁ и t₂ – температура воды, соответственно в подающем и обратном теплопроводах, °С.

Поток охлажденной воды, возвращающийся из местной системы отопления, делится на два: первый в количестве G₀ направляется к точке смешения, второй в количестве G₁ – в наружный обратный теплопровод. Отношение массового расхода холодной воды G₀ к массовому расходу высокотемпературной воды G₁ называется коэффициентом смешения:

Коэффициент смешения может быть выражен через температуру воды. Очевидно, количество холодной воды G₀, поступающей в систему отопления, будет равно разности между общим количеством воды G_с, циркулирующим в системе отопления, и количеством высокотемпературной воды G₁:

G₀ = G_с – G₁.

Как известно, общий расход воды в системе отопления определяется по выражению:

Тогда . Þ .

Например, при температуре воды t₁ = 150, t_г = 95 и t_о = 70 °С коэффициент смешения смесительной установки равен:

Это означает, что на каждую единицу массы высокотемпературной воды должно подмешиваться 2,2 единицы охлажденной воды.

Смешение происходит в результате совместного действия двух аппаратов: циркуляционного сетевого насоса на тепловой станции и смесительной установки в отапливаемом здании.

Применяется два типа смесительных установок: смесительный насос и водоструйный элеватор.

3.5 Смесительный насос.

Существует три варианта установки смесительного насоса: на перемычке между магистралями, на обратной магистрали, на подающей магистрали.

Смесительный насос, включенный в перемычку (рис. 22.5, а), подает в точку смешения А воду, повышая ее давление до давления высокотемпературной воды. Следовательно, в точку смешения поступают два потока воды в результате действия двух различных насосов – сетевого (на теплоисточнике) и местного (смесительного), включенных параллельно. Насос на перемычке действует в благоприятных температурных условиях (при температуре t_о ≤ 70 °С) и перемещает меньшее количество воды, чем насос на обратной или подающей магистрали (G_o < G_c), то есть G_н = G_о, где G_o = G_c – G₁.

Рассмотрим эпюру изменения давления в системе и в перемычке Б-А между магистралями, изображенную на рис. 22.5, б. Насос на перемычке, обеспечивая смешение, не влияет на величину циркуляционного давления в местной системе отопления. При установке смесительного насоса перемычку Б-А величина циркуляционного давления в системе отопления будет определяться разностью давлений в точке присоединения системы к наружным теплопроводам. Из эпюры видно постепенное (условно равномерное) понижение давления в направлении движения воды в подающей (наклонная линия Т1) и обратной (наклонная линия Т2) магистралях, падение давления в системе отопления (сплошная вертикальная линия) и возрастание давления под действием смесительного насоса (пунктирная линия) до величины давления в точке А.

а б

Рис. 22.5. Установка смесительного насоса на перемычку А-Б.

а – схема смесительной установки, б – изменение давления в теплопроводах смесительной установки, 1 – насос, 2 – регулятор температуры, 3 – регулятор расхода воды в системе отопления

а б

в г

Рис. 22.6. Установка смесительного насоса на магистралях.

а – насос на обратной магистрали, б – насос на подающей магистрали, в – эпюра давлений при установке насоса на обратную магистраль, г – эпюра давлений при установке насоса на подающую магистраль, 1 – насос, 2 – регулятор температуры, 3 – регулятор расхода воды в системе отопления

Смесительный насос включают непосредственно в магистрали системы отопления, когда разность давления в наружных теплопроводах недостаточна для обеспечения расчетного расхода воды в системе. Насос при этом, обеспечивая помимо смешения необходимую циркуляцию воды, становится циркуляционно-смесительным.

Насос на обратной или подающей магистрали (рис. 22.6, а, б) перемещает всю воду, циркулирующую в системе (G_н = G_с) при температуре t_о или t_г. Включение насоса в общую магистраль системы отопления позволяет увеличить циркуляционное давление в ней до необходимой величины независимо от разности давления в наружных теплопроводах. Условия смешения воды аналогичны: в точку А поступают два потока воды (G₁ и G_о) также в результате действия двух насосов – сетевого и местного – с той лишь разницей, что насосы включаются последовательно (по направлению движения воды).

Изменение циркуляционного давления при действии системы отопления с циркуляционно-смесительным насосом, включенным в общую обратную магистраль, показано на рис. 22.6, в. Как видно, давление в системе ниже давления в наружных теплопроводах. Данная схема может быть выбрана после проверки, не вызовет ли понижение давления вскипания воды или подсоса воздуха в отдельных местах системы. Смесительный насос повышает давление воды до давления в наружном обратном теплопроводе. При этом давление в точке Б должны быть выше давления в точке смешения А, что обеспечивается работой регулятора температуры 2 (рис. 22.6, а).

Насос, включаемый в общую подающую магистраль, предназначен не только смешения и циркуляции, но и для подъема воды в верхнюю часть системы отопления высокого здания. Смесительный насос в этом случае становится еще и циркуляционно-повысительным. Изменение гидравлического давления в этом случае изображено на рис. 22.6, г.

3.6 Водоструйный элеватор.

Смешение воды может осуществляться и без местного насоса. В этом случае смесительная установка оборудуется водоструйным элеватором.

Водоструйный элеватор получил большое распространение как дешевый, простой и надежный в эксплуатации аппарат. Он сконструирован так, что подсасывает охлажденную воду для смешения с высокотемпературной водой и передает часть давления, создаваемого сетевым насосом на тепловой станции, в систему отопления для обеспечения циркуляции воды.

Водоструйный элеватор (рис. 22.7) состоит из конусообразного сопла 1, через которое со значительной скоростью протекает высокотемпературная вода при температуре t₁ в количестве G₁, камеры всасывания 2, куда поступает охлажденная вода при температуре t₀ в количестве G_о, смесительного конуса 3 и горловины 4, где происходит смешение и выравнивание скорости движения воды, и диффузора 5.

Рис. 22.7. Водоструйный элеватор

1 – сопло, 2 – камера всасывания, 3 – смесительный конус, 4 – горловина,

5 – диффузор

Вокруг струи воды, вытекающей из отверстия сопла с высокой скоростью, создаются зона пониженного давления, благодаря чему охлажденная вода перемещается из обратной магистрали системы в камеру всасывания. В горловине струя смешанной воды двигается с меньшей, чем в отверстии сопла, но еще со значительной скоростью. В диффузоре при постепенном увеличении площади поперечного сечения по его длине гидродинамическое (скоростное) давление падает, а гидростатическое – нарастает, то есть происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости в потенциальную. За счет разности гидростатического давления в конце диффузора и в камере всасывания элеватора создается циркуляционное давление, необходимое для действия системы отопления.

Водоструйный элеватор обладает большим количеством недостатков.

Во-первых, элеватор как гидравлическая машина имеет очень низкий КПД. Коэффициент полезного действия стандартного элеватора при высокотемпературной воде практически близок к 10%, а максимальное значение КПД, равное 43%, достигается при малом коэффициенте смешения и особой форме камеры всасывания. Следовательно, разность давления в наружных теплопроводах на вводе в здание должна быть в 10 раз больше, чем циркуляционное давление Dр_н, необходимое для циркуляции воды в системе отопления.

Во-вторых, в случае аварии в наружной тепловой сети, водоструйный элеватор прекращает работу, в следствие чего нарушается циркуляция воды в системе отопления, что ускоряет охлаждение отапливаемых помещений и замерзание воды в системе.

В-третьих, как правило, водоструйные элеваторы имеют постоянный коэффициент смешения, исключающее местное качественное регулирование системы отопления. При постоянном соотношении в элеваторе между G_о и G₁ температура t_г, с которой вода поступает в систему отопления, определяется уровнем температуры t₁, поддерживаемым на тепловой станции для всей системы теплоснабжения, и может не соответствовать теплопотребности конкретного здания.

В настоящее время шире стали применять насосные смесительные установки, учитывая их преимущества перед элеваторами. Некоторое увеличение капитальных вложений и эксплуатационных затрат, связанное с применением смесительных насосов, компенсируется улучшением теплового режима помещений и экономией тепловой энергии, расходуемой на отопление.

3.7 Расширительный бак системы водяного отопления.

Внутреннее пространство всех элементов системы отопления (труб, отопительных приборов, арматуры, оборудования и т. д.) заполнено водой. Получающийся при заполнении объем воды в процессе эксплуатации системы претерпевает изменения: при повышении температуры воды он увеличивается, при понижении температуры – уменьшается. Соответственно изменяется внутреннее гидравлическое давление. Однако эти изменения не должны отражаться на работоспособности системы отопления и, прежде всего, не должны приводить к превышению предела прочности любых ее элементов. Поэтому в систему водяного отопления вводится дополнительный элемент – расширительный бак.

Расширительный бак может быть открытым, сообщающимся с атмосферой, и закрытым, находящимся под переменным, но строго ограниченным избыточным давлением.

В крупных системах водяного отопления группы зданий расширительные баки не устанавливаются, а гидравлическое давление регулируется при помощи постоянно действующих подпиточных насосов. Эти насосы также возмещают обычно имеющие место потери воды через неплотные соединения труб, в арматуре, приборах и других местах систем. Поэтому расширительные баки применяют в системах водяного отопления одного или нескольких зданий при их тепловой мощности, ограниченной 6 МВт, когда потери воды еще не вызывают постоянного действия подпиточных насосов на тепловой станции.

Основное назначение расширительного бака – прием прироста объема воды в системе, образующегося при ее нагревании. При этом в системе поддерживается определенное гидравлическое давление. Кроме того, бак предназначен для восполнения убыли объема воды в системе при небольшой утечке и при понижении ее температуры, для сигнализации об уровне воды в системе и управления действием подпиточных устройств. Через открытый бак удаляется вода в водосток при переполнении системы. В отдельных случаях открытый бак может служить воздухоотделителем и воздухоотводчиком.

Расширительные баки имеют ряд недостатков. Они громоздки, в связи с чем затрудняется их размещение в зданиях и увеличиваются бесполезные теплопотери в системах отопления. При открытых баках возможно (при излишнем охлаждении воды в них) поглощение воздуха из атмосферы, что вызывает внутреннюю коррозию стальных труб и приборов. Требуется также прокладка в зданиях специальных соединительных труб.

Открытый расширительный бак

Открытый расширительный бак (рис. 22.8) размещают над верхней точкой системы (на расстоянии не менее 1 м) в чердачном помещении или в лестничной клетке и покрывают тепловой изоляцией. Иногда (например, при отсутствии чердака) устанавливают неизолированный бак в специальном утепленном боксе (будке) на крыше здания. Однако при этом повышается стоимость монтажа, увеличиваются теплопотери (вследствие развития поверхности охлаждения) и, как следствие, абсорбция воздуха водой.

Рис. 22.8. Открытый расширительный бак. 1, 2, 3, 4 – патрубки для присоединения, соответственно, расширительной, переливной, контрольной и циркуляционной труб; 5 – патрубок с пробкой для опорожнения бака

Баки изготовляют цилиндрическими из листовой стали, сверху их снабжают люком для осмотра и окраски. В корпусе бака имеется несколько патрубков. Расширительный патрубок 1 предназначен для присоединения расширительной трубы, по которой вода поступает в бак. Патрубок 4 у дна бака - для циркуляционной трубы, через которую отводится охладившаяся вода, обеспечивая ее циркуляцию в баке. Также имеются патрубок 3 для контрольной (сигнальной) трубы (обычно Dy20) и патрубок 2 для соединения бака с переливной трубой (Dy32), сообщающейся с атмосферой.

Соединительные трубы открытого расширительного бака показаны па рис. 20.12. В насосной системе отопления расширительную 2 и циркуляционную 3 трубы присоединяют к общей обратной магистрали, как правило, близ всасывающего патрубка циркуляционного насоса на расстоянии l (рис. 20.12, а) не менее 2 м для надежной циркуляции воды через бак.

Контрольную трубу 4 выводят к раковине в тепловом пункте и снабжают запорным краном. Вытекание воды при открывании крана должно свидетельствовать о наличии воды в баке, а, следовательно, и в системе (уровень воды не должен быть ниже показанного на рис. 8 штрихпунктирной линией). В малоэтажных зданиях короткая контрольная труба надежно обеспечивает сигнализацию о наличии или отсутствии воды в расширительном баке. В многоэтажных зданиях вместо длинной контрольной трубы, искажающей информацию о действительном уровне воды в системе, устанавливают на расширительном баке два реле уровня, соединенных последовательно (рис. 20.12, б) с баком. Реле нижнего уровня предназначено для сигнализации (светом или звуком) об опасном падении уровня воды в баке, а также для включения подпиточной установки (клапана или насоса). Реле верхнего уровня служит для прекращения подпитки системы отопления.

Переливную трубу 5, как и контрольную, в малоэтажных зданиях выводят к раковине в тепловом пункте (см. рис. 22.9, а). В крупных зданиях переливную трубу отводят к ближайшему водосточному стояку.

Рис. 22.9. Присоединение открытого расширительного бака к системе отопления. а - с ручным (визуальным) контролем; б - с автоматизированными сигнализацией и регулированием уровня воды в баке; 1 - расширительный бак; 2, 3, 4, 5 - соответственно, расширительная, циркуляционная, контрольная и переливная трубы; 6, 7 - реле, соответственно, верхнего и нижнего уровней воды в баке (соединены с баком трубой 4')

Полезный объем расширительного бака, ограниченный высотой h_п (см. рис. 22.9), должен соответствовать приросту – увеличению объема воды, заполняющей систему отопления, при ее нагревании до средней расчетной температуры. Изменение объема воды при нагревании в небольшом температурном интервале определяется по уравнению Гей-Люссака

Отсюда увеличение объема воды в системе отопления DV_с, м³ (л), может быть выражено формулой :

где V_с – объем воды в системе при начальной температуре, м³ (л);

Dt – изменение температуры воды от начальной до средней расчетной, °С;

b - среднее значение коэффициента объемного расширения воды, °С^-1.

Полезный объем расширительного бака V_пол, м³ (л), соответствующий увеличению объема воды в системе DV_с, определяется по формуле:

V_пол = kDV_с,

где k = bDt – коэффициент, определяемый по таблице 22.1.

Таблица 22.1. Объемное расширение воды, нагреваемой в системе отопления

(в долях первоначального объема)

Наполнение системы водой	Температура воды при наполнении, °С	Расчетная температура горячей воды в системе, °С
			135-150
Из водопровода		0,045	0,051	0,07	0,084
Из тепловой сети	40-45	0,024	0,027	0,035	0,042

Общий объем воды в системе отопления при начальной температуре определяется по формуле

где - суммарный объем воды, м3(л)/кВт, в отдельных элементах системы отопления (отопительных приборах, калориферах, трубах, котлах), приходящийся на 1 кВт ее расчетной тепловой мощности (дан в Справочнике проектировщика в зависимости от расчетной температуры горячей воды);

Q_c - расчетная тепловая мощность системы водяного отопления, кВт.

Полезный объем бака в значительной степени зависит от вида отопительных приборов. Наибольшим он будет при использовании чугунных радиаторов глубиной 90 мм. Кроме того, на объем бака влияет вид выбранной системы отопления. Так, для однотрубной системы насосного водяного отопления с конвекторами требуется открытый расширительный бак, имеющий полезный объем примерно в 3 раза меньший, чем для двухтрубной системы с радиаторами. Это объясняется сокращением вместимости не только отопительных приборов, но и труб уменьшенной длины.

Закрытый расширительный бак

Закрытый расширительный бак с воздушной или газовой (если используется азот или другой инертный газ, отделенный от воды мембраной) "подушкой" герметичен. Это способствует уменьшению коррозии элементов системы отопления и может обеспечить в широком диапазоне переменное давление в системе.

На рис. 22.10, а изображена установка в помещении теплового центра закрытого бака без мембраны с регулируемым избыточным давлением.

Рис. 22.10. Установка закрытого расширительного бака.

а - бак без мембраны; б - бак с мембраной; 1 - воздушный компрессор (вариант 1); 2 - баллон с инертным газом (вариант 2); 3 - расширительный бак; 4 - редукционный клапан; 5 - датчик давления; 6 - предохранительный клапан; 7 - водомерное стекло; 8 - соединительная труба; 9 - инертный газ; 10 - мембрана; 11 - вода; 12 - воздушный кран; 13 - водогрейный котел; 14 - штуцер для заполнения бака инертным газом; 15 - кран для слива воды

Давление в баке поддерживается либо сжатым воздухом от специального компрессора (вариант 1), либо инертным газом из баллона со сжатым газом (вариант 2). Действие компрессора автоматизируется.

На рис. 22.10, б дана установка закрытого расширительного бака с упругой мембраной, разделяющей две среды – воду и инертный газ. Присоединение бака показано после котла, как это принято в зарубежной практике, когда циркуляционный насос включается в подающую магистраль системы отопления. Начальное давление газа в баке может быть и атмосферным, и избыточным. В последнем случае мембрана до нагревании воды в системе отопления прилегает к стенкам той половины бака, которая после нагревания будет заполняться водой.

При нагревании избыток объема воды поступает в бак, сжимая воздух или газ, находящийся в нем (вода действует подобно поршню). При этом повышается давление, как в баке, так и в системе отопления в целом. Если объем бака или воздуха (газа) в нем окажется слишком мал, давление в низших точках системы может превысить максимально допустимое. В связи с этим потребуется во избежание аварии сбросить часть воды из системы через предохранительный клапан 6.

С другой стороны, при понижении температуры воды давление в высших точках системы может оказаться ниже минимально необходимого для предупреждения таких недопустимых явлений, как вскипание воды или подсос воздуха из атмосферы. Следовательно, объем закрытого расширительного бака строго обусловлен допустимым диапазоном изменения гидравлического давления в системе. Объем бака зависит также от объема и расчетной температуры воды в системе, от давления циркуляционного насоса и места включения насоса в теплопровод по отношению к теплообменнику и точке присоединения бака.

Полезный объем закрытого расширительного бака определяют по формуле:

где DV_с - увеличение объема воды в системе при нагревании;

р_а - абсолютное давление в баке до первого поступления воды;

р_мин - абсолютное давление в баке при наполнении системы водой (минимально необходимое давление воды в баке при минимальном уровне);

р_макс - абсолютное давление в баке при повышении температуры воды до расчетной и заполнении бака водой (максимально допустимое давление воды в баке при максимальном уровне).

Минимально необходимое давление воды в закрытом расширительном баке равно гидростатическому давлению р₂ на уровне установки бака с некоторым запасом р_верх для создания избыточного давления в верхней точке системы отопления, которое позволит избежать подсоса воздуха из атмосферы или вскипания воды (особенно, если t_г >100 °C):

р_мин = р_а + р₂ + р_верх.

Рис. 22.11. Установка закрытого расширительного бака в системе водяного отопления с независимым присоединением к тепловой сети: 1 - теплообменник; 2 - расширительный бак; 3 - циркуляционный насос

Максимально допустимое давление воды в баке при обычном присоединении его к обратной магистрали системы перед всасывающим патрубком циркуляционного насоса (рис. 22.11) принимают в зависимости от рабочего давления р_раб, допустимого для элементов системы отопления в низшей ее точке (например, для чугунного котла), уменьшенного на сумму давления насоса Dр_н и гидростатического давления р₁ связанного с расстоянием h₁ от уровня воды в баке до низшей точки системы:

р_макс = р_а + р_раб – (Dр_н + р₁).

Объем закрытого расширительного бака при начальном давлении в нем, равном атмосферному, получается больше объема открытого бака. Использование сжатого воздуха (инертного газа) для повышения давления р_а сверх атмосферного (для "зарядки" бака) позволяет уменьшить объем закрытого бака. Объем бака уменьшается также при переносе его в верхнюю часть здания и присоединении там к магистрали системы отопления.

Современная конструкция бака представляет собой стальной цилиндрический сосуд, разделенный на две части резиновой мембраной. Одна часть предназначена для воды системы отопления, вторая заполнена в заводских условиях инертным газом (обычно азотом) под давлением. Бак может быть установлен непосредственно на пол котельной или теплового пункта, а также закреплен на стене (например, при стесненных условиях в помещении).

Место присоединения закрытого расширительного бака к теплопроводам выбирают с учетом сохранения его гидравлической связи с действующей частью системы при нормальном использовании клапанов и прочей запорной арматуры в другой отключаемой части системы отопления.

Лекция №23 (2 часа)

Тема: «Виды отопительных приборов»

1 Вопросы лекции:

1.1 Назначение и требования, предъявляемые к отопительным приборам.

1.2 Классификация отопительных приборов.

1.3 Краткая характеристика отопительных приборов.

1.4 Выбор и размещение отопительных приборов.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника.- М.: Энергоатомиздат, 2006.– 432 с.

2.2 Дополнительная

2.2.2 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 472 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Назначение и требования, предъявляемые к отопительным приборам.

Отопительный прибор предназначен для обогревания и поддержания теплового баланса воздуха помещения путем передачи теплоты от теплоносителя, циркулирующего в системе отопления, в отапливаемое помещение.

Известно, что расход теплоты на отопление каждого помещения определяется по тепловому балансу для поддержания в нем необходимой температуры при расчетных зимних условиях. Расход теплоты на отопление или, короче, теплопотребность помещения Q_п должна компенсироваться теплоотдачей отопительного прибора Q_пр и нагретых труб Q_тр:

Суммарная теплоотдача в помещение, необходимая для поддержания заданной температуры, называется тепловой нагрузкой отопительного прибора. В тепловую нагрузку отопительного прибора не входят дополнительные теплопотери Q_доп (рис. 23.1), обусловленные нагреванием ограждающей конструкции в месте установки отопительного прибора, как заранее неизвестные (они зависят от типоразмера прибора).

Следовательно, от теплоносителя в помещение должен передаваться тепловой поток Q_т, превышающий расчетную теплопотребность Q_п на величину дополнительных теплопотерь Q_доп:

Дополнительные теплопотери выражают в долях основных теплопотерь.

Каждый отопительный прибор должен иметь определенную площадь нагревательной поверхности А_пр, рассчитываемую в соответствие с требуемой теплоотдачей прибора.

Рис. 23.1 Схема теплоотдачи отопительным прибором

Кроме того, для обеспечения необходимой теплоотдачи в прибор должно поступать также определенное количество теплоносителя в единицу времени G (кг/ч), называемое расходом теплоносителя.

Расход теплоносителя (воды), при котором теплопередача в помещение сопровождается понижением его температуры, определяется по формуле:

где с – удельная массовая теплоемкость воды, Дж/(кг∙°С);

t_вх и t_вых – температура воды при входе в помещение и выходе из него, °С.

К отопительным приборам как к оборудованию, установленному непосредственно в обогреваемых помещениях, предъявляются следующие требования, дополняющие и уточняющие требования к системе отопления.

Санитарно-гигиенические:

- относительно пониженная температура поверхности,

- ограничение площади горизонтальной поверхности приборов для уменьшения отложения пыли,

- доступность и удобство очистки от пыли поверхности приборов и пространства вокруг них.

Экономические:

- относительно невысокая стоимость прибора,

- минимальный расход металла на прибор, обеспечивающий повышение теплового напряжения металла.

Архитектурно-строительные:

- соответствие внешнего вида отопительных приборов интерьеру помещений,

- сокращение площади помещений, занимаемой приборами.

Следовательно, приборы должны быть достаточно компактными, т.е. их строительные глубина и длина, приходящиеся на единицу теплового потока, должны быть наименьшими.

Эксплуатационные:

- управляемость теплоотдачи прибора, зависящая от их тепловой инерции,

- температурная устойчивость и водонепроницаемость стенок при предельно допустимом в рабочих условиях гидростатическом давлении внутри приборов,

- возможность механизации изготовления и монтажа приборов для повышения производительности труда,

- достаточная механическая прочность приборов,

- обеспечение наибольшего теплового потока от теплоносителя в помещения через единицу площади прибора при прочих равных условиях (расход и температура теплоносителя, температура воздуха, место установки и т.д.).

Всем перечисленным требованиям одновременно удовлетворить невозможно, и этим объясняется рыночное разнообразие типов отопительных приборов. При этом каждый их тип в наибольшей степени отвечает какой-либо группе требований, уступая другому в отношении прочих требований. Например, отопительные приборы для лечебных учреждений соответствуют повышенным санитарно-гигиеническим требованиям за счет ухудшения других показателей.

3.2 Классификация отопительных приборов.

Существует пять основных видов отопительных приборов:

- радиаторы секционные,

- радиаторы панельные,

- гладкотрубные приборы,

- конвекторы,

- ребристые трубы.

Причем приборы первых трех видов имеют гладкую внешнюю поверхность, а приборы двух последних видов – ребристую. Кроме того, к приборам с ребристой внешней поверхностью относятся также калориферы, применяемые для нагревания воздуха в системах воздушного отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Все отопительные приборы по преобладающему способу теплоотдачи делятся на три группы:

1. Радиаторные приборы, передающие излучением не менее 50% общего теплового потока. К ним относятся потолочные отопительные панели и излучатели.

2. Конвективно-радиационные приборы, передающие конвекцией от 50 до 75% общего теплового потока. К ним относятся радиаторы секционные и панельные, гладкотрубные приборы, напольные отопительные панели.

3. Конвективные приборы, передающие конвекцией не менее 75% общего теплового потока. К ним относятся конвекторы и ребристые трубы.

По используемому материалу отопительные приборы делятся на следующие группы:

- металлические,

- комбинированные,

- неметаллические.

Металлические приборы выполняют в основном из серого чугуна и стали (листовой стали и стальных труб). Применяют также медные трубы, листовой и литой алюминий и другой металл.

В комбинированных приборах используют теплопроводный материал (бетон, керамику), в который заделывают стальные или чугунные греющие элементы (панельные радиаторы). Оребренные металлические трубы помещают в неметаллический кожух (конвекторы).

К неметаллическим приборам относятся бетонные панельные радиаторы, потолочные и напольные панели с заделанными пластмассовыми греющими трубами или с пустотами без труб, а также пластмассовые, керамические и тому подобные радиаторы.

По высоте вертикальные отопительные приборы делятся на следующие группы:

- высокие (высотой более 650 мм),

- средние (высотой от 400 до 650 мм),

- низкие (высотой от 200 до 400 мм),

- плинтусные (высотой менее 200 мм).

По глубине (толщине) отопительные приборы делятся на следующие группы:

- приборы малой глубины (толщиной до 120 мм),

- приборы средней глубины (толщиной от 120 до 200 мм),

- приборы большой глубины (толщиной более 200 мм).

По величине тепловой инерции выделяют приборы:

- малой инерции,

- большой инерции.

К приборам малой тепловой инерции относятся приборы, имеющие небольшую массу материала и вмещаемой воды. Такие приборы с греющими трубами малого диаметра (например, конвекторы) быстро изменяют теплоотдачу при регулировании количества подаваемого теплоносителя. Приборами, обладающими большой тепловой инерцией, считаются массивные приборы, вмещающие значительное количество воды (например, чугунные радиаторы). Такие приборы изменяют теплоотдачу сравнительно медленно.

3.3 Краткая характеристика отопительных приборов.

3.3.1. Радиаторы

Радиатором (от лат. radio – испускаю лучи, излучаю) называется конвективно-радиационный отопительный прибор, состоящий либо из отдельных колончатых элементов – с каналами круглой или элипсообразной формы, либо из плоских блоков с каналами колончатой или змеевиковой формы.

Секции радиаторов изготавливают из серого чугуна, стали, алюминия или биметаллическими (толщина стенки 2…4 мм) и могут компоноваться в приборы различной площади путем соединения на резьбовых ниппелях с прокладками из термостойкой резины или паронита. Несколько секций в сборе называются секционным радиатором. Наиболее распространены двухколоночные (рис. 23.2) радиаторы средней высоты (монтажная высота h_м = 500 мм), хотя имеются радиаторы одно- и многоколоночные, высокие (h_м до 1000 мм) и низкие (h_м = 300…350 мм). Секции изготавливают различной строительной глубины (размер b). В России, например, для чугунных радиаторов чаще всего этот размер – 90 и 140 мм, что находит отражение в маркировке радиатора: М-90 или М-140. Длина одной секции отечественного радиатора составляет 98 и 108 мм, что также указывается в обозначении марки (например, МС-90-108 или МС-140-108).

Рис. 23.2. Двухколончатая секция радиатора

h_п – полная высота, h_м – монтажная высота, b – строительная глубина, l – глубина.

Чугунные секционные радиаторы отличаются значительной тепловой мощностью на единицу длины прибора (компактностью) и стойкостью против коррозии (долговечностью). Однако чугунные радиаторы металлоемки (показатель М = 0,29…0,36 Вт/(кг∙°С)), их производство трудоемко, монтаж затруднителен из-за большого веса, очистка от пыли неудобна, внешний вид непривлекателен.

Плоские блоки радиаторов свариваются из двух штампованных стальных листов (толщиной 1,4…1,5 мм), образуя приборы малой глубины и различной длины, называемые стальными панельными радиаторами (рис. 3). Профиль радиаторных блоков может быть с плоскими вертикальными каналами колончатой формы (марка РСВ – радиатор стальной вертикальный), с горизонтальными параллельными каналами или последовательно соединенными каналами змеевиковой формы (марка РСГ – радиатор стальной горизонтальный). Наружная поверхность такого радиатора может быть и абсолютно гладкой. Однако наличие определенного рельефа на поверхности прибора увеличивает его теплоотдающую площадь.

Панельный радиатор может состоять из одного, двух и трех параллельных блоков. Стальные панельные радиаторы отличаются от чугунных меньшей массой (показатель М = 0,55…0,80 Вт/(кг∙°С)), увеличенной излучательной способностью (35…40% вместо 30% от общего теплового потока). Они соответствуют интерьеру отапливаемых помещений, легко очищаются от пыли. Их монтаж облегчен, производство механизировано.

Вместе с тем при установке стальных радиаторов необходимо применять специально обработанную воду (деаэрированную), чтобы предотвратить интенсивную внутреннею коррозию. Их не разрешается также применять в помещениях с агрессивной воздушной средой.

Рис. 23.3. Конструкция стандартного стального панельного радиатора и возможные схемы каналов для теплоносителя в их блоках: а – панельный радиатор, б – каналы колончатой формы, в – каналы регистровой формы, г – каналы змеевиковой формы

3.3.2. Гладкотрубные отопительные приборы

Гладкотрубным называется конвективно-радиационный отопительный прибор, состоящий из нескольких соединенных вместе стальных труб, образующих каналы для теплоносителя змеевиковой (рис. 23.4, а) или регистровой (рис. 23.4, б) формы. В регистре при параллельном соединении горизонтальных труб поток теплоносителя делится с уменьшением скорости его движения. В змеевике трубы соединены последовательно, и скорость движения теплоносителя не изменяется по всей длине прибора.

Рис. 23.4. Формы соединения труб в гладкотрубных отопительных приборах: а – змеевиковая форма; б - регистровая форма; 1 – нитки, 2 – колонка, 3 – калачи, 4 - заглушка

Отопительные приборы сваривают из труб D_у 32…100 мм, располагаемых для увеличения теплоотдачи излучением одна от другой на расстоянии, на 50 мм превышающем их наружный диаметр.

Гладкотрубные приборы характеризуются высокими значениями коэффициента теплопередачи, их легко очищать от пыли. Тем не менее, эти стальные толстостенные приборы тяжелы и громоздки, занимают много места, их внешний вид не соответствует современным требованиям, предъявляемым к интерьеру помещений. Их применяют в тех случаях, когда не могут быть использованы отопительные приборы других видов (например, для обогревания производственных помещений, особенно, при значительном выделении пыли, гаражей).

3.3. Конвекторы

Конвектором называется отопительный прибор конвекционного типа, состоящий из двух элементов: трубчато-ребристого нагревателя и кожуха (рис. 5). Кожух декорирует нагреватель и способствует повышению теплоотдачи благодаря увеличению подвижности воздуха у поверхности нагревателя. Конвектор с кожухом передает в помещение конвекцией 90…95% общего теплового потока. Прибор, в котором функции кожуха выполняет оребрение нагревателя, называется конвектором без кожуха.

Конвекторы обладают сравнительно низкими теплотехническими показателями, особенно при использовании в двухтрубных системах отопления. Тем не менее, производство конвекторов во многих странах, в том числе и в России, расширяется (при сокращении выпуска чугунных отопительных приборов). Это объясняется простотой изготовления конвекторов, возможностью механизировать и автоматизировать их производство, сокращением трудовых затрат при монтаже. Малая металлоемкость способствует повышению теплового напряжения металла конвекторов (показатель М = 0,8…1,3 Вт/(кг∙°С)). Конвекторы – приборы малой тепловой инерционности.

Рассмотрим особенности конвекторов с кожухом и без кожуха.

Теплопередача конвекторов с кожухом растет при увеличении высоты кожуха (например, при увеличении высоты кожуха от 250 до 600 мм теплопередача увеличивается на 20%). Нагреватели наиболее распространенных низких конвекторов с кожухом типа КН (конвектор навесной) состоят из двух (малая глубина) или четырех (средняя глубина) труб D_у 20, на которые насажены прямоугольные ребра с шагом 6 мм.

Рис. 23.5. Конструкция конвекторов.

а – с кожухом, б – без кожуха; 1 – канал для теплоносителя, 2 – оребрение, 3 – кожух, 4 – решетка, 5 – воздушный клапан

Такие конвекторы снабжены воздушным клапаном 5 (рис. 23.5, а), предназначенным для регулирования теплоотдачи. Конвекторы могут соединяться последовательно в горизонтальные цепочки приборов.

Конвекторы без кожуха занимают мало места по глубине помещений (строительная глубина 60…70 мм), при размещении их у пола по всей длине окон и наружных стен способствует созданию теплового комфорта в помещениях. Однако вследствие малой теплоотдачи на единицу длины часто устанавливают приборы в два яруса или ряда для получения необходимой площади нагревательной поверхности. Это придает непривлекательный внешний вид. Конвекторы не применяются при повышенных санитарно-гигиенических требованиях к отопительным помещениям.

3.4. Ребристая труба

Ребристой трубой называется конвективный прибор, представляющий собой фланцевую чугунную трубу, наружная поверхность которой покрыта совместно отлитыми тонкими ребрами.

Площадь внешней поверхности ребристой трубы во много раз больше, чем площадь поверхности гладкой трубы таких же диаметров и длины. Это придает отопительному прибору компактность. Кроме того, поверхности ребер имеют пониженную температуру при использовании высокотемпературного теплоносителя, сам прибор сравнительно прост в изготовлении и недорогой, что способствует его применению и в настоящее время. Тем не менее, ребристая труба обладает следующими недостатками: высокая металлоемкость (показатель М = 0,25 Вт/(кг∙°С)), неэстетичный внешний вид, малая механическая прочность ребер и трудность очистки от пыли.

Устаревшие ребристые чугунные трубы заменяются оребренными стальными трубами (например, прибором с прилитыми алюминиевыми ребрами) Круглые ребристые чугунные трубы имеют длину от 0,5 до 2,0 м. Устанавливают их горизонтально в несколько ярусов и соединяют по змеевиковой схеме.

Производимые до последнего времени в России некоторые виды отопительных приборов представлены в табл. 23.1. В таблице указаны предельно допустимое давление в рабочих условиях (рабочее давление) внутри приборов, средний коэффициент местного гидравлического сопротивления (КМС) приборов при диаметре подводок к ним D_у 20, а также основная область их применения.

Таблица 23.1. Техническая характеристика отопительных приборов

Вид и тип прибора	Марка	Рабочее давление, МПа	Средний КМС прибора	Основная область применения
Радиатор чугунный секционный	М, РД	0,6	1,4	Общего назначения
МС	0,9	1,6	При повышенных санитарно-гигиенических требованиях
Радиатор стальной панельный: колончатый	РСВ	0,6	2,0	При повышенных гигиенических требованиях, но при деаэрированной воде и неагрессивной воздушной среде
змеевиковый	РСГ-1	0,6	7,4
РСГ-2	0,6	3,0
Гладкотрубный прибор	D_у32…100	1,0	1,5	При значительных выделениях пыли
Конвектор с кожухом: концевой	КН20-к	1,0	5,4…7,4	Жилые, общественные и вспомогательные здания
проходной	КН20-п	1,0	5,7
Конвектор без кожуха: концевой	КА-к	1,0	4,9	Бытовые и вспомогательные помещения производственных зданий
проходной	КА-п	1,0	3,9
Конвектор высокий	КВ20	1,0	45,0	Лестничные клетки и вестибюли зданий
Ребристая чугунная труба	l = 500… 2000 мм	0,6	1,5	Производственные здания

3.4 Выбор и размещение отопительных приборов.

При выборе вида и типа отопительного прибора учитываются следующие факторы:

- назначение помещения,

- архитектурно-технологическая планировка помещения,

- особенности теплового режима помещения,

- место и продолжительность пребывания людей,

- вид системы отопления,

- технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели прибора.

При повышенных санитарно-гигиенических, а также противопожарных и противовзрывных требованиях, предъявляемых к помещению, выбирают приборы с гладкой поверхностью. Как уже известно, это радиаторы (с гладкими колоннами) и гладкотрубные приборы. Стальные панельные радиаторы могут быть рекомендованы при менее строгом отношении к гигиене и внешнему виду помещения.

При обычных санитарно-гигиенических требованиях, предъявляемых к помещению, можно использовать приборы с гладкой и ребристой поверхностью. В гражданских зданиях чаще применяют радиаторы и конвекторы. В производственных зданиях – радиаторы и гладкотрубные приборы.

При выборе отопительных приборов можно руководствоваться соотношениями в относительной теплоотдаче отопительных приборов, представленными в табл. 2.

Таблица 23.2. Относительная теплоотдача отопительных приборов

Отопительный прибор	Глубина прибора, мм	Теплоотдача прибора длиной 1 м, %
Радиатор секционный (длина секции 98 мм)

Конвектор с кожухом
Радиатор панельный	18…21
Ребристая труба
Конвектор без кожуха	60…70
Гладкая труба

В помещениях, предназначенных для кратковременного пребывания людей (менее 2 ч), можно использовать приборы любого типа, отдавая предпочтение приборам с высокими технико-экономическими показателями.

Благоприятным с точки зрения создания теплового комфорта для людей является обогревание помещения через пол. Теплый пол, равномерно нагретый до температуры, допустимой по санитарно-гигиеническим требованиям (например, в жилой комнате до 26 °С), обеспечивает ровную температуру и слабую циркуляцию воздуха, устраняет перегревание верхней зоны помещения.

Размещение вертикального отопительного прибора в помещении возможно как у наружной, так и у внутренней стены (рис. 23.6). На первый взгляд целесообразна установка прибора у внутренней стены помещения (рис. 23.6, б), так как сокращается длина труб, подающих и отводящих теплоноситель от прибора (требуется один стояк на два прибора). Однако такое размещение прибора сопровождается неблагоприятным для здоровья людей движением воздуха с пониженной температурой у пола помещений (рис. 7, в). Поэтому размещение отопительных приборов у внутренних стен допустимо лишь в южных районах России с короткой и теплой зимой.

Рис. 23.6. Размещение отопительных приборов в помещениях (в плане). а – под окнами, б – у внутренних стен.

В средней полосе и северных районах России целесообразно устанавливать отопительный прибор вдоль наружной стены помещения и особенно под окном (рис. 23.6, а). При таком размещении прибора возрастает температура внутренней поверхности в нижней части наружной стены и окна, что повышает тепловой комфорт, уменьшая радиационное охлаждение людей. Поток теплого воздуха при расположении прибора под окном препятствует образованию ниспадающего потока холодного воздуха, если нет подоконника, перекрывающего прибор (рис. 23.7, б).

Рис. 23.7. Схема циркуляции воздуха в помещении при различном месте размещения отопительного прибора: а – под окнами без подоконника, б – под окнами с подоконником, в – у внутренней стены.

Рис. 23.8. Размещение под окном помещения отопительного прибора: а – низкого и длинного (желательно), б – высокого и короткого (нежелательно)

Вертикальный отопительный прибор следует размещать как можно ближе к полу помещения, но не ближе 60 мм от пола для удобства очистки подприборного пространств от пыли. При значительном подъеме прибора над полом в помещении создается охлажденная зона, так как циркуляционные потоки нагреваемого воздуха, замыкаясь на уровне установки прибора, не захватывают и не прогревают в этом случае нижнюю часть помещения.

При подборе габаритных размеров отопительных приборов необходимо руководствоваться следующими рекомендациями. Чем ниже и длиннее отопительный прибор, тем ровнее температура помещения, и лучше прогревается его рабочая зона. Примером такого отопительного прибора может служить низкий конвектор без кожуха, который из-за малой теплоотдачи на единицу длины размещается фактически по всей длине наружной стены (рис. 23.8, а).

Высокий и относительно короткий отопительный прибор вызывает активный подъем струи теплого воздуха, что приводит к перегреванию верхней зоны помещения и опусканию охлажденного воздуха по обеим сторонам такого прибора в рабочую зону (рис. 23.8, б). Поэтому длина вертикального отопительного прибора должна быть не менее трех четвертей ширины оконного проема.

Правило установки отопительного прибора под окном может не соблюдаться в помещении, периодическим посещаемом людьми на короткое время, или если рабочие места людей в нем удалены от наружного ограждения. Это отклонение от правила может допускаться, например, в производственном помещении с широким (более 2м) проходом у окон, в вестибюле и лестничной клетке гражданского здания, складе и тому подобных помещениях.

Особое размещение отопительных приборов требуется в лестничных клетках – вертикальных шахтах снизу доверху здания. Натурными исследованиями в Москве установлено, что при размещении радиаторов на 1/2…2/3 высоты лестничной клетки в многоэтажных зданиях наблюдается существенное недогревание их нижней и перегревание средней и верхней зон.

Поэтому в лестничных клетках целесообразно располагать отопительные приборы в нижней их части рядом с входными дверями. В многоэтажных зданиях для отопления лестничных клеток применяют высокие конвекторы и рециркуляционные воздухонагреватели. В малоэтажных зданиях обычно используются приборы, выбранные для отопления основных помещений. Их размещают на первом этаже при входе и, в крайнем случае, переносят часть приборов (до 20% в двухэтажных, до 30% в трехэтажных зданиях) на промежуточную лестничную площадку между первым и вторым этажами.

Все отопительные приборы располагают так, чтобы были обеспечены их осмотр, очистка и ремонт. Вместе с тем вертикальные металлические приборы редко устанавливают открыто у глухой стены. Их размещают под подоконниками, в стенных нишах, специально ограждают или декорируют. Если по технологическим, противопожарным или эстетическим требованиям ограждение или декорирование прибора необходимо, то теплоотдача укрытых приборов по возможности не должна уменьшаться (или уменьшаться не более чем на 10%). Поэтому конструкция укрытия прибора, вызывающая сокращение теплоотдачи излучением, должна способствовать увеличению конвективной теплоотдачи. Например, вертикальный щит, помещенный у поверхности радиатора, превращающий радиатор в конвектор, будет отвечать такому условию.

Лекция №24 (2 часа)

Тема: «Режимные параметры отопительных приборов»

1 Вопросы лекции:

1.1 Коэффициент теплопередачи отопительного прибора.

1.2 Плотность теплового потока отопительного прибора.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника.- М.: Энергоатомиздат, 2006.– 432 с.

2.2 Дополнительная

2.2.2 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 472 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Коэффициент теплопередачи отопительного прибора.

Интенсивность теплопередачи отопительного прибора характеризуется коэффициентом теплопередачи k_пр, который представляет собой отношение плотности теплового потока на внешней поверхности стенки к разности температуры разделенных стенкой теплоносителя и воздуха отапливаемого помещения.

Коэффициент теплопередачи прибора k_пр, Вт/(м²∙°С), численно равен величине, обратной сопротивлению теплопередаче R_пр от теплоносителя через стенку прибора в помещение:

В свою очередь величина R_пр слагается из сопротивления теплообмену R_в на внутренней поверхности стенки прибора, термического сопротивления стенки R_ст и сопротивления теплообмену R_н на внешней поверхности прибора А_пр:

R_пр = R_в + R_ст + R_н.

Процесс теплопереноса от теплоносителя в помещение осуществляется: от теплоносителя к стенке прибора – конвекцией и теплопроводностью, через стенку – только теплопроводностью, а от стенки в помещение - конвекцией, радиацией и теплопроводностью. В случае сложной теплопередачи основную роль играет, как правило, конвекция.

Рассмотрим слагаемые выражения для определения сопротивления теплопередачи R_пр.

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности, отнесенное к площади внешней поверхности прибора, составляет:

Коэффициент теплообмена на внутренней поверхности прибора a_в изменяется в широких пределах в зависимости от вида теплоносителя. При воде его значение зависит в основном от скорости движения воды и ее температуры. Чем больше расход воды, тем выше коэффициент внутреннего теплообмена, а значит меньше сопротивление теплообмену R_в.

Термическое сопротивление стенки чугунного и стального отопительного прибора без учета загрязнения, окраски и специального оребрения его внешней поверхности составляет:

Термическое сопротивление стенки вместе с сопротивлением теплообмену на внутренней поверхности стенки обуславливают снижение температуры наружной поверхности приборов по сравнению с температурой теплоносителя. Из рис. 1 видно, что в средней по высоте части чугунного секционного радиатора температура поверхности отличается от температуры теплоносителя не менее, чем на 7…8 °С.

Рис. 24.1. Изменение температуры воды (1) и наружной поверхности (2) по высоте чугунного секционного радиатора при движении теплоносителя по схеме «сверху-вниз» в двухтрубной системе отопления

Сопротивление теплообмену на внешней поверхности прибора определяется по выражению:

где a_н – коэффициент теплообмена на наружной поверхности.

Коэффициент a_н может быть представлен в виде суммы коэффициентов конвективного a_к и лучистого a_л теплообмена:

a_н = a_к + a_л.

Теплообмен конвекцией при свободном движении воздуха зависит от разности температур нагретой поверхности и температуры окружающего воздуха, а также от общей подвижности воздуха в помещении.

Теплоперенос излучением зависит от материала и формы приборов, размеров, температуры и взаимного расположения отопительных приборов и поверхности ограждений помещения.

Коэффициент конвективного теплообмена в слое воздуха (снаружи) значительно меньше, чем в слое воды (внутри прибора), поэтому сопротивление внешнему теплообмену R_н для отопительного прибора сравнительно велико. Следовательно, значение коэффициента теплопередачи k_пр для металлических отопительных приборов с гладкой поверхностью определяется в основном значением коэффициента теплообмена на их внешней поверхности a_н. У неметаллических приборов k_пр зависит также от теплопроводности материала стенок и степени неравномерности температуры их поверхности.

Для увеличения теплового потока внешнюю поверхность отопительного прибора делают развитой (увеличивается площадь внешней поверхности теплообмена). В приборах это выполняют созданием специальных выступов, приливов и оребрения. Однако значение коэффициента теплообмена на внешней поверхности a_н таких отопительных приборов, а вслед за ним и значение коэффициента теплопередачи k_пр будут всегда существенно ниже значений аналогичных коэффициентов для приборов с гладкой поверхностью.

Коэффициент теплопередачи каждого вновь разрабатываемого отопительного прибора не рассчитывают аналитически, а устанавливают опытным путем без разделения теплового потока на части. Так поступают, зная о наличии многих факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи k_пр прямо или косвенно и затрудняющих точное его вычисление расчетным путем.

Выделяют основные и косвенные факторы, влияющие на коэффициент теплопередачи k_пр. Основными факторами, определяющими величину k_пр, являются:

- вид и конструктивные особенности, приданные типу прибора при его разработке;

- температурный напор при эксплуатации прибора.

Вид отопительного прибора позволяет заранее судить о возможной величине коэффициента теплопередачи. На рис. 2 для основных видов приборов показаны области значений коэффициента теплопередачи при одних и тех же температурных условиях (t_т – t_в) = 70 °С. Как видим, для гладкотрубных приборов характерны сравнительно высокие, для секционных радиаторов – средние, для конвекторов и ребристых труб – низкие значения коэффициента теплопередачи.

Рис. 24.2. Области значений коэффициента теплопередачи отопительных приборов:

1 – гладкотрубные приборы; 2 – радиаторы панельные; 3 – радиаторы секционные; 4 – конвекторы, ребристые трубы

В пределах каждой области значение коэффициента теплопередачи k_пр изменяется в зависимости от конструктивных особенностей прибора того или иного типа.

Вторым основным фактором, определяющим величину k_пр в эксплуатационных условиях, является температурный напор Dt, т.е. разность температуры теплоносителя t_т и температуры окружающего прибор воздуха t_в:

Dt = t_т – t_в.

При этом наибольшему температурному напору соответствует наивысшее значение коэффициента теплопередачи (пунктирные линии на рис. 24.2).

Температуру воды принято вычислять при экспериментах как среднеарифметическую между температурой воды, входящей и выходящей из прибора, т.е. t_т = t_ср, хотя в действительности средняя температура воды в приборе ниже среднеарифметической. Поэтому температурный напор, вычисляемый при среднеарифметическом значении температуры воды, т.е.

Dt_ср = t_ср – t_в =

является относительной расчетной величиной, принимаемой при испытаниях, а затем и при определении необходимой площади нагревательной поверхности конкретного прибора.

Результаты экспериментов по определению коэффициента теплопередачи для каждого нового отопительного прибора обрабатываются в виде эмпирической зависимости:

где m, n, p – экспериментальные числовые показатели, выражающие влияние конструктивных и гидравлических особенностей прибора на его коэффициент теплопередачи;

Dt_ср – разность температуры;

G_отн – относительный расход воды в приборе, связывающий изменение коэффициента теплопередачи с гидравлическим режимом в приборе и степенью равномерности температурного поля на его внешней поверхности.

Относительный расход воды – это отношение действительного расхода воды в конкретном приборе к номинальному расходу, принятому при тепловых испытаниях образцов приборов. В настоящее время при испытании образцов приборов за такой расход принят расход воды 360 кг/ч (0,1 кг/с), поэтому:

Значения коэффициента теплопередачи, получаемые при t_т – t_в = 70 °С, расходе воды 360 кг/ч (0,1 кг/с) и расчетном атмосферном давлении 101,3 кПа, называются номинальными. Для секционного радиатора, например, номинальный коэффициент теплопередачи равен 10,9 Вт/(м²∙°С).

К второстепенным факторам, влияющим на коэффициент теплопередачи приборов систем водяного отопления, прежде всего, относится расход воды G_пр. В зависимости от расхода воды изменяются скорость движения w и режим течения воды в приборе, т.е. условия теплообмена на его внутренней поверхности. Кроме того, изменяется равномерность температурного поля на внешней поверхности прибора.

На равномерность температурного поля на внешней поверхности отопительных приборов отражается также направление движения воды внутри прибора, связанное с местами ее подвода и отведения, т.е. способ соединения приборов с теплопроводами. Способ соединения приборов или их нагревательных элементов с трубами, изменяющий условия подачи, растекания, внутренней циркуляции, слияния и отведения потоков теплоносителя, называется схемой присоединения.

Все схемы присоединения приборов к трубам систем отопления разделены на три группы. Радиаторы чугунные секционные и стальные панельные выделены в первую группу, конвекторы с кожухом – в третью, остальные приборы с трубчатыми нагревательными элементами отнесены к второй группе.

Рассмотрим три основные схемы присоединения секционных и панельных радиаторов (рис. 24.3). Наиболее равномерной и высокой температура поверхности радиаторов получается при схеме присоединения «сверху – вниз» (схема 1), когда нагретая вода подводится к верхней пробке радиатора, а охлажденная вода отводится от нижней пробки. Поэтому значение коэффициента теплопередачи будет всегда выше, чем при движении воды «снизу-вниз» (схема 2) и особенно «снизу-вверх» (схема 24.3).

Рис. 24.3. Основные схемы присоединения радиаторов к теплопроводам систем водяного отопления

На коэффициент теплопередачи влияют также следующие второстепенные факторы:

1. Скорость движения воздуха у внешней поверхности прибора.

2. Конструкция ограждения прибора.

3. Расчетное значение атмосферного давления,

4. Окраска прибора.

3.2 Плотность теплового потока отопительного прибора.

В зависимости от значения коэффициента теплопередачи и размеров отопительного прибора изменяется его общий тепловой поток. Величина общего теплового потока обусловлена его поверхностной плотностью, т.е. значением удельного теплового потока, передаваемого от теплоносителя через 1 м² площади прибора в окружающую среду.

Поверхностная плотность теплового потока q_пр, Вт/м² равна произведению коэффициента теплопередачи на разность температуры:

Плотность теплового потока приборов, включающая в себя коэффициент теплопередачи, зависит от тех основных и второстепенных факторов, как и коэффициент теплопередачи. Поэтому на практике для упрощения расчетов определяют сразу с учетом всех факторов плотность теплового потока прибора q_пр, не вычисляя коэффициент теплопередачи.

Значения плотности теплового потока позволяют сравнить приборы и судить о теплотехнической эффективности того или иного типа отопительных приборов. Для этого при тепловых испытаниях устанавливают так называемую номинальную плотность теплового потока q_ном. Исходя из q_ном каждой марки или секции прибора определяют в зависимости от их площади номинальный тепловой поток Q_ном, кВт, как показатель для планирования и учета объема производства приборов.

Номинальную плотность теплового потока q_ном, Вт/м², получают для стандартных условий работы прибора в системе водяного отопления, когда средняя разность температуры равна Dt_ср = 70 °С и расход теплоносителя воды в приборе составляет 360 кг/ч (0,1 кг/с).

В этих стандартных условиях относительный расход воды в приборе G_отн = 1,0. Стандартную разность температур определили при следующих параметрах: температура входящей в прибор воды t_вх = 105 °С, выходящей t_вых = 70 °С, температура воздуха в помещении t_в = 18 °С, по формуле:

°С.

Для сравнения приведем значения номинальной плотности теплового потока некоторых типов отопительных приборов, Вт/м²:

- радиатор чугунный секционный типа МС-90-108……… 790

- радиатор стальной панельный типа РСВ………………… 730

- конвектор с кожухом……………………………………… 357

- ребристая чугунная труба………………………………… 388

Видно значительное теплотехническое преимущество радиаторов по сравнению с конвекторами.

Если известен номинальный тепловой поток прибора, то расчетная плотность теплового потока q_пр, Вт/м², в конкретных условиях работы его в системе отопления составит:

Значения экспериментальных числовых показателей n и р приведены в справочной литературе.

Тепловой расчет отопительных приборов

В однотрубных системах водяного отопления, когда при последовательном соединенных приборах обычно известна температура воды, входящей в прибор tвх,… , где b1 – поправочный коэффициент, учитывающий теплопередачу через дополнительную площадь приборов (для радиаторов и…

Регулирование теплопередачи отопительных приборов

Эксплуатационное регулирование теплового потока отопительных приборов может быть качественным и количественным. Качественное регулирование достигается изменением температуры теплоносителя,… Местное качественное регулирование должно дополнять центральное регулирование, которое проводится с ориентацией на…

Общие сведения

Прокладка труб в помещениях может быть открытой и скрытой. Открытая прокладка более простая и дешевая. Поверхность труб нагрета, и теплоотдачу труб учитывают при определении площади отопительных приборов.

По технологическим, гигиеническим или архитектурно-планировоч-ным требованиям прокладка труб может быть скрытой. Магистрали переносят в технические помещения (подвальные, чердачные и т. п.), стояки и подводки к отопительным приборам размещают в специально предусмотренных шахтах и бороздах (штробах) в строительных конструкциях или встраивают (замоноличивают) в них. При этом в местах расположения разборных соединений и арматуры устраивают лючки. Теплоотдача в помещение труб, проложенных в глухих бороздах стен, значительно меньше (примерно вдвое) теплоотдачи открытых теплопроводов. Встроенные подводка или стояк играют роль бетонного отопительного прибора с одиночным греющим элементом и односторонней (в наружной стене) или двусторонней (во внутренней стене, в полу или в перекрытии) теплоотдачей.

При прокладке теплопроводов учитывают предстоящее изменение длины труб в процессе эксплуатации системы отопления. Эксплуатация проходит при изменяющейся температуре теплоносителя (выше 35 °С) и трубы удлиняются по сравнению с монтажной их длиной в большей или меньшей степени.

Температурное удлинение нагреваемой трубы – приращение ее длины Dl определяется по формуле, м:

где a – коэффициент линейного расширения материала трубы (для мягкой стали при температуре до 150 °С близок к 1,2∙10^-5 1/°С);

t_т – температура теплопровода, близкая к температуре теплоносителя, °С (при расчетах учитывают наивысшую температуру);

t_н – температура окружающего воздуха в период производства монтажных работ, °С;

l – длина теплопровода, м.

Если считать t_н = 5 °C, то представленная формула для стальной трубы может быть представлена в виде удобном для ориентировочных расчетов, мм:

Можно установить, что один метр подающей стальной трубы предельно удлиняется при низкотемпературной воде приблизительно на 1 мм, обратной трубы – на 0,8 мм, а при высокотемпературной воде удлинение каждого метра трубы доходит до 1,75 мм.

Таким образом, при размещении теплопроводов, особенно при перемещении по ним высокотемпературного теплоносителя, необходимо предусматривать компенсацию усилий, возникающих при удлинении подводок, стояков и магистралей.

Размещение подводок

Компенсацию удлинения труб в горизонтальных ветвях однотрубных систем предусматривают путем изгиба подводок с тем, чтобы напряжение на изгиб в… В вертикальных системах отопления подводки к приборам в большинстве случаев… При длинных гладкотрубных приборах, а также при последовательной установке нескольких приборов другого типа,…

Размещение стояков

Кроме того, конструкция стояков должна способствовать унификации деталей для индустриализации процесса заготовки и уменьшения трудоемкости монтажа… Стояки, как и отопительные приборы, располагают преимущественно у наружных… Двухтрубные стояки размещают на расстоянии 80 мм между осями труб, причем подающие стояки располагают справа (при…

Размещение магистралей

В производственных зданиях магистрали целесообразно прокладывать в пределах рабочих помещений (если этому не препятствует технология производства)… Рис. 25.4. Размещение магистралей систем отопления в чердачных (слева),

Обоснование необходимости удаления воздуха из системы отопления

Количество свободного воздуха, остающегося в трубах и приборах при их заполнении, не поддается учету, но этот воздух в правильно сконструированных… Количество растворенного воздуха, вводимого в системы при периодических… Количество растворенного воздуха (газа), переходящего в свободное состояние, зависит от температуры и давления в…

Закон движения воздушных пузырьков

В горизонтальных и наклонных трубах пузырьки газа занимают верхнее положение. Мельчайшие пузырьки задерживаются в нишах шероховатой поверхности… В вертикальных трубах пузырьки газа могут всплывать, находиться во взвешенном… Направление движения пузырьков свободного воздуха в воде зависит от соотношения воздействующих на них сил – подъемной…

Мероприятий для сбора и удаления газов из систем отопления

Рис. 26.4. Проточные воздухосборники. а – вертикальный на главном стояке; б – горизонтальный на верхней магистрали; 1 – главный стояк; 2 – магистрали; 3 –…

Развернуть

Открыть в широком формате

– Конец работы –

Используемые теги: Конспект, лекций, дисциплине, Теплоэнергетические, установки, системы0.104

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Конспект лекций по дисциплине Системы и сети связи с подвижными объектами Курск 2011 Тема1: Классификация телекоммуникационных систем
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Юго Западный государственный университет... Факультет информатики и вычислительной техники...

Конспект лекций по дисциплине Экономика недвижимости: конспект лекций
Государственное бюджетное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Уральский государственный экономический университет...

Конспект лекций По дисциплине Экономика . Введение в экономику. Экономические системы и общие проблемы экономического развития
Образования... Новосибирский государственный медицинский университет... Министерства здравоохранения Российской Федерации...

Конспект лекций по дисциплине ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ
На сайте allrefs.net читайте: Конспект лекций по дисциплине ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СРЕДЫ. Колледж...

История мировых религий: конспект лекций История мировых религий. Конспект лекций ЛЕКЦИЯ № 1. Религия как феномен культуры Классификация религий
История мировых религий конспект лекций... С Ф Панкин...

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ дисциплины Системы электроснабжения
ГОУ ВПО Тульский государственный университет... Институт высокоточных систем им В П Грязева... Кафедра Электроэнергетика...

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ
Механико машиностроительный институт... Кафедра электронного машиностроения... КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ...

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине Операционные системы
ВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ... Северодонецкий технологический институт... КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ...

По дисциплине Теплоэнергетические установки и теплоснабжение для студентов специальности Электроснабжение Системы теплоснабжения
по дисциплине Теплоэнергетические установки и теплоснабжение для студентов специальности Электроснабжение... Системы теплоснабжения Определение основные задачи системы теплоснабжения... Под теплоснабжением понимают систему обеспечения теплом зданий и сооружений предназначенную для обеспечения теплового...

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по курсу Архитектурное материаловедение Конспект лекций по курсу Архитектурное материаловедение
ФГОУ ВПО ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ... ИНСТИТУТ Архитектуры и искусств... КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНО строительных ДИСЦИПЛИН...

0.042

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?

Подпишитесь на Нашу рассылку

Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail

Новости и инфо для студентов

Свежие новости
Актуальные обзоры событий
Студенческая жизнь

Соответствующий теме материал

Похожее
По категориям
По работам

Психиатрия. Конспект лекций. ЛЕКЦИЯ № 1. Общая психопатология Психиатрия: конспект лекций Психиатрия конспект лекций... Текст предоставлен литагентом http litres ru...
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ высшего профессионального образования... ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ... С С Гиршин В В Тевс...
Дисциплина Эстетико-философские учения Древнего мира и Средних веков наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Федеральное государственное образовательное учреждение... Высшего профессионального образования... Сибирский федеральный университет...
По дисциплине Теория организации Краткий конспект лекций по дисциплине Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Челябинский государственный университет...
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине Операционные системы и среды Астраханской области среднего профессионального образования... Астраханский колледж вычислительной техники... КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине Операционные системы и среды семестр...

рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

Твердое топливо

Газообразное топливо

Типы топочных устройств

Влияние энергетики на природную среду и климат

Смоченные пористые фильтры

Электрические пылеуловители и фильтры

Устройство калориферов

Тепловой расчет отопительных приборов

Регулирование теплопередачи отопительных приборов

Размещение подводок

Размещение стояков

Размещение магистралей

Обоснование необходимости удаления воздуха из системы отопления

Закон движения воздушных пузырьков

Мероприятий для сбора и удаления газов из систем отопления

Что будем делать с полученным материалом:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?

Подпишитесь на Нашу рассылку

Новости и инфо для студентов

Реклама

Соответствующий теме материал

О Сайте