Принцип работы водотрубного котла

Простейший вертикальный водотрубный котел (котлы такого типа наиболее распространены на флоте) имеет два барабана, соединенных трубками (рис. 14).

Эти трубки внутри заполнены водой или образующейся пароводяной смесью (поэтому это водотрубный котел) и снаружи обогреваются продуктами сгорания, которые образуются в точке 6 в результате горения смеси топлива с воздухом, поступающей в топку через форсунку 8 и окружающее ее отверстие воздухонаправляющего устройства 7. Продукты сгорания удаляются через дымовую трубу (показано стрелкой).

В соответсвии с законами теплопередачи очевидно, что при горении топлива в топке теплота излучением (радиацией) будет передаватся всем поверхностям, окружающим топку. В кипятильных 5 и экранных трубках 8 (здесь и далее рис. 15) будет происходить кипение воды, и образующаяся пароводяная смесь поднимается вверх и попадает в пароводяной барабан, откуда отбирается пар. На место поднимающейся вверх пароводяной смеси, которая образуется из воды водяного коллектора 10, в этот коллектор должна возвращаться вода из пароводяного барабана. Это осуществляется посредством опускных труб 7, которые, хотя и находятся в топке, защищены от излучения экраном, функции которого выполняют кипятильные трубки 8.

Таким образом, в топке котла теплота продуктов сгорания передается кипятильным трубкам двумя механизмами: конвекцией и излучением.

Естественная циркуляция воды и пароводяной смеси осуществляется за счет разницы плотностей воды в опускных трубках и пароводяной смеси в подъемных кипятильных трубках.

2.4. Вертикальный водотрубный парогенератор
с естественной циркуляцией

Как правило на дизельных судах устанавливаются и вспомогательные, и утилизационные котлы. Обычно на ходу потребности судна в паре обеспечиваются работой утилизационных котлов (греющим агрегатом в которых являются продукты сгорания, отходящие от главного двигателя), а на стоянке – работой вспомогательных котлов. Количество утилизационных и вспомогательных котлов определяется потребностями судна в паре. Например, на танкерах, где повышенное количество пара необходимо для разогрева груза, мытья танков, работы механизмов с паровым приводом (например, грузовых насосов), устанавливают обычно два вспомогательных котла повышенной паропроизводительности.

Паропроизводительность вспомогательных котлов составляет 1,5÷15 т/ч, а рабочее давление – 0,5÷1,5 МПа.

В качестве вспомогательных наиболее широко на дизельных судах используются вертикальные водотрубные котлы с естественной циркуляцией однопроточного типа. Некоторые из них выполняются с развитыми поверхностями нагрева, т.е. кроме парообразующих имеются и другие поверхности нагрева (пароперегреватели, экономайзеры, воздухоподогрева-тели). Изображенный на рис. 15 котел имеет пароводяной барабан 5 (или коллектор, так как он собирает пароводяную смесь и разделяет ее на воду и пар), верхняя часть которого заполнена паром и называется паровым пространством. Нижняя часть вместе с водяным коллектором 10 и соединяющими их трубами 7, 8, 11 заполнена водой и называется водяным пространством. Поверхность раздела парового и водяного пространств называется зеркалом испарения, уровень которого меряется двумя водомерными стеклами 6.

Трубы 8 обычно располагаются вплотную друг к другу и образуют сплошной боковой экран. Трубы 11 составляют многорядный притопочный парообразующий пучок.

Необогреваемые (защищенные экраном, от действия радиации или излучения) трубы 7 называются опускными. По ним вода из пароводяного коллектора 5 отпускается вниз в коллектор 10 и далее поступает в трубы 8 и 11. Эти трубы обогреваются продуктами сгорания, которые образуются в топке в результате горения топлива, которое подается в топку через топочное устройство. Так как трубы 8 и 11 обогреваются, на внутренних поверхностях стенок образуются пузырьки пара, которые вместе с водой поднимаются вверх, и поэтому эти трубы называются подъемными.

Рис. 15. Водотрубный вертикальный ВПК с естественной циркуляцией

При выходе из подъемных труб паровые пузырьки проходят через слой воды и зеркало испарения в коллекторе и попадают в его паровое пространство. Неиспарившаяся часть воды смешивается в коллекторе с непрерывно поступающей питательной водой и опять участвует в естественной циркуляции по описанной схеме.

Пространство, ограниченное передней (не видно) и задней стенками, экранными трубами 8 и трубами первого ряда притопочного пуска 11, называется топкой.

Топочное устройство 9, расположенное на передней стенке, состоит из форсунки, куда поступает топливо, и воздухонаправляющего устройства, через которое в топку идет необходимый для сгорания топлива воздух. В топке сгорает топливо и образуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые, двигаясь по газоходам котла, последовательно обогревают все поверхности нагрева.

За притопочным парообразующим пучком располагается пароперегреватель. Насыщенный пар (НП) из пароводяного коллектора поступает во входной коллектор пароперегревателя и, проходя по трубам, перегревается. Из выходного коллектора пароперегревателя пар направляется к потребителям (ПП).

За пароперегревателем располагаются хвостовые поверхности нагрева, к которым относятся экономайзер и воздухоподогреватель. Питательная вода (ПВ) в количестве, равном суммарному количеству отбираемого пара, питательным насосом подается во входной коллектор экономайзера. Из него вода поступает в параллельно включенные трубы 13, где подогревается, но не доводится до кипения. Из выходного коллектора экономайзера вода через питательный клапан 16 направляется в пароводяной коллектор.

Последним по ходу газов является воздухоподогреватель, который состоит из труб 14, закрепленных в нижней и верхней трубных досках 1. Газы проходят внутри. Снаружи трубы омываются воздухом (В), подаваемым вентилятором. Нагретый воздух поступает к топочному устройству.

Все стенки парогенератора представляют собой прочный металлический каркас, к которому крепятся коллекторы, листы обшивки, покрытые теплоизоляционными материалами. Обычно делают двойные стенки, пространство между которыми заполнено воздухом, подаваемым в воздухонаправляющий аппарат и далее в топку.

Передняя и задняя стенки топки и газоходов в районе парообразующего пучка и пароперегревателя с внутренней стороны выкладывается огнеупорным кирпичом. Такая кладка называется футеровкой.

Уровень воды и давление пара в пароводяном коллекторе контролируют с помощью водомерных стекол 6 и манометра 3. Для защиты парогенератора от повышения давления выше допустимого служат предохранительные клапаны 4.

Развитие хвостовых поверхностей нагрева связано с усложнением конструкции, увеличением габаритов, массы и стоимости парогенератора, а также с увеличением аэродинамического сопротивления движению воздуха и газов и расходов энергии на его преодоление. Поэтому паровые котлы, предназначенные для теплоснабжения судна, обогрева жидкого груза и работы паровых насосов, выполняют без хвостовых поверхностей и пароперегревателя; они имеют только парообразующую поверхность. Главное преимущество их заключается в простоте конструкции, компактности и более высокой надежности в работе (повышенный расход топлива, который имеет место при более низких значениях КПД, не имеет существенного значения в тепловом балансе всей энергетической установки).

Наряду с вертикальными на морском флоте достаточно часто встречаются горизонтальные паровые котлы (рис. 16), которые широко использовались в качестве главных на паровых судах с паропоршневыми машинами (в частности, на судах типа “Либерти”).

К пароводяному коллектору 1 трубами 2 присоединяются волнистые передние камеры 3, из которых выходят прямые парообразующие трубы 4, противоположными концами входящие в аналогичные задние камеры 5. Образующийся в трубах пар отводится в коллектор по перепускным трубам 6. Направление циркуляции показано стрелками. Парообразующие трубы располагаются под углом 15–25° к горизонтали.

Рис. 16. Водотрубный горизонтальный котел (ВПК) с естественной циркуляцией

Таким образом, ВПК состоит из нескольких секций, каждая из которых имеет переднюю и заднюю камеры, соединяющие их парообразующие трубы и перепускную трубу. Рассматриваемый тип ВПК называют также секционным.

По тепловой нагрузке парообразующей поверхности нагрева и массогабаритным показателям водотрубные горизонтальные ПК уступают вертикальным, так как из-за малого наклона труб циркуляция воды менее интенсивна, а волнистые камеры с плоскими стенками громоздки и тяжелы.

Преимущества горизонтальных ВПК заключаются в том, что эти ПК собираются из одинаковых по конструкции секций и поэтому выгодны для крупносерийного производства. Применение прямых труб, которые легко чистить, а при необходимости и заменить, делают такие котлы удобными в эксплуатации и неприхотливыми к качеству питательной воды.

2.5. Вспомогательные водотрубные котлы
с принудительной циркуляцией

К недостаткам котлов с естественной циркуляцией относится их громоздкость, связанная с необходимостью вертикальной ориентации поверхностей нагрева. Кроме того, с уменьшением температуры продуктов сгорания (имеется ввиду использование в качестве греющего агента отработавших в ДВС выхлопных газов), а также с повышением давления вырабатываемого пара надежность естественной циркуляции уменьшается. Это в конечном итоге может привести к пережогу труб, образующих поверхность нагрева. Поэтому в ряде случаев в паровых котлах применяют искусственную (принудительную) циркуляцию.

На рис. 17 показан вспомогательный водотрубный котел с принудительной циркуляцией типа “Ла Монт”.

Для производства пара всем выше описанным котлам необходима топка, где производится греющий агрегат-продукты сгорания. Однако в качестве генератора продуктов сгорания можно рассматривать двигатель внутреннего сгорания.

Котлы, работающие на отходящих продуктах сгорания, называются утилизационными и широко используются на морских судах

На рис. 18 изображена схема утилизационного парового котла (УПК) с цилиндрической формой кожуха и горизонтальными змеевиками.

Такие котлы предназначены для теплоснабжения и имеют невысокую паропроизводительность, так как устанавливаются на судах, имеющих относительно небольшую мощность главных ДВС (≈ до 7000 кВт).

Между цилиндрическим кожухом 1 и центральной трубой 2, служащей для перепуска газов мимо поверхности нагрева, установлены параллельно включенные в коллекторы 5 и 8 змеевики 3. Один змеевик состоит из двух последовательно соединенных спиралей 4 и 9 (в плане они показаны одной линией). Каждая спираль образует горизонтальный ряд труб. В одной горизонтальной плоскости спираль закручивается, в другой – раскручивается. Трубный пакет по отношению к газовому потоку может иметь шахматное или коридорное строение.

Пароводяная смесь отводится в сепаратор 6, который может иметь горизонтальное или вертикальное расположение. Из сепаратора неиспарившаяся вода в смеси с питательной водой (ПВ) забирается циркуляционным насосом 7 и вновь возвращается в парообразующие змеевики 3 через коллектор 8. Кратность циркуляции в таких УПГ равна 5–8.

Перепуск газов в трубу 2 регулируется заслонкой 10. Обводной канал может располагаться вне кожуха или вообще отсутствовать. Тогда трубный пучок занимает все поперечное сечение кожуха. Изготовить внутренние спирали с малым радиусом изгиба очень трудно. Поэтому внутри пучка образуется пространство, не заполненное трубами. Его обычно на входе в пучок и при выходе из пучка закрывают дисками.

Последовательно омываемые газами змеевики испытывают различные тепловые нагрузки, что является существенным недостатком УПК подобного типа.

В настоящее время широко распро-странены утилизационные установки с развитой поверхностью нагрева, включающей экономайзеры и пароперегрева-тели.

Схема такой утилизационной котельной установки показана на рис. 19.

Поверхность нагрева состоит из верти-кально расположенных змеевиков и вклю-чает экономайзерную 2, испарительную 1 и пароперегревательную 4 секции. Отработав-шие продукты сгорания поступают в котел снизу и последовательно омывают эти сек-ции, и после этого через верхний патрубок 3 выходят в выхлопную трубу. Питательная вода из теплого ящика 5 питательным насосом 6 подается в сепаратор 8, откуда циркуляционным насосом 7 направляется сначала экономайзер, который расположен на выходе продуктов сгорания (для подогре-ва воды не нужен греющий агрегат с высо-кой температурой). Далее подогретая вода поступает в испаритель (который в данном случае состоит из двух секций, одна из которых может быть отключена), после которого пароводяная смесь возвращается в сепаратор. Основная часть пара из сепаратора идет в пароперегреватель. Насыщенный пар к потребителям направляется из сепаратора по трубопроводу 9.

В зависимости от температуры продуктов сгорания утилизационные котельные установки могут вырабатывать от 0,4 кг до 0,6 кг пара на 1 кВт мощности главного двигателя.