• Біографія
• Автореферат
• Бібліотека
• Посилання
• Портал Магистров

Автореферат

За період з 1999 по 2009 рік кафедрою "Промислова теплоенергетика" був проведений ряд енергетичний обстежень котелень регіону, які показали, що більшість котелень Донецької області (а це більше 300) було побудовано й уведено в експлуатацію в 60х-70х року 20 століття. Устаткування фізично й морально зношене. Більше 100 котлів мають експлуатаційний строк більше 20 років, а 95 котлів - більше 30 років. Природно, такі котли мають низький коефіцієнт корисної дії (близько 70%), що приводить до невиправданої перевитрати газу, і, як наслідок, високим тарифам на тепло й гарячу воду. Таке встаткування вимагає заміни, тому в період з 2000 по 2009 рік було встановлено велику кількість нових котлів, у тому числі й жаротрубних.

Розвиток конструкцій жаротрубних котлів

Розвиток конструкцій парових і водогрійних котлів на початку свого шляху йшло по двох основних напрямках - газотрубний і водотрубний спосіб нагрівання теплоносія. У першому випадку продукти згоряння рухалися зсередини розділової поверхні, а вода обмивала поверхню нагрівання зовні, у другому випадку теплоносій рухався усередині, а димові гази - зовні.

Газотрубні котли звичайно робили з горизонтального циліндра й двох або трьох   труб щодо великого діаметра (жаротрубні котли) або пучка труб малого діаметра (димогарні котли). Більше поширення спочатку одержали саме жаротрубні котли, тому що ручні колосникові ґрати розташовувалися усередині жарових труб, і в результаті цього вдавалося одержати високоефективну радіаційну поверхню нагрівання, що екранує полум'я практично повністю. У цьому випадку при глибокому охолодженні димових газів відпадала необхідність установки й наступного ремонту вогнетривкої кладки.

Тип котлів з димогарними трубками звичайно дозволяв одержати в одиниці об'єму основного барабана більшу поверхню нагрівання (150...180 м2) у порівнянні з жаротрубними котлами з барабаном однакової довжини. Отже, при тих же розмірах паропродуктивність була вище.

Найбільшу поверхню нагрівання (до 300 м2) мали комбіновані газотрубні котли, у яких топленням була жарова труба, а конвективной поверхнею - димогарні трубки. Однак в обох випадках паропродуктивність лімітувалася величиною 2...4 т/година через ріст габаритів топлення й збільшенні металоємності котла.  Іншою стримуючою причиною росту поширення таких котлів були труднощі забезпечення високих параметрів пари через металоємність основного барабана й складністю виконання міцних днищ (особливо в димогарних котлах).

Найбільшим поширенням комбінованих газотрубних котлів були паровозні котли; при досить складній конструкції й масивності зміцнювальних зв'язків відомі випадки виробництва парового котла для паровоза ФД  в 1931 р. паропродуктивністю до 20 т/ч.

В останніх випадках крім усього доводилося форсувати топлення, щоб одержати високу паропродуктивність. Відповідно КПД таких котлів був низок (50...60%).

Поряд з горизонтальним розташуванням котла варто згадати й про вертикальні газотрубні котли малої потужності, сконструйованих ще в 19 столітті й, проте, що дотепер зустрічаються на харківських підприємствах. Одними з найбільш удалих котлів цього типу був вертикальний котел Шухова й ряд котлів, що є продовженням такої конструкції. У цьому випадку верхня частина жарової труби проходить крізь паровий простір і, отже, погано прохолоджується. Тому температура газів, що проходять по цій частині труби, повинна бути невисокої (при тривалій роботі не вище 500—550° С). Для зниження температури розміщали в жаровій трубі додаткову поверхню нагрівання, звичайно у вигляді пучків похилих труб, омиваних газами зовні.

Перераховані недоліки привели до того, що на довгий час від використання жаротрубних і димогарних котлів відмовилися, вони були повністю зняті з виробництва, і в СРСР була прийнята концепція використання водотрубних конструкцій котлів. Такі котли при їхній установці в котельні підлягали обмуровуванню цеглою або нанесенням захисного покриття шаром жаростійкої ізоляції.

На Заході була прийнята інша концепція. Така концепція поряд зі збереженням випуску водотрубних котлів припускала випуск для власних потреб і, особливо для продажу на зовнішньому ринку компактних готових до установки й впровадження котельних установок високої ефективності. Таким чином, був налагоджений випуск і впровадження газоплотных котлів з одним автоматизованим  блоковим пальником (рідше - із двома), не потребуючі установки высокозатратных димососів і регулювання розрідження в топленні, і прихожих до покупця вже захищеними шаром сучасної теплової ізоляції.

Конструкція ГЖК

Серед розмаїтості виробників газових жаротрубних котлів у той же час схеми руху димових газів і води схожі. Для більшості котлів (КСВа «ВК-34», «Колві», «Вулкан», РИО, SuperRAC, деякі моделі Vitoplex) - це двухходовая схема з реверсивним топленням або інверсією полум'я, мал.1. Звичайно в таких схемах топлення розташоване строго соосно з корпусом котла або в нижній частині корпуса. Продукти згоряння досягають плоского дна топлення, розвертаються й по периферії надходять до передньої кришки котла. Далі, димові гази розвертаються на 180° і надходять у конвективный газохід – у димогарні труби другого ходу. Пройшовши другий хід, гази надходять у збірний димовий короб і, звідти, у газохід і димар. Розташування димогарних труб може виконуватися як симетрично стосовно осі котла, так і окремим пакетом, розташованим вище топлення. Передня стінка може бути водоохлаждаемой, як, наприклад, для котлів «РИО»,  «Ника» або «ВК», так і неохолоджуваної, з посиленої футеровкой.

 

Рис. 1. Схематичний розріз двухходового жаротрубного  котла з реверсивним топленням і коаксіальним розташуванням другого ходу димогарних труб.Передні дверцята - неохолоджувані

Слід зазначити, що в деяких моделях ГЖК («Ника» і ін.) димові гази з жарової труби попадають у димогарні трубки, повертаючись у задній кришці, надходять до фронту. Далі по газоходу, розташованому над зовнішньою обичайкою, віддаляються в збірний газохід. Відповідно, задня кришка в цьому випадку робиться або водоохлаждаемой, або з посиленої футеровкой.

Жарова труба й димогарні труби в місцях проходу через передню й задню стінки мають зварені з'єднання. Жарова труба, проходячи всім перетином через задню стінку, утворить, таким чином, більшу поверхню, що демпфірує, виконуючу функцію поздовжнього анкера.

Усередину димогарних труб частіше поміщають спиралеобразные турбулизаторы (турбуляторы) для інтенсифікації теплообміну.

Котли Ксва «ВК» випускаються декількох модифікацій. Модель Ксва «ВК-34» -стандартні ГЖК із реверсивним топленням і розташуванням димогарних труб другого ходу окремим пакетом вище жарової труби, у моделях Ксва «ВК-21», «ВК-22»  - моделі з реверсивним топленням, димогарні трубки другого ходу розташовані по окружності симетрично до осі котла.

Модель котла Ксва «ВК-32» сполучає в собі як димогарні, так і водотрубні нагрівальні елементи. Так, топленням котла, є простір, утворене газоплотными суцільнозварними водотрубними панелями й верхньою обичайкою барабана з димогарними трубами, мал.2.

Конвективной частиною котла є димогарні трубки, розташовані в барабані-теплообміннику.

 

Рис. 2. Фотографія топкового простору котла ВК-32

Дослідження

Численні обстеження жаротрубних котлів показали деякі особливості їхньої експлуатації.

Гідравлічний режим

Основною особливістю гідравлічного режиму ГЖК є низький гідравлічний опір котла (не більше 0,5 кгс/див2). Це викликано щодо малою величиною місцевих опорів. Відповідно, це дозволяє застосовувати насоси меншої потужності, що приводить зниженню вартості котельні й до економії електроенергії при експлуатації.

Основна причина високого відсотка виходу з ладу ГЖК при роботі на твердій і забрудненій мережній воді, у порівнянні з водотрубними й чавунно-секційними котлами, полягає в низької швидкості води в межтрубном просторі (природна циркуляція), і в наявності застійних зон.

У жаротрубного котла швидкість води дуже мала, і він фактично працює як фильтр-осадитель шламу, часток накипу й т.д. При включенні в роботу таких котлів за одноконтурною схемою зі старою тепловою мережею, що має багаторічне нагромадження шламу в нижній частині радіаторів і мережних трубопроводів,  буде мати місце осадження зважених речовин і покриття ними нижніх димогарних труб ГЖК. Температура цих труб починає перевищувати температуру  верхніх, тиск перегрітих труб на трубну дошку й напругу у зварених швах різко зростають. Зниження охолодження димових газів викликає локальний перегрів трубної дошки. У результаті більших напруг у металі містків трубної дошки між сусідніми отворами й, іноді, у зварених швах з'являються мікротріщини, які надалі збільшуються до наскрізних. За умови значного осадження шламу або накипи й покриття ними жарової труби, метал цих зон погано прохолоджується, утворяться отдулины.

Примітний той факт, що якщо для водотрубного котла забруднення внутрішніх поверхонь нагрівання й ріст опорів при високих швидкостях можна виявити за показниками манометрів, для ГЖК при низьких швидкостях такий опір незначно, факт забруднення не виявляється за показниками манометрів - його можна виявити тільки шляхом розкриття й візуального огляду.

Робота металу поверхонь нагрівання

Особливістю ГЖК є висока щільність теплового потоку в жаровій трубі котла, що приблизно в 3-4 рази вище, ніж у водотрубних котлів. Саме за рахунок цього й значно знижені габарити й питома вага сучасних жаротрубних водогрійних котлів. За рахунок таких високих теплових потоків, а також за рахунок наявності свободно-го руху води в котелі, на поверхні жарових труб і поворотних камер може спостерігатися пристенное кипіння. У деяких котлах кипіння води спостерігається також на поверхні газотрубних пучків у місцях їхнього кріплення на трубній дошці першої поворотної камери.

Однак по вище викладених причинах при погіршеної водоподготовке й одноконтурній схемі включення котлів, якщо у воді перебувають солі жесткос-ти, при кипінні води на поверхні утворяться щільні кальцієві відкладення, які істотно збільшують термічний опір стінки. Для котлів КСВа «ВК» один міліметр накипу при високих теплових потоках у жаровій трубі збільшує температуру стінки — на 100 -120 °С. При товщині накипу 3 мм і більше температура металу досягає вже 500 і більше °З, при цьому углеродистая сталь втрачає свою міцність, на жарових трубах з'являються здуття, трубні ґрати поворотної камери жолобляться, а труби газотрубних пучків перегоряють. Такої ж проблеми виникають при експлуатації імпортних котлів.  На семінарі компанії Viessmann представники фірми демонструють типові порушення водоподготовки, при яких відбувалося погіршення стану металу поверхонь нагрівання ГЖК - тріщини в трубній дошці, перегоряння  труб газотрубних пучків і ін., у фіналі - повне руйнування котла.

Так само жаротрубні котли мають багато інших особливостей, зокрема відсутність методики розрахунку таких котлів, оскільки всі існуючі на сьогоднішній момент мтодик були створені для розрахунок більших енергетичних котлів і при застосуванні їх для малих котлів виникає дуже більша погрішність.

У багатьох випадках по тій же причині отсутсвия методик розрахунку, установлена потужність пальника перевищує теплову потужність котла, що приводить до погіршення умов роботи: підвищеній температурі газів, що йдуть, прогару задньої стінки котла, перевитраті палива, підвищеної собівартості тепла й частому ремонту котла.

Все це вимагає детального вивчення режимів роботи котла й горелочных пристроїв.