Общие сведения и понятия о котельных установках

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1.Общие сведения и понятия о котельных установках 4
2.Поверхности нагрева котельных установок 6
3.Расчет теплообмена 12
Заключение 16
Список использованных источников 17
Введение
Высокие темпы промышленного производства и социального прогресса требуют резкого увеличения выработки тепловой энергии на базе мощного развития топливно-энергетического комплекса страны.
Несмотря на строительство крупных тепловых электростанций, с каждым годом увеличивается выпуск и улучшаются конструкции котлоагрегатов малой и средней мощности, повышаются надежность и экономичность котельного оборудования, снижается металлоемкость на единицу мощности, сокращаются сроки и затраты на производство строительно-монтажных работ.
В качестве топлива для котельных установок используют угли, торф, сланцы, древесные отходы, газ и мазут. Газ и мазут - эффективные источники тепловой энергии. При их применении упрощаются конструкция и компоновка котельных установок, повышается их экономичность, сокращаются затраты на эксплуатацию.
Развитие отечественной теплоэнергетики неразрывно связано с именами русских ученых и инженеров. Основы теплотехнической науки были заложены в середине XVIII в. великим русским ученым М.В. Ломоносовым. В 1766 г. талантливый русский теплотехник И.И. Ползунов создал в Барнауле первую в мире теплосиловую установку для привода заводских механизмов, которая включала паровой котел.
Практическое использование паросиловых установок дало новый источник энергии и сыграло большую роль в развитии промышленного производства.
1. Общие сведения и понятия о котельных установках
Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Основные элементы котельной установки – котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства.
Котел – теплообменное устройство, в котором тепло от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.
Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.
Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.
Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают тепло воде.
Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водяной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответственно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и питательной воды; приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.
В зависимости от того, для какой цели используется тепловая энергия, котельные подразделяются на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.
Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные сооружаются на промышленных предприятиях и обеспечивают тепловой энергией системы отопления и вентиляции, горячего водоснабжения зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные предназначаются для тех же целей, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.
Устройство встроенных в жилые и общественные здания котельных в настоящее время допускается только при соответствующем обосновании и согласовании с органами санитарного надзора.
Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.
Котельные средней и большой мощности — 3,5 МВт и выше - отличаются сложностью оборудования и составом служебно-бытовых помещений. Объемно-планировочные решения этих котельных должны удовлетворять требованиям Санитарных норм проектирования промышленных предприятий (СИ 245—71), СНиП П-М.2-72 и 11-35-76.
2. Поверхности нагрева котельных установок
Поверхность нагрева котла (англ. Boiler heating surface ) — поверхность стенок, отделяющих дымовые газы от нагреваемых сред, через которые происходит передача тепла от дымовых газов.
Поверхность стенок котла, омываемая с внутренней стороны водой или паром, а с наружной — газами, называется поверхностью нагрева, измеряется в квадратных метрах и обозначается S. Поверхность нагрева определяют обычно со стороны, обогреваемой газами.
Следует дополнительно отметить, что поверхность нагрева, получающая тепло излучением горящего слоя твердого топлива или факела жидкого или газообразного топлива в топке, называется радиационной. Поверхность нагрева остальных частей котла, воспринимающая тепло горячих дымовых газов путём соприкосновения с ними, называется конвективной. В паровом котле горячими газами омывается только та часть его, которая с внутренней стороны охлаждается водой. Линия, отделяющая обогреваемую газами поверхность от не обогреваемой, называется огневой линией.
Производство поверхностей нагрева котлов достаточно развито и позволяет делать их различной конфигурации:
- экранно-трубными - бесшовные трубы, располагающиеся в топке котла, являются основой такой поверхности. Как правило, тип котла определяет то, какой экран необходим – задний, боковой правый или левый.
-конвективными - кипятильные пучки стальных бесшовных труб, которые размещаются стандартно в газоотводах стационарного котла. Теплота в таком случае получается при помощи конвекции.
Конвективные поверхности нагрева котла широко используются в теплоэнергетике, в частности, при производстве парогенераторов. К этому типу можно отнести такие тепловоспринимающие поверхности, как экономайзерные, воздухоподогреватели и прочие поверхности нагрева водогрейного и парового котла, за исключением поверхностей топочных экранов, а также радиационно-конвектиных ширмовых перегревателей, размещенных в первом газоходе и топке. Изобретение данного вида тепловоспринимающей поверхности значительно повысило технологичность как монтажную, так и последующую ремонтную.
Рассмотрим отдельно виды тепловоспринимающий поверхноси:
1. Экономайзер. Благодаря применению труб небольшого диаметра является недорогой и компактной поверхностью нагрева, в которой эффективно используется теплота уходящих газов. В связи с этим у современных парогенераторов водяной экономайзер воспринимает до 18 % общего количества теплоты, переданной через поверхности нагрева парогенератора,
В водяных экономайзерах в зависимости от вида топлива и КПД парогенератора при нагреве воды на 1 К продукты сгорания охлаждаются на 2-3 К. В зависимости от температуры, до которой вода подогревается в экономайзере, их делят на некипящие и кипящие. В зависимости от металла, из которого изготовляются водяные экономайзеры, их разделяют на чугунные и стальные. Чугунные водяные экономайзеры изготовляются для работы при давлении в барабане парогенератора до 2,4 МПа, а стальные могут применяться для любых давлений.
Чугунный водяной экономайзер состоит из ребристых чугунных труб. Трубы соединяются между собой посредством калачей.. Питательная вода последовательно проходит по всем трубам снизу вверх, что обеспечивает удаление воздуха из экономайзера. Продукты сгорания проходят через зазоры между ребрами труб. Число труб в ряду выбирается из условия получения скорости продуктов сгорания в экономайзере в пределах 6-9 м/с при поминальной паропроизводительности парогенератора. Число горизонтальных рядов в экономайзере выбирается из условия получения необходимой поверхности нагрева.
В чугунных, водяных экономайзерах недопустимо кипение воды, так как это приводит к гидравлическим ударам и разрушению экономайзера. Поэтому чугунные экономайзеры всегда работают как некипящие.
Стальные экономайзеры изготовляются из труб диаметром от 28 до 38 мм, которые изгибаются в змеевики. Змеевики водяного экономайзера обычно размещают в опускном газоходе при поперечном омывании их продуктами сгорания. Расположение змеевиков чаще всего шахматное, но может быть и коридорное.
Стальные экономайзеры, в которых допускается закипание воды, как правило, выполняются не отключаемыми по водяному тракту и тракту продуктов сгорания. Во избежание превращения всей воды, находящейся в экономайзере, в пар при растопке парогенератора предусматривается рециркуляционная линия. Эта линия соединяет входной коллектор экономайзера с барабаном парогенератора и обеспечивает поступление воды в экономайзер при ее испарении в период растопки. На линии рециркуляции устанавливается вентиль, который открывается при растопке парогенератора и закрывается при включении парогенератора в паровую магистраль.
2. Воздухоподогреватель — это элемент котлоагрегата, устанавливаемый в конвективной части котла и предназначенный для подогрева воздуха, который поступает в топку для участия в процессе горения топлива. Воздухоподогреватель использует тепло уходящих газов и повышает К.П.Д. котельной установки в целом.
В конструкции современного котельного агрегата воздухоподогреватель играет немалую роль, поверхность нагрева его значительно больше поверхностей нагрева всех остальных элементов котлоагрегата вместе взятых. Обычно масса воздухоподогревателя составляет 20—30% общей массы металла котла, а его стоимость — 10—15% общей стоимости котлоагрегата.
Трубчатый воздухоподогреватель — это подогреватель воздуха, в котором уходящие газы двигаются внутри трубок и отдают тепло воздуху, который в свою очередь движется между трубок воздухоподогревателя.
Регенеративный воздухоподогреватель (РВП) — это такой тип воздухоподогревателя, где уходящие газы отдают сначала тепло металлическим пластинам, которые в свою очередь вращаются и отдают тепло воздуху, когда при вращении оказываются в воздушной шахте.
Воздухоподогреватель как элемент современного котельного агрегата появился одновременно с началом применения камерных топок, сжигания угля в пылевидном состоянии и тягодутьевых устройств. По мере развития и усложнения котельных агрегатов воздухоподогреватель (в основном трубчатый) занимал все большую высоту конвективной шахты. Для преобладавшей в то время (как и сейчас) П-образной компоновки котлоагрегата рост высоты воздухоподогревателя вызвал своего рода «компоновочный кризис»: высота конвективной шахты оказалась значительно больше, чем высота топки, и определяла собою непомерно большую (для тогдашних мощностей) высоту котлоагрегата. Этот кризис был в дальнейшем преодолен благодаря широкому применению регенеративных воздухоподогревателей, с одной стороны, и снижению удельных тепловых нагрузок топочного объема — с другой, а также благодаря появлению новых компоновок воздухоподогревателей, и котлоагрегатов в целом.
3. Топочные экраны. Находятся в зоне наиболее высоких температур газов и требуют тщательного конструктивного выполнения для обеспечения надежной работы металла труб. По конструкции различают экраны гладкотрубные, в которых трубы расположены вдоль стен топки с небольшим зазором 4–6 мм и газоплотные, которые могут быть выполнены двух типов: либо из таких же гладких труб, с вваренными между ними проставками шириной 6–12 мм, либо с применением специальных плавниковых труб, сваренных между собой. Экраны из таких сварных между собой панелей образу монолитную цельносварную газоплотную конструкцию. Их называют мембранными.
Обычно топочные экраны выполняют в виде нескольких вертикальных панелей, которые полностью закрывают все стены топки и имеют только подъемное движение рабочей среды. Трубы имеют наружный диаметр 83–76–60 мм с толщиной стенки 3,5–5 мм, причем для котлов высокого давления (10 и 14 МПа) используют трубы меньшего диаметра, но с увеличенной толщиной стенки. Экранные трубы секции, как правило, объединяются нижним и верхним коллекторами, связанными с барабаном котла опускными и отводящими трубами большего диаметра, чем экранные. Сечение опускных и отводящих труб составляет 30–50 % сечения подъемных труб каждой секции. Плотность экранирования стен характеризуется отношением шага труб к диаметру и составляет σ = 1,07–1,1.
В котлах большой мощности в отдельных случаях по середине топки устанавливают двусветный экран, разделяющий топку две полутопки. Такой экран увеличивает тепловоспринимающую поверхность без изменения сечения топки, интенсивно охлаждает топочные газы, благодаря чему можно уменьшить высоту топки. Трубы этого экрана по высоте нельзя закрепить к каким-либо неподвижным внешним конструкциям, между собой они скрепляются в нескольких местах по высоте путем сварки через пруток. Для выравнивания давления в обеих полутопках в двусветном экране делают окна.
Газоплотные сварные экраны находят широкое применение в современных конструкциях котлов, они имеют на 10–15 % меньшую массу металла на единицу лучевоспринимающей поверхности по сравнению с гладкотрубными. Шаг труб здесь увеличен до σ = 1,4–1,45, так как между трубами ввариваются проставки шириной 14–16 мм, соответственно сокращается число труб, а суммарное сечение их подбирают по условиям обеспечения необходимой массовой скорости рабочей среды. Эти экраны находятся в лучших условиях работы, так как часть поглощенного плавниками (проставками) тепла передается тыльной стороне труб благодаря растечке, что превращает эту часть труб в активную поверхность нагрева. В таком экране исключен выход отдельных труб из плоскости экрана и ухудшение по этой причине их температурного режима.
4. Радиационно-конвектиные ширмовые перегреватели. При высоких параметрах пара возникает необходимость размещения в топке радиационного или ширмового пароперегревателя. Радиационные пароперегреватели работают с большими тепловыми нагрузками и поэтому температура металла их труб выше, чем у конвективных пароперегревателей, и превышает температуру пара на 100 - 150 °С. В связи с этим радиационные пароперегреватели обычно применяют для частичного перегрева пара, завершение которого осуществ-ляется в конвективном пароперегревателе. Надежное охлаждение труб достигается применением высокой скорости пара (до 30 м/с).
Ширмовый пароперегреватель представляет собой систему трубок, образующих плоские плотные пакеты с входными и выходными коллекторами. Ширмы размещаются вертикально или горизонтально в верхней части топки с расстоянием между коллекторами 700 - 1000 мм.
5. Фестон – испарительная поверхность нагрева, располагаемая в выходном окне топки и образованная, как правило, трубами заднего экрана, разведенными на значительные расстояния путем образования многорядных пучков. Назначение фестона заключается в организации свободного выхода из топки топочных газов в поворотный горизонтальный газоход.
6. Котельный пучок – конвективная поверхность нагрева котла, представляющая собой группу труб, соединенных общими коллекторами или барабанами.
3. Расчет теплообмена
Основными целями расчета теплообмена при проектировании паровых котлов являются:
- определение количества тепла, переданного от теплоносителя нагреваемой среде в каждой конкретной поверхности нагрева и в топке котла;
- определение температуры теплоносителя на выходе из каждой конкретной поверхности нагрева и из топки.
Исходными данными для расчета теплообмена в главных и вспомогательных паровых котлах являются:
- полная паропроизводительность котла - DK, [кг/с]; (в том числе паропронзводнтельность по насыщенному (нлн охлажденному) пару Dшг, Dлс, [кг/с] );
- параметры перегретого пара за главным стопорным клапаном - tnE [oC]; pПЕ [МПа];
- рабочее давление пара в котле - pк, [МПа];
- температура насыщенного (или охлажденного) пара - tHAC (t0XJI), [oC];
- температура питательной воды - tm, [oC];
- температура подаваемого в топку воздуха - tB, [oC];
- марка и теплота сгорания топлива - QPH, [МДж/кг].
Теплообмен в топках паровых котлов
Целью расчета теплообмена в топке является определение количества теплоты, переданной излучением поверхностям нагрева - Q,, и температуры газов на выходе из топки - вЗТ, при известной площади лучевоспринимающей поверхности - Hл.
В некоторых случаях может стоять обратная задача определения площади лучевоспринимающей поверхности - Hл, достаточной для передачи заданного количества тепла Qn.
Искомой величиной при расчете теплообмена в топке является температура газов на выходе из топки:
где: Bo - критерий Больцмана для топки:
- коэффициент удержания тепла для топки;
- расход топлива, [кг/с];
- объем продуктов сгорания, получающийся при сгорании 1 кг
топлива, [м3/кг];
- средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания, [Дж/м3-К];
5,67 • 10 8 [Вт/м2-К4] - константа излучения абсолютно черного тела;
- коэффициент эффективности стен топки;
- площадь поверхности топки, [м2];
- теоретическая (адиабатная) температура продуктов сгорания, [К].
- степень черноты топки;
- коэффициент, учитывающий характер распределения температуры по высоте топки.
Существует несколько методов расчета топок, основным из которых является метод ЦКТИ (нормативный метод). Определение основных величин производится из графиков, эмпирических зависимостей и номограмм.
Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева котлов
Целью расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева является определение количества теплоты, переданной от теплоносителя нагреваемой среде, и температуры продуктов сгорания за каждой конвективной поверхностью нагрева.
Общая конвективная поверхность нагрева котла делится на испарительную, пароперегревательную и экономайзерную. В свою очередь каждая из них может состоять из одного или нескольких пучков труб, имеющих различные диаметры труб и разное строение пучков (шахматное или коридорное). В расчетном отношении каждый пучок труб представляет собой поверхность нагрева.
Основными уравнениями, решаемыми при расчетах теплообмена в конвективных пучках труб, являются:
- уравнение теплопередачи:
- уравнение теплового баланса:
где:
Q - количество теплоты, переданной через поверхность нагрева, [кДж/с];
- коэффициент теплопередачи, [кДж/м2-с-°С];
∆t- средний температурный напор между продуктами сгорания и нагреваемой средой, [°С];
H - площадь расчетной поверхности нагрева, [м2];
- коэффициент удержания тепла для каждой конкретной
поверхности нагрева;
B -расход топлива, [кг/с];
- энтальпии продуктов сгорания перед поверхностью нагрева/
Коэффициент теплопередачи для каждой конвективной поверхности нагрева в каждом конкретном случае (размещение пучка труб, строение пучка, шаг и диаметр труб и т.д.) вычисляется
где:
а1 - коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к наружной стенке трубы, [Вт/м2-К];
S3;SM;SH- толщина слоя золы, металла и накипи соответственно, [м]; Л3;ЛМ;ЛН- коэффициенты теплопроводности золы, металла и накипи,
[Вт/м2-К]; а2 - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к нагреваемой среде, [Вт/м2-К].
Отношение вида называется термическим сопротивлением.
Величины, входящие в формулу определения коэффициента теплопередачи и в расчетные уравнения определяются для каждого конкретного случая обтекания газами пучков труб по графикам, номограммам и эмпирическим зависимостям.
Конечные расчетные данные каждого конкретного пучка труб являются исходными данными для расчета следующего за ним пучка труб.
Заключение
Итак, в заключение можно сказать, что котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду вырабатываемого теплоносителя они делятся на паровые и водогрейные.
Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:
1). Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.
Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).
Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция) .
2). Режим движения жидкости.
Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным.
Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.
3). Физические свойства жидкостей и газов.
Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (l), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), κоэффициент температуропроводности (а = λ/cр ·ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), температурный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т).
4). Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).
Список использованных источников
Смородин С.Н., Иванов А.Н. Тепловой и аэродинамический расчеты котельных установок: учеб. пособие/ СПбГТУРП. СПб., 2008.
Белоусов В.Н., Смирнова О.С., Смородин С.Н. Основы сжигания газа: учеб. пособие/ СПбГТУРП. СПб., 2009.
Днепров Ю.В. , Смирнов Д.Н. «Монтаж котельных установок малой и средней мощности»; Москва «Высшая школа», 1985 г.
Паршин А.А., Митор В.В. «Тепловые схемы котлов»; Недра, 1987 г.
Журнал «Новости теплоснабжения» , http://www.ntsn.ru/1_2011.htmlИнформационный портал https://studopedia.ruЭлектронный журнал "Энергетика ТЭС и АЭС" http://tesiaes.ru