Циркуляция воды в котлах

Циркуляцией воды называется движение воды по замкнутому контуру. В состав контура циркуляции, в общем случае, входят такие конструктивные элементы котлов, как барабаны, коллекторы, обогреваемые и необогреваемые трубы поверхностей нагрева. Вода может проходить по контуру многократно либо однократно, двигаясь через поверхности нагрева от входа к выходу.

В зависимости от причин, которые вызывают движение воды циркуляция подразделяется на естественную и принудительную.

Естественная циркуляция осуществляется в паровых котлах, так как движущий напор в контуре создается разностью плотностей воды и пара. При этом каждый кг воды может постепенно превращаться в пар, многократно проходя через контур, либо превращаться в пар за один проход через поверхность нагрева.

Принудительная циркуляция воды производится с помощью насоса. Она применяется в водогрейных котлах и водяных экономайзерах и является прямоточной.

При любом виде циркуляции и способах ее организации вода и пар, образующийся в контуре, должны надежно охлаждать металл, что необходимо для безаварийной работы котлов.

Естественная циркуляция воды в паровых котлах. Рассмотрим принцип действия естественной циркуляции на примере контура циркуляции бокового экрана топки (рис. 10).

Рис. 10. Схема простейшего контура естественной циркуляции:

1 – коллектор; 2 – опускная труба; 3 – верхний барабан; 4 – экранные (подъемные) трубы.

Питательная вода вводится в верхний барабан котла 3. Из него вода опускается по опускной трубе 2 и входит в коллектор 1. На этом участке контура теплота к воде не подводится (труба теплоизолирована шамотной стенкой) и температура воды остается ниже температуры насыщения при данном давлении пара в котле.

Из коллектора вода поступает в обогреваемые трубы экрана 4 и, поднимаясь по ним, нагревается до кипения, кипит и частично превращается в пар. Образовавшаяся пароводяная смесь вводится в барабан, где разделяется на воду и пар. Пар покидает котел, а вода смешивается с питательной водой и вновь поступает в контур циркуляции.

Участок подъемных труб, где вода нагревается до кипения, называется экономайзерным, а содержащий пар – паросодержащим. Высота последнего в несколько раз превышает высоту экономайзерного участка.

На экономайзерном участке вода движется с постоянной скоростью, а на паросодержащем участке она постоянно возрастает, так как количество образующегося пара в подъемных трубах непрерывно увеличивается. Скорость, которую вода имеет на экономайзерном участке, называется скоростью циркуляции. По причине своего постоянства скорость циркуляции является одной их важных характеристик естественной циркуляции. Ее величина составляет, примерно, 0,5 – 1,5 м/с.

Наличие в контуре участков со средами, имеющие разные плотности, создает в контуре разность давлений или движущий напор циркуляции. Давление в опускных трубах создается столбом воды с плотностью r_В, а в подъемных трубах – столбом воды и пароводяной смеси с плотностью r_{СМ .} Поэтому более плотная среда вытесняет менее плотную и в контуре создается круговое движение воды. Величина движущего напора определяется зависимостью вида:

S_ДВ = h_ПАР (r_В - r_СМ) g Па, (7.1)

где h_ПАР – высота паросодержащего участка подъемных труб; g – ускорение свободного падения.

Из выражения движущего напора следует, что для циркуляции недостаточно иметь среды с разной плотностью. Необходимо также, чтобы паросодержащие трубы располагались вертикально.

За один проход по контуру только часть воды превращается в пар. Поэтому для характеристики интенсивности испарения воды используется понятие кратности циркуляции:

k = М /Д, (7.2)

где М – расход воды через опускную трубу, кг/ч; Д – количество пара, образующегося в обогреваемых трубах, кг/ч.

Таким образом, кратность циркуляции показывает, сколько раз один кг воды должен пройти через контур, чтобы превратиться в пар. Для экранов k = 50 – 70, для конвективных пучков k = 100 – 200.

Величина, обратная кратности циркуляции, характеризует степень сухости влажного пара х = 1/k. Отсюда можно сделать вывод о том, что в экранах образуется пароводяная смесь, содержащая не более 0,02 или 2 % пара. Поэтому даже самые теплонапряженные поверхности нагрева котлов, которыми являются экраны, надежно смачиваются и охлаждаются водой.

В конвективных пучках все трубы обогреваются газами, температура которых при прохождении через пучок непрерывно снижается. Поэтому в кипятильных трубах по ходу движения газов паросодержание также уменьшается, а плотность пароводяной смеси возрастает. Наличие в трубах пучка пароводяной смеси с разной плотностью создает движущий напор, который движит воды по следующей схеме: из верхнего барабана вода поступает в задние трубы пучка и по ним поступает в нижний барабан котла; из барабана вода входит в остальные трубы пучка и вместе с паром поступает в верхний барабан.

Принудительная циркуляция. Принудительная циркуляция применяется в водогрейных котлах, а также в экономайзерах паровых котлов. Движение воды по трубам поверхностей нагрева производит насос. Вода входит в поверхности нагрева холодной, а покидает ее горячей, совершая в котле прямоточное движение. Кратность циркуляции воды равна единице.

Для создания прямоточного движения воды поверхности нагрева котлов изготавливаются в виде отдельных панелей, которые соединяются между собой последовательно или параллельно. Панель выполняется из одного ряда труб, концы которых замкнуты на нижний (распределительный) и верхний (собирающий) коллекторы. При этом трубы могут иметь как прямую (в основном), так и змеевиковую конфигурацию.

При параллельном подсоединении труб к коллекторам вода проходит по трубам неодинаковыми расходами, что обусловлено различиями в гидравлических сопротивлениях труб и неравномерным обогревом труб газами. Поэтому в отдельные трубы воды поступает меньше, чем это нужно для надежного охлаждения металла. Возможно даже вскипание воды в отдельных трубах, что еще в большей степени уменьшает поступление воды в такие трубы.

Движение воды в трубах может быть как подъемным, так и опускным. Однако во избежание вскипания воды ее скорость принимается не менее 0,5–1 м/с. По тем же причинам перепад давления воды в котлах не должен быть более 0,2 МПа.