Котёл-генератор насыщенного пара

 

Простейший водотрубный котел для производства насыщенного пара состоит из пучков труб, присоединенных своими концами к барабану (или барабанам) умеренного диаметра. Вся система монтируется над топочной камерой, где происходит сгорание топлива, и заключается в дополнительный кожух. Направляющие перегородки, установленные в камере, заставляют топочные газы несколько раз проходить сквозь трубные пучки, что обеспечивает наибольшую теплопередачу между ними и водой. Барабаны (разной конструкции) служат резервуарами для воды и пара, а их диаметр выбирается минимальным, что позволяет избежать характерных для газотрубных котлов проблем при проектировании, вызванных повышенным давлением. Водотрубные котлы бывают следующих типов: горизонтальные с продольным или поперечным барабаном, вертикальные с одним или несколькими паровыми барабанами, радиационные, вертикальные с вертикальным или поперечным барабаном и комбинации перечисленных вариантов, в некоторых случаях с принудительной циркуляцией топочных газов.

На рис. 5.1 показана простейшая схема горизонтального водотрубного парового котла (продольный разрез). Здесь 1 – подвод топлива и воздуха в топку; 2 – огнеупорная топочная камера; 3 – водяные трубы; 4 – передний коллектор пароводяной смеси; 5 – первый, 6 – второй и 7 – третий проход дымовых газов, образованные направляющими перегородками 8; 9 – дымовой короб с дымоходом 10 к вытяжной трубе; 11 – задний коллектор (водяной); 12 – слив воды из системы труб при их обслуживании; 13 – подача питательной воды для поддержания заданного уровня; 14 – выход влажного пара к потребителю; 15 – сепаратор пара, отделяющий его от кипящей воды; 16 – барабан котла со свободной поверхностью кипящей воды; 17 – водомерное стекло для контроля положения уровня свободной поверхности воды; 18 – объём влажного пара над свободной поверхностью кипящей жидкости в барабане; 19 – пароводяная смесь, насыщенное состояние кипящей воды.

Котёл работает следующим образом. Горячие продукты сгорания топлива из топочной камеры самотягой (естественной конвекцией в поле тяготения) движутся к дымовой трубе по полостям, образованным перегородками. При этом поток горячих газов омывает трубы, в которых движется нагреваемая вода. Движение воды также имеет естественную природу, основанную на разности сил веса её нагретых и холодных объёмов. В результате теплопередачи через стенку трубы, возникающей в силу разности температуры газов и воды [3], теплосодержание воды и её температура по мере движения в трубе повышается, а температура газов снижается.

При определённом состоянии, которое соответствует параметрам фазового перехода [1], вода начинает вскипать, интенсивность кипения повышается по мере подвода теплоты, а её параметры состояния соответствуют состоянию насыщенных паров при заданном давлении в системе. Кипящая вода поступает в барабан котла, в котором процесс её кипения продолжается. Образовавшийся пар покидает объём кипящей воды через её свободную поверхность, накапливается в свободном объёме, и через сепаратор подаётся потребителю или направляется в пароперегреватель.

Массовый расход пара, выводимого из котла, должен быть компенсирован для его непрерывной работы соответствующим расходом воды, подаваемой питательным насосом при заданном давлении пара в объём барабана. Холодные объёмы свежей воды отводятся водяным коллектором в нижнюю часть котла, затем поступают в систему труб, расположенных в топочной камере, нагреваются в них по ходу движения, цикл производства пара замыкается.

В вертикальном паровом котле имеются два или несколько барабанов, установленных на разной высоте, причем свободная поверхность (зеркало) кипящей воды находится в самом верхнем из них. Трубы присоединяются непосредственно к барабанам. Вблизи места присоединения они изгибаются, образуя ряд пучков. Поток горячих газов перегородками направляется поперек труб. Такая конструкция позволяет легко изменять геометрию поверхности нагрева.

На рис. 5.2 показана схема двухбарабанного вертикального водотрубного котла насыщенного пара с экранированной топкой. Здесь 1 – подвод топлива и воздуха в топку; 2 – экранированная (радиационная) топочная камера; 3 – огнеупорная обмазка или металлическая обшивка труб экрана; 4 – трубы экрана; 5 – нижний барабан (вода); 6 – опора водяного барабана; 7 – слив воды при обслуживании системы; 8 – вертикальные водяные трубы; 9 – направляющие перегородки; 10 – дымоход к дымовой трубе; 11 – вход питательной воды; 12 – верхний барабан насыщенного пара; 13 – выход пара к потребителю; 14 – объём насыщенного пара; 15 – кипящая вода.

Для показанных на рис. 5.1 и 5.2 водотрубных котлов насыщенного пара характерно наличие барабана со свободной поверхностью кипящей жидкости и коллекторов системы труб, соединяющихся с ним. Барабан может быть расположен как вдоль топочной камеры (как на рис. 5.1, продольный барабан), так и поперек её (рис. 5.2, поперечный барабан).