Пламъчнотръбни котли

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2010

Конструктивни и експлоатационни специфики, осигуряващи високата ефективност на котлите

    Пламъчнотръбните котли са сред котлите, намиращи широко приложение. Основни причини за масовото им използване са лесното им инсталиране и поддръжка. Подходящи са за работа с течно, газообразно или твърдо гориво. Този вид котли се използват предимно за производство на пара с ниско и високо налягане, но също така успешно могат да бъдат прилагани за подготовка на гореща вода за отопление.

Конструкция, осигуряваща висока ефективност
Основна отличителна характеристика на пламъчнотръбните котли е тяхната конструкция, която се явява определяща за специфичните им характеристики. Конструктивно пламъчнотръбните котли представляват цилиндричен съд, запълнен с вода, в който са разположени тръби, през които преминават димните газове, използвани за загряване на водата. Котлите могат да бъдат с хоризонтално или вертикално изпълнение.
От конструирането на първия пламъчнотръбен котел до днес, конструкцията на тези котли претърпява значително развитие с оглед на повишаване на ефективността им. Първоначално широко разпространени са били пламъчнотръбните котли, включващи в конструкцията си две или три тръби с относително голям диаметър. В последствие по-широко приложение намира конструкцията, в която димогарните тръби се комбинират в снопове. Причината тази конструкция да се наложи е постигането на по-голяма нагревна повърхност, благодарение на по-голямото количество тръби, което подпомага топлообмена и повишава ефективността на котела. Най-широко разпространени понастоящем са пламъчнотръбните котли, включващи пламъчна тръба, в която протича горивният процес и снопове от димогарни тръби, през които преминават димните газове. Това е конструкцията, която предлага постигането на оптимална нагревна повърхност. Сред предимствата на пламъчнотръбните котли е фактът, че в тях се съдържа голямо количество вода, което им позволява да отговарят на променящи се товари с минимални промени в налягането на парата.

Конструктивни специфики на котлите
Една от най-често използваните класификации на пламъчнотръбните котли е в зависимост от броя на ходовете на димните газове в котела или от броя на обръщанията на пламъка в горивната камера. Производителите предлагат котли с два, три и четири хода на димните газове. Увеличаването на броя на ходовете в котела е с цел повишаване на неговата ефективност.
Освен според броя на ходовете, пламъчнотръбните котли се различават и по вида на задната обръщателна камера. Предлагат се две конструкции. Едната е на пламъчнотръбен котел сух дизайн, при който обръщателната камера, използвана за насочване на димните газове от пламъчната тръба към димогарните тръби се явява външна. С тази конструкция се осигурява лесен достъп до всички вътрешни зони на котела, включващи тръби, горелка, пещ и др. Това предопределя лесната поддръжка и по-ниските разходи на тази конструкция на пламъчнотръбен котел.
Втората конструкция е на вътрешна водоохлаждаема обръщателна камера. С нея се постигат по-малки експлоатационни разходи, независимо от по-трудното поддържане и почистване на котела. Също така пламъчнотръбните котли с подобна конструкция са по-податливи към отлагане на утайки във вътрешната им част.

Пламъчна тръба като фактор за ефективност
Сред конструктивните специфики на пламъчнотръбните котли, които оказват влияние върху ефективността им, са броят и формата на пламъчната тръба. С цел постигане на по-висок КПД, производителите залагат на различни технически решения като използване на вълнисти тръби, например. Използват се и гладки пламъчни тръби, но те се приемат като не добро техническо решение, тъй като са със сравнително по-лоши характеристики.
Пламъчните тръби обикновено се явяват както първи димоотводи, така и горивни камери. Това води до по-силното им нагряване, в сравнение с останалата част от котела, определя редица специфики в експлоатацията им и налага те да притежават определени свойства. Сред тях са необходимостта пламъчната тръба да бъде устойчива, да притежава и до известна степен еластичност по направление на дължината си. Профилирането на пламъчната тръба, например, е решение, с което се постига увеличаване на нейната повърхност, облекчава се поемането на термичните удължения и се подпомага запазването на турбулентността на газовия поток.

Технически решения турболизатори
За повечето конструкции пламъчнотръбни котли запазването на турбулентността на димните газове в димогарните тръби също е фактор, оказващ влияние върху ефективността им. При постъпването си в димогарните тръби потокът димни газове е в турбулентен режим, но по време на движението си в тръбите потокът постепенно се ламинаризира. Непосредствено до вътрешната повърхност на тръбата се образува граничен слой с по-ниска температура в сравнение с температурата на димните газове. Този слой действа като бариера, възпрепятстваща предаването на топлина към водата.
За да се предотврати преминаването на димните газове от турбулентен в ламинарен режим, обикновено се предвижда поставянето на т.нар. турболизатори. За целта се използват различни технически решения. Сред често срещаните са спиралните метални пластини. Те се поставят вътре в тръбите, като предназначението им е да разрушат ламинарния граничен слой. По този начин се увеличава турбулентността на потока горещи димни газове и се интензифицира конвективното предаване на топлина към повърхността на тръбите, което от своя страна способства за повишаване ефективността на котела. Мястото на монтиране на турболизаторите обикновено е в тръбите от последния ход на котела.
Сред ползите от поставянето на турболизатори в котела е и постигането на относително равномерен поток от горещи газове, преминаващи през тръбите. За целта обикновено се използват специфични като конструкция турболизатори, които се поставят в най-горните тръби. По този начин се повишава ефективността на предаването на топлина от топлоотдаващата повърхност към водата, поради елиминирането на температурната стратификация и постигането на равномерен газов поток.

Четириходовите котли са без турболизатори
Турболизаторите могат да бъдат икономически и ценово ефективно решение за намаляване температурата на димните газове, постъпващи в комина, както и с цел увеличаване на ефективността на съотношението вложено гориво - получена пара за едноходовите хоризонтални котли и по-старите дву- и триходови пламъчнотръбни котли, работещи с газ и течно гориво.
Използването на турболизатори не се препоръчва за четириходовите котли, както и за моделите, работещи на твърдо гориво. Причината е, че четириходовите котли предлагат четири възможности за отдаване на топлина. Те се характеризират с по-голяма топлоотдаваща повърхност, по-ниска температура на димните газове, постъпващи в комина, по-висока ефективност на съотношението вложено гориво - получена пара, както и по-ниски енергийни разходи в сравнение с дву- и триходовите котли, при едни и същи условия на работа.

Сериозни изисквания към водния режим
За да се осигури безпроблемно използване и дълъг живот на пламъчнотръбните котли, е необходимо да се обърне допълнително внимание на условията на експлоатацията им. Основно изискване, с определящо значение върху надеждната експлоатация на котела е осигуряване на необходимия воден режим. Сериозните изисквания към качеството на питателната вода се обуславят от относително по-големите топлинни потоци в пламъчната тръба и обръщателната камера в сравнение с тези във водотръбните котли, например.
Според направени температурни разчети, в следствие на високите топлинни потоци, както и на наличието на свободно движение на водата в котела, на повърхността на пламъчната тръба и на обръщателната камера се наблюдава повърхностно кипене. В някои котли повърхностно кипене се наблюдава и по стените на димогарните тръби в местата на свързване с обръщателната камера. Наличието на кипене върху повърхността на тръбите осигурява надеждно охлаждане на нагревните повърхности на котела, тъй като температурата на металните тръби от страната на газовете превишава температурата на кипене на водата само с 15 - 25 °С. При работно налягане в пламъчнотръбния котел  0,6 МРа, температурата на насищане е 159 °С, а максималната температура на стената на метала от страната на димните газове не превишава 183 °С. При тази температура, за стените на котела може да се използва въглеродна стомана.

Проблемно е съдържанието на минерални соли във водата
Посочените условия могат да осигурят на котела надеждна работа над 10 години. Проблем би възникнал, ако във водата се съдържат минерални соли. В този случай при кипенето на водата върху повърхността се образуват плътни отлагания на калциеви компоненти, които съществено увеличават топлинното съпротивление на стената. Проведени изследвания сочат, че един милиметър накип при преминаване на високотемпературни потоци през димогарните тръби увеличава температурата на стените с около 100 - 120 °С. При дебелина на накипа, равна и по-голяма от 3 mm температурата може да достигне дори 500 °С. Ако температурата достигне толкова високи стойности е възможно да настъпят различни по вид повреди в тръбите, обръщателната камера и другите елементи на котела.
Направени анализи на експлоатационните характеристики и топлинните разчети на съвременните пламъчнотръбни котли показват, че при намаляване на налягането под работното до 0,2 - 0,3 МРа, температурата на насищане намалява и интензивността на кипене се увеличава. В подобни случаи се наблюдава по-интензивно образуване на накип, дори при неголеми количества минерални соли в питателната вода. От друга страна, в някои котли, в които плътността на топлинния поток се поддържа в нива 1000 kW/mЗ, при увеличаване на налягането до 0.8 - 0.9 МРа, кипене на водата не се наблюдава и температурата на стените не превишава 180 - 185 °С.

Използвани методи за водоподготовка
За да се осигури надеждна и дълговечна работа на съвременните котелни агрегати, се препоръчва да се обърне специално внимание на режима на работа на котела. При проектирането на котелни агрегати от различен тип е необходимо на основата на технико-икономически анализ да се реши въпросът за избор на съответстваща схема на водоподготовка, отчитайки съставът на изходната вода, конструкцията на котела и стойността на оборудването. Разнообразни са предлаганите схеми за водоподготовка, режими на работа на котела без образуването на накип, а също така и методи за повърхностно почистване на накипа. Сред често използваните са стандартните методи за химическа обработка на водата с използването на катионни филтри и механични пясъчни филтри. Приложение намират и т.нар. мембранна очистка (ултрафилтрация, нанофилтрация и обратна осмоза), както и комплексната подготовка на водата.
Изборът на метод за обработване на водата зависи от състава на изходната вода и конструкцията на котела. За решаване на този въпрос специалистите препоръчват предварително да се отчетат спецификите на конкретния случай. Например решение за котел, който се захранва с вода от промишлен водопровод, която вече е очистена от механични и колоидни примеси, е използване на стандартна водоподготвителна установка с механичен филтър и едностепенен натрий-катйонен филтър. За котли, при които като питателна вода се използва водата от открити водоеми - езера, реки за подготовката й е възможно използването на блокова водоподготвителна установка с механични пясъчни филтри и едностъпално натрий-катиониране.
При използване на мембранната технология е възможно постигането на пълно обезсоляване на водата. Недостатък на тази технология е високата цена на мембраната. За модулни котелни агрегати с неголяма мощност на котлите до 100 kW за целесъобразно се счита и приложението на комплексна обработка на подаваната вода. Към използваната вода автоматично се подават определени химични реагенти, които свързват минералните соли и не позволяват те да се отложат върху нагревните повърхности на котела. Тези установки се отличават с невисока стойност и елементарна експлоатация, но следва да се има предвид, че те не винаги успяват да осигурят вода с необходимите качества.

Използвани материали на пламъчнотръбните котли
Върху ефективността на котела и експлоатационните му характеристики сериозно влияние оказват и използваните материали на горивната камера, тръбите и т.н. Обикновено горивната камера на пламъчнотръбните котли е от стомана. В съвременните модели пламъчнотръбни котли често се използват специални легирани стоманени сплави, които се отличават с висока корозионна устойчивост, което допринася за удължаване на експлоатационния им живот. По високата пластичност на стоманата в сравнение с чугуна, например, разкрива по-големи възможности за оптимизиране и усложняване на конструкцията на котела, което подпомага постигането на по-ефективен топлообмен.

Експлоатация на котлите
Пламъчнотръбните котли са много подходящи за отопление на помещения в различни индустриални приложения. Те са компактни, лесни за почистване и поддръжка. Експлоатационните разходи на тези котли са сравнително ниски. Предлагат се в широк диапазон от типоразмери. Недостатъците им са свързани с наличието на ограничения по отношение производството на пара с висок капацитет и факта, че използването на пламъчнотръбните котли не е препоръчително при високи налягания.
По отношение на приложната им област, добре е да се има предвид, че използването на тези котли е съпроводено с известни ограничения по отношение на топлинната мощност. Необходимо е също така да се вземат предвид и изискванията за безопасност.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top