Котлы с естественнй циркуляцией.

Во всех конструкциях котлов с естественной циркуляцией питательная вода после экономайзера или прямо из питательного трубопровода, если нет отдельного экономайзера, подаётся непосредственно в барабан и затем попадает в гофрированную раздаточную, расположенную по всей длине барабана. Питательная вода смешивается с котловой и нагревается до температуры насыщения за счёт теплоты конденсации части пара. Далее смесь котловой и питательной воды с температурой насыщения по опускным не обогреваемым или слабо обогреваемым трубам опускается вниз и поступает в нижние распределительные коллекторы, питающие испарительные поверхности (экраны, пучки труб и т.п.).

Вода, поднимаясь по ним вверх из-за разности плотностей, частично испаряется, и пароводяная смесь поступает в барабан, где пар покидает зеркало испарения и поднимается в паровое пространство барабана. Насыщенный пар освобождается от брызг и крупных капель котловой воды, проходит паровой сепаратор, где влажность его доводится до проектно-допустимой величины, и отводится из барабана в поверхности нагрева первичного пароперегревателя.

Родоначальником паровых котлов с естественной циркуляцией является цилиндрический котёл, у которого относительно небольшая поверхность нагрева образовалось из нижней наружной поверхности барабана, на ¾ заполненного водой и обогреваемого снаружи продуктами горения топлива. Котёл имел ряд крупных недостатков, как, например, низкий удельный паросъём (1 кг пара с 1 м² поверхности нагрева), высокий удельный расход металла ( 1кг металла на 1 кг пара), большие габариты, низкий КПД, исключительно большую силу взрыва, объясняемую относительно большим водяным объёмом агрегата и др. Однако ряд присущих эксплуатационных достоинств, таких как невзыскательность к качеству питательный воды, большая тепловая аккумулирующая способность, простота устройства, обслуживания, способствовал тому, что котёл длительное время был основным производителем пара.

Рис. 2.3. Развитие конструкции котлов с естественной циркуляцией.

а - цилиндрический паровой котёл; б - батарейный парогенератор; в - парогенератор с двумя жаровыми трубами, называемый ланкаширским; г - локомобильный; д - камерный горизонтально-водотрубный парогенератор конструкции русского инженера А. А. Лукина; е -камерный конструкции В. Г. Шухова; ж - двухсекционный «морской» агрегат английской фирмы Бабкок-Вилькокс; и - вертикально-водотрубный парогенератор системы Гарбе;

к - трёх барабанный; л - двух барабанный; м - однобарабанный; н - современный мощный парогенератор Т образной компановки.

При дальнейшей модификации цилиндрического котла в прежних габаритах была увеличена поверхность цилиндрического котла при одновременном сохранении и даже уменьшении водяного объёма и металлозатрат. Относительный рост поверхностей нагрева осуществлялся двумя методами. В первом случае в водяном объёме барабана размещалось большое количество труб, омываемых изнутри дымовыми газами, т.е. развивались внутренние поверхности нагрева. Такие котлы получили название газотрубных.

Второй метод увеличения поверхности нагрева заключался в размещении большого количества заполненных водой труб небольшого диаметра в газоходах, через которые проходили продукты сгорания (дымовые газы). В этом случае развивались внешние поверхности нагрева и котлы получили название водотрубные.

Газотрубные котлы в своё время делились на жаротрубные с одной, двумя и даже тремя жаровыми трубами большого диаметра (500 – 800 мм) и дымогарные, когда в водяном объёме цилиндрического котла размещался целый пучок малого диаметра. Котлы дымогарные нашли в своё время широкое распространение на паровых локомобилях, паровозах и судовых установках.

Так как в водяном объёме котла невозможно расположить большое число жаровых и дымогарных труб, то максимальная единичная мощность таких агрегатов была крайне ограниченной, что в основном и вызвало прекращение их производства. Зато котлы водотрубные, особенно с гнутыми трубками, имели практически неограниченные возможности роста единичной мощности и поэтому нашли широкое распространение.

Серия водотрубных котлов характеризуется постепенным переходом от многобарабанной к однобарабанной конструкции, переходом от многопучковой к однопучковой и даже к чисто экранной беспучковой конструкции современных вертикально-водотрубных котлов высокого давления.

Особое место занимает горизонтально-водотрубный котёл Шухова. Талантливый конструктор, почётный академик СССР В. Г. Шухов впервые воплотил в котле заводскую стандартизацию секций, газовое регулирование перегрева пара, продувку через особые грязевики и многое другое.

Идея упрощения и удешевления парового котла привела к появлению прямоточного агрегата, у которого исчез последний барабан и остались только теплообменные трубы и небольшие стальные коллекторы.

Решающее влияние на конструкцию котлов оказал термодинамический характер зависимости между давлений и энтальпией воды и пара. Известно, что с ростом давления и перегрева пара растёт экономичность установок.

С ростом рабочего давления возрастают энтальпия жидкости и теплота перегрева пара, а теплота парообразования, наоборот, падает, поэтому с ростом параметров пара растут экономайзерная и перегревательная поверхности нагрева, испарительная же уменьшается.

 

Котлы с многократной принудительной циркуляцией(рис. 2.4.).

 

Малый диаметр труб и невысокая кратность циркуляции (4 - 8) вызывают относительное снижение водяного объёма агрегата, следовательно, снижение габаритов барабана, уменьшение сверлений в нём, а отсюда общее снижение стоимости котла. Малый водяной объём и независимость полезного напора циркуляции от нагрузки позволяют быстро растапливать и останавливать агрегат, т.е. работать в регулировочно-пусковом режиме. Область применения котлов с многократной принудительной циркуляцией ограничивается сравнительно невысокими давлениями, при которых можно получить наибольший экономический эффект за счёт удешевления развитых конвективных испарительных поверхностей нагрева. Котлы с многократной принудительной циркуляцией нашли распространение в теплоутилизационных и парогазовых установках, в парогенераторах АЭС

 

Рис.2.4. Конструктивная схема котла с многократной принудительной организацией.

1-экономайзер; 2-барабан; 3-водоопускная питательная труба; 4-циркуляционный насос;

5-раздача воды по циркуляционным контурам; 6-испарительные радиационные поверхности нагрева; 7-фестон; 8-пароперегреватель; 9-регенеративный воздушный подогреватель.

Прямоточные котлы(рис.2.5.).

Прямоточные котлы не имеют зафиксированной границы между экономайзером и испарительной частью, между испарительной поверхностью нагрева и пароперегревателем.

В прямоточных агрегатах все примеси, поступающие с питательной водой, не могут удаляться с продувкой подобно барабанным котлам и откладываются на стенках поверхностей нагрева или уносятся с паром в турбину. В принципе и в прямоточных котлах возможно удаление солей продувкой, путём установки водяной ёмкости (сепаратора) в конце испарительного участка. Однако на практике это оказывается затруднительным из-за упомянутого перемещения границы испарительной части, а также из-за тепловой развертки в параллельно включённых трубах испарителя и требует существенного усложнения системы регулирования. Поэтому прямоточные котлы, даже оборудованные специальной продувкой, прдъявляют высокие требования к качеству питательной воды.

Из-за малого аккумулирующего объёма воды у прямоточных котлов важную роль играет синхронность подачи воды, топлива и воздуха. При нарушении этого соответствия в турбину можно подать влажный или черезмерно перегретый пар, в связи с чем для прямоточных агрегатов автоматизация регулирования всех процессов является просто обязательной.