ZASADA DZIAŁANIA KOTŁÓW

KOCIOŁ - naczynie zamknięte w którym pod działaniem energii cieplnej woda przechodzi w parę o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, użytkowaną na zewnątrz kotła.

Proces wytwarzania pary można podzielić na 3 etapy:

- podgrzewanie wody od temp zasilania do temp wrzenia odpowiadającej ciśnieniu w kotle

- odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i temperaturze aż do uzyskania pary suchej nasyconej

- przegrzanie otrzymanej pary

1 - stan wody zasilającej podawanej przez pompę zasilającą

Izobara 1-2 podgrzewanie wody od temperatury zasilania

do temperatury wrzenia. Ilość dostarczonego

ciepła jest proporcjonalna do pola1-2-1'-2'

Izobara 2-3 odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i stałej

temperaturze. Ilość dostarczonego ciepła jest

proporcjonalna do pola 2-3-3'-2'-2

Izobara 3-4 przegrzewanie pary - pole 3-4-3'-4'

K - punkt krytyczny : p=21,1 MPa ; T=374^oC

Proces wytwarzania pary w kotle

przedstawiony w układzie T - s

W pierwszym etapie wytwarzania pary w kotle punkt 1 obrazuje stan wody zasilającej podawanej do kotła przez pompę zasilającą. Proces podgrzewania do temperatury wrzenia przedstawia izobara 1 -2.

W drugim etapie następuje odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i przy stałej temperaturze. Izobara 2 - 3

Przy ciśnieniu poniżej punktu krytycznego objętość ogrzewanej wody zwiększa się gwałtownie w miarę zmiany stanu skupienia 700÷1000 razy i występuje w postaci dwóch faz. Wskutek tego konieczne jest stosowanie zbiornika parowo-wodnego. Ilości ciepła potrzebne w poszczególnych fazach obrazują pola pod krzywą 1-2-3-4.

Trzeci etap to zwiększenie temperatury otrzymanej pary do odpowiedniej wysokości czyli przegrzanie. Przegrzanie również jest izobaryczne. W praktyce para na wyjściu z parownika (odcinek 2-3) nie jest sucha tylko nasycona o pewnym stopniu wilgotności oznaczanym (1- x) lub o pewnym stopniu suchości x<1 stąd w proces odparowania kończy się w przegrzewaczu.

Na wykresie i - p widać, że entalpia wrzącej wody rośnie wraz z ciśnieniem. Entalpia pary nasyconej suchej początkowo rośnie a nstępnie maleje aby osiągnąć najniższą wartość przy ciśnieniu krytycznym. Pomijając spadki ciśnień w czasie przepływu wody itp., to obrazem produkcji pary jest izobara.

Proces wytwarzania pary w układzie i - p

Izobara 1-2-3-4 przedstawia produkcję pary o ciśnieniu 5,9 MPa (60 kG/cm²).Izobara 1x - 2x - 3x - 4x przedstawia produkcję pary o ciśnieniu 19,62 MPa (200 kG/cm² )

Z porównania odcinków 2-3 i 2x - 3x widać , że ciepło parowania maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Przy ciśnieniu krytycznym ciepło parowania wynosi zero (punkt 2 i 3k są w tym samym punkcie K. Wraz ze zmianą ciśnienia zmienia się też procentowy udział przejmowanego ciepła przez poszczególne powierzchnie ogrzewalne co przedstawiono na poniższym wykresie:

Proces wytwarzania pary przedstawiony na wykresie i - s

1 - stan wody zasilającej

Izobara 1-2 podgrzewanie wody od temperatury zasilania do temperatury wrzenia

Izobara 2-3 odparowanie wody przy stałym ciśnieniu i stałej temperaturze. Ilość dostarczonego ciepła jest

proporcjonalna do pola 2-3-3'-2'-2

Izobara 3-4 przegrzewanie pary

Z analizy wykresów wynika, że przy zwiększaniu ciśnienia w kotle ciepło w coraz mniejszym stopniu przekazywane jest w parowniku aż ostatecznie dla ciśnień powyżej krytycznego parownik staje się zbędny. Zbędny jest również walczak parowo-wodny ponieważ nie następuje zwiększenie objętości pary w stosunku do objętości wody.

Bilans masowy kotła parowego

G_z - woda zasilająca [kg/h]

D - wytworzona para [kg/h]

B - paliwo [kg/h]

V_pow - powietrze [m³/h]

V_sp - spaliny wylotowe [ m³/h]

G_sz - woda upuszczana kotła (szumowanie)

Ponieważ do komory spalania dopływa B kg/h paliwa i V_pow m³/h bilans można ująć zależnością:

B(1 - a) +V_pow ρ_pow = V_sp

gdzie: a - część paliwa nie ulegająca spaleniu ( popioły i sadze [kg/kg]

ρ_pow - gęstość powietrza

We współczesnych kotłach każdy z etapów pracy kotła odbywa się w innej części.

W przykładowym kotle wodnorurkowym podgrzewanie wody odbywa się głównie w w tzw ekonomizerze tj powierzchniowym wewnątrzkotłowym podgrzewaczu wody zasilającej. W tym podgrzewaczu wodę podgrzewa się do temp niższej od temp wrzenia w danym ciśnieniu o ok. 20 oC, czyli końcowe podgrzewanie odbywa się w rurkach parownika nazywanego „kotłem właściwym”.

Ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody w kotle wynosi

Q_p = D(i' - i_w) [kJ/h]

D - wydajność kotła [kg/h]

i' - entalpia wody wrzącej przy ciśnieniu kotłowym [kJ/kg]

i_w - entalpia wody zasilającej [kJ/kg]

Powierzchnie ogrzewalne kotła opłomkowego

1 - wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody

(ekonomizer)

2a, b, c - pęki rurek ekranowych i konwekcyjnych

tworzące powierzchnię ogrzewalną

kotła właściwego (parownika)

3 - przegrzewacz pary

4 - podgrzewacz powietrza

5 - palnik

6 - rurociągi szumowania

Do rurek pęku 2a otaczających palenisko ciepło

dostarczane jest przez promieniowanie, natomiast

do rurek 2b i 2c drogą konwekcji.

Ciepło parowania Q_par = D(i'' - i') i'' - entalpia pary suchej nasyconej przy ciśnieniu kotłowym

Para nasycona przedostaje się specjalnym rurociągiem najczęściej na zewnątrz kotła, do przegrzewacza. Ciepło dostarczone w przegrzewaczu służy w zasadzie wyłącznie do podwyższenia temperatury.

Ciepło dostarczone w przegrzewaczu Q_prz = d(i_pp - i'') [kJ/kg]

i_pp - entalpia pary przegrzanej

Całkowita ilość ciepła potrzebna do wyprodukowania D [kg/h] pary przegrzanej wynosi:

Qcałk = Qp + Qpar + Qprz

wykład 7

3