Котлы с естественной циркуляцией

 

Родоначальником паровых котлов с естественной циркуляцией является цилиндрический котел, у которого относительно небольшая поверхность нагре­ва образовалась из нижней наружной поверхности барабана, на 3/4 заполненно­го водой и обогреваемого снаружи продуктами горения топлива. Котел имел ряд крупных недостатков, как, например, низкий удельный паросъем (1 кг пара с 1 м поверхности нагрева), высокий удельный расход металла (1 кг металла на 1 кг пара), большие габариты, низкий КПД, исключительно большую силу взры­ва, объясняемою относительно большим водяным объемом агрегата и др.

Одна­ко ряд присущих эксплуатационных достоинств, таких как невзыскательность к качеству питательной воды, большая тепловая аккумулируюшая способность, простота устройства, обслуживания, способствовал тому, что котел длительное время быт основным производителем пара. Дальнейшее развитие котлов с есте­ственной циркуляцией представлено (частично) на рисунке 2.1.

При дальнейшей модификации цилиндрического котла в прежних габа­ритах была увеличена поверхность нагрева цилиндрического котла при одно­временном сохранений и даже уменьшении водяного объема и металлозатрат. Относительный рост поверхностей нагрева осуществлялся двумя методами. В первом случае в водяном объеме барабана размешалось большое количество труб, омываемых изнутри дымовыми газами, т. е. развивались внутренние по­верхности нагрева (рисунок 2.1, а). Такие котлы получили название газотрубных.

Второй метод увеличения поверхности нагрева заключался в размеще­нии большого количества заполненных водой труб небольшого диаметра в газоходах, через которые проходили продукты сгорания (дымовые газы). В этом случае развивались внешние поверхности нагрева (рисунок 2.1, 6-е), и кот­лы получили название водотрубные.

Рисунок 2.1. Развитие конструкции котлов с естественной циркуляцией:

 

а - жаротрубный (1) н дымогарный (2) котел; о - водотрубный котел В.Г. Шухова; 1 - водотрубные секции; 2 - поворотный шибер по газовой стороне; 3 - грязевик; в - водотрубный четырехбарабанный котел; г - водотрубный трехбарабанный котел; д - вертикальный водотрубный однобара­банный котел П-образной компоновки; е - вертикальный водотрубный однобарабанный котел Т-образной компоновки

Газотрубные котлы в свою очередь делились на жаротрубные с одной (позиция 1 на рисунке 2.1, а), двумя и даже тремя жаровыми трубами большого диаметра (500-800 мм) и дымогарные, когда в водяном объеме цилиндриче­ского котла размещался целый пучок труб малого диаметра 2, на рисунке 2.1, а. Котлы дымогарные нашли в свое время широкое распространение на паровых локомобилях, паровозах и судовых установках.

Так как в водяном объеме котла невозможно расположить большое чис­ло жаровых и дымогарных труб, то максимальная единичная мощность таких агрегатов была крайне ограниченной, что в основном и вызвало прекращение их производства. Зато котлы водотрубные, особенно с гнутыми трубками, имели практически неограниченные возможности роста единичной мощности и поэтому нашли широкое распространение.

Серия водотрубных котлов (рисунок 2.1, 6-г) характеризуется постепенным переходом от многобарабанной к однобарабанной конструкции, переходом от многопучковой к однопучковой и даже к чисто экранной беспучковой конст­рукции современных вертикально-водотрубных котлов высокого давления (рисунок 2.1, д, е). Преимущества вертикально-водотрубных котлов: максимальное использование площади котельной; хорошая организация внутрикотловых про­цессов: высокая удельная паропроизводительность: надежная и безопасная ра­бота. Последующее развитие вертикально-водотрубных котлов шло по пути:

— сокращения числа барабанов, что снизило стоимость и металлоемкость;

— увеличение доли радиационного теплообмена (подогрев воздуха и развитие радиационных поверхностей нагрева);

— интенсификация теплоотдачи конвекцией: применение высокого подогре­ва воздуха; повышение мощности и экономичности; снижение веса и стоимости.

 

В техническом развитии водотрубных котлов особое место занимает горизонтально-водотрубный котел Шухова (рисунок 2.1, 6). В. Г. Шухов впервые воплотил в котле заводскую стандартизацию секций 1, газовое регулирование перегрева пара 2, продувку через особые грязевики 3 и многое другое.

Идея упрощения и удешевления парового котла привела, как известно, к появлению прямоточного агрегата, у которого исчез последний барабан, и остались только теплообменные трубы и небольшие стальные коллекторы.

Решающее влияние на конструкцию котлов оказал термодинамический характер зависимости между давлением и энтальпией воды и пара. Известно, что с ростом давления и перегрева пара растет экономичность установок, а так как особенно большая экономия топлива достигается при больших выра­ботках энергии, то технический прогресс в котлостроении сопровождался ростом параметров пара и единичной мощности агрегатов. С ростом рабочего давления возрастают энтальпия жидкости и перегретого пара, а теплота паро­образования, наоборот, падает, поэтому с увеличением параметров пара рас­тут экономайзерная и перегревательная поверхности нагрева, испарительная же уменьшается.