Отопление жилых домов, ферм, промышленных, сельскохозяйственные предприятий, коммунальная централизованная сеть теплоснабжения, объединение выработки тепловой и электрической энергии.
Котел служит для варки, стерилизации и обезвоживания непищевого белкового сырья и конфискатов, получаемых в процессе переработки скота, птицы и мяса на предприятиях мясной промышленности при производстве сухих животных кормов (мясной, мясокостной, кровяной, костной муки, муки из гидролизованного пера, кормового белкового концентрата: рогокопытной муки), для переработки туш павших животных на кормовые продукты на заводах мясокостной муки, выработки кормового и технического жиров, а также для получения животных топленых жиров из жира – сырца, кости и костного остатка.
В 1948 г. американский изобретатель Эви Льюис Миллер на базе гранта правительства США приступил к разработке принципиально новой конструкции котлов, впоследствии названными гидронными котлами.
Основным требованием к разработке гидронных или высокоскоростных малоемкостных котлов явилось создание «прощающей» конструкции котла, делающим его наиболее надежным источником тепла, особенно в системах коммунального теплоснабжения.
«Forgiveness» – «прощающая конструкция» – технический термин, пришедший в начале ХХ века из авиационных конструкторских бюро и обозначающий конструкцию самолета, которая сама исправляет ошибки пилота, приспосабливается к изменению метеоусловий, механическим неполадкам.
До появления гидронных котлов на североамериканском рынке доминировали три типа котлов: с Чугунным Секционным Теплообменником (ЧСТ), Горизонтальные Водотрубные (ГВТ), Горизонтальные жаротрубные (ГЖТ). Сотни тысяч таких котлов используются до сих пор, но их производительность, надежность и срок службы гарантированы только в том случае, если все условия, при которых они работают, являются удовлетворительными. В течение 50 лет эти три конструкции постепенно вытеснили вертикальные жаротрубные котлы, которые одно вре-мя были принятой типовой конструкцией. Вертикальные жаротрубные котлы, в свою очередь, заменили самые первые котлы, сконструированные по принципу чайника, в которых поток выходил через «носик» (Рис.1).
Рис. 1. Первый котел типа "чайник"
К сожалению, условия, в которых работают котлы, не всегда идеальны или даже удовлетворительны. Это подтверждается существованием широкой и процветающей сферы ремонта котлов. В связи с доходностью этого бизнеса, очевидно, что современные котлы «совершенной конструкции» надежны и защищены от неумелого обращения не на все 100%. Если сам по себе котёл хорошего качества, возникновение неполадок возможно из-за неблагоприятных условий эксплуатации.
Обеспечить работу котла в неблагоприятных условиях, т.е. создать «прощающую конструкцию» – было основной целью Э.Л.Миллера, и в результате пятилетней работы был создан котел с теплообменником из цельнотянутых медных оребренных труб, подвергавшихся различным испытаниям, в том числе водой с различной жесткостью и высокой агрессивностью, и с 1953 года, началось серийное производство гидронных котлов – котлов, которые могут надежно работать в экстремальных условиях.
В этой брошюре мы попытаемся подробно объяснить, каким образом термин “прощающая” был введен в конструкцию модели гидронного котла.
Остановимся на трех возможных причинах неполадок котлов:
Эта проблема обычно вызвана (а) одной или несколькими утечками воды из системы или (б) накоплением слишком большого объема воды в расширительном баке, что приводит к ее выбросам через предохранительный клапан ка-ждый раз, когда температура воды в системе повышается. В полностью закрытой системе количество образующихся отложений или накипи должно быть невелико, и большинство котлов выдерживают ее накопление без затруднений в течение многих лет. Однако, если подпиточная вода, даже в небольшом объеме, попадает в систему, ситуация полностью изменяется. Природа трудностей, возникающих от поступающей в систему воды, зависит от ее качества.
Если подпиточная вода характеризуется повышенной мягкостью, металлические поверхности теплообменников котлов, трубопроводов и радиаторов системы подвергаются воздействию коррозии. Образованные в результате этой коррозии твердые частицы всегда оседают в местах с наименьшей скоростью потока теплоносителя.
Существует два общепринятых метода предотвращения образования накипи:
Установка смягчителя воды или устройства для удаления гидрокарбонатов кальция и магния из воды до ее нагревания.
Механическая очистка поверхностей с целью предотвращения образования или удаления отложений накипи. В случае с водонагревателями емкостного типа, единственным путем предотвращения образования отложений является применения умягчителей воды. Однако в случаях больших объемов горячего водопотребления или в случаях, когда эксплуатация водоумягчительного хозяйства является проблемой для пользователя, даже умягчение воды не является выходом из положения (рестораны, как правило, «славятся» неудовлетворительным отношением к эксплуатации указанного хозяйства – у них есть более важные заботы, чем эксплуата-6 ция механического оборудования). Мы приходим к тому, что имеем дело с водонагревателями «ОДНОРАЗОВОГО использования».
Гидронные котлы имеют конструкцию, при которой все нагреваемые поверхности автоматически подвергаются механической очистке, предотвращающей возникновение отложений. Конструкция основана на довольно простой посылке:
Поддержание определенной скорости прохождения воды через нагреваемые поверхности, при которой отложения не образуются (см. рис.3).
Рис. 3. Трубка теплообменника
Как только отложение появится на поверхности, оно немедленно размывается потоком воды. Однако, для достижения такого эффекта требуется довольно точный расчет (и поддержание) скоростей потока воды.
Если скорость слишком мала для объема формирующихся отложений, слой накипи будет увеличиваться. Поэтому, чем больше жесткость воды, тем больше должна быть скорость потока.
Вода, применяемая для работы гидронных котлов по жесткости делится на следующие три категории:
0 ÷ 2,6 мг экв. (0÷130 мг экв Са+2+Mg+2) – мягкая
2,6 ÷ 5,8 (130 ÷ 300) – нормальная
более 5,8 (более 300) – жесткая.
Производительность насосов для гидронных котлов определяется в зависимости от жесткости воды в конкретной системе по рекомендациям, изложенным в Инструкциях к котлам.
Напрашиваются следующие выводы из «прощающей» конструкции гидронных котлов по отношению к подпиточной воде:
В теплообменниках нет выпадения осадка ввиду того, что скорость теплоносителя выше, чем даже в трубах отопительной системы и потоком взвесь удаляется и разносится по всей системе.
Накипь в теплообменниках образуется гораздо медленнее в связи с её вымыванием из-за той же высокой скорости теплоносителя. И даже если возникли проблемы с накипью, то не составит большого труда и затрат времени, как видно на рис. 4, прочистка и ревизия теплообменника.
Прочистка и ревизия теплообменника
На фотографиях представлена последовательность процесса ревизии и очистки гидронных котлов. Теплообменник легко вынимается из котла (фото вверху слева), визуальная инспекция внутренних поверхностей труб теплообменника (фото вверху справа), при необходимости очистка труб при помощи металлического ерша (фото внизу).
ПРОБЛЕМА РЕЗКИХ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Резкие изменения температуры могут иногда возникать в объединенной системе нагревания и охлаждения (кондиционирования). Каждый согласится, что хорошо спроектированная система должна включать в себя средства для предотвращения поступления охлажденной воды в котел и недопущению быстрой смены циклов работы системы на нагревание и на охлаждение. Однако неопровержимым фактом является то, что многие котлы подвержены таким режимам эксплуатации. Это возникает в связи с ошибками проектирования системы, неправильной установкой и подключениями в электроцепи управления, вмешательствами в систему управления после установки и т.д.
Быстрое охлаждение обычных котлов может быть пагубным по двум причинам. В котле с чугунным секционным теплообменником, этот процесс создает огромные механические напряжения, возникающие из-за разницы в величине расширений верхней части секций, остающихся холодными, и нижней части, подвергающейся тепловому воздействию. Это приводит к образованию трещин в секциях. В котлах с водными и огневыми трубами, расширению труб, подвергающихся интенсивному тепловому воздействию, противодействуют более охлажденные трубы, что ведет к разрывам или поперечному сужению труб.
В процессе работы котла, в который поступает охлажденная вода, также образуется конденсат на холодных поверхностях, подверженных воздействию горячих дымовых газов. Это воздействие особенно разрушительно для стальных труб. Часто можно увидеть на котлах, работающих в таких режимах, проржавевшие насквозь стальные трубы, обращенные в сторону потока дымовых газов.
В то время как мы рассматриваем практику резкого охлаждения водонагревательных котлов как негативную, конструкция гидронных котлов предусматривает возможность такого режима работы. Напряжения, вызываемые неравномерными расширениями устраняются благодаря тому, что вся водяная часть «плавает» в каркасе котла. Теплообменник может свободно расширяться и сжиматься, не испытывая никаких противодействий. Более того, все трубы теплообменника, изготовленные из меди, имеющей высокую коррозионную стойкость, работают в одном температурном режиме. В результате того, что в гидронные котлы заложен принцип «прощающей» конструкции, ни один из них не выходил из строя по причине напряжений, возникающих от расширения или сжатия, ни один не выходил из строя из-за коррозийного воздействия конденсата, образующегося на нагреваемой стороне медных труб.
ОБ ОБЪЕМАХ ВОДЫ В КОТЛАХ
В период разработки котла фирмы LAARS вопросу его водяного объема было уделено много внимания. Тщательный анализ всех достоинств и недостатков большого и малого объемов привел к неизбежному выводу, что в большинстве случаев преимущества были на стороне конструкций, отличающихся малым водяным объемом. Среди четырех конструкций котлов, описанных выше, конструкция фирмы LAARS отличается наименьшим водяным объемом. (См. Таблицу 1).
Чугунный секционный теплообменник
Горизонтальная водяная труба
Горизонтальная огневая труба
Котлы Teledyne LAARS
Трубопроводы отопительной системы
Скорость
0,0102 м/сек.
0,044 м/сек.
0,026 м/сек.
2,134 м/сек.
1,22 м/сек.
Объем воды в котле
530 литров
160 литров
1000 литров
9,5 литров
Таблица 1. Таблица скорости движения воды через теплообменники различных типов котлов в сравнении с нормальной скоростью потока в трубопроводах Мы уже подчеркивали как важно, чтобы скорость дви-жения воды в котле была высока. Нецелесообразно пытаться перемещать воду с большой скоростью через котел, имеющий значительный водяной объем по двум причинам. Во-первых, такая масса перемещаемой воды требует установки невероятно большого и дорогостоящего насоса, и, во-вторых, затраты на электроэнергию, необходимые для работы такого насоса были бы недопустимо велики.
Из соображений безопасности требуется, чтобы объем воды в котле был невелик.
Согласно статистическим данным, хотя современные котлы отличаются высокой степенью безопасности, факт остается фактом, что время от времени котлы действительно выходят из-под контроля и взрываются. Правда, это возможно в том случае, если, по крайней мере, два или три устройства безопасности одновременно выходят из строя. В этом случае, объем происходящих разрушений находится в прямой пропорции к количеству воды, находящемуся в котле в момент его взрыва. Катастрофические взрывы, вызванные нагревателями объемом 75 и 115 литров воды с очень низкой тепловой нагрузкой, свидетельствуют о том, что реальная опасность скрыта в энергии воды, а не в тепловой нагрузке котла. В таблице 2 сравнивается энергия разрушения, заключенная в котлах конструкции трех типов. Может возникнуть закономерный вопрос: “Какие из вышеперечисленных котлов 11 должны быть установлены в школе, больнице, гостинице и других общественных местах?”
Чугунный секционный теплообменник
Горизонтальная водяная труба
Горизонтальная огневая труба
ОБЪЕМ воды в котле
530 литров
160 литров
1000 литров
ЭНЕРГИЯ ВОДЫ при 3,4 МПа и 21·С нар.
140 кВт
42 кВт
272 кВт
ЭКВИВАЛЕНТ ДИНАМИТА (1), кг
14,5
4,5
28,6
Таблица 2. Сравнение энергии разрушения, заключенной в котлах трех типов. Данные основаны на том, что тепловая нагрузка котла – 300 кВт (принимая, что величина критического давления взрыва составляет 3,4 МПа).
(1) Переход энергии из тепловой в механическую составляет 10%.
Гидронные котлы взрывобезопасны. Во-первых, их водный объем очень мал (Таблица 2). Кроме того, медные трубы действуют как “плавкие перемычки” при выходе в аварийный режим. Прежде, чем температура воды поднимется до опасного уровня, медные трубы плавятся и безопасно сбрасывают возникшее избыточное давление. Повреждение котла будет минимальным, его можно быстро отремонтировать и сразу же вернуть в эксплуатацию.
Наличие большого объема воды делает котел «вяло» реагирующим на потребность системы в тепле. Характерное для таких котлов длительное время нагрева приводит на практике к необходимости поддерживать высокую температуру большой массы воды в течение больших периодов времени в ожидании потребности системы в тепле (горячий резерв). Стоимость топлива, идущего на поддержание горячего резерва, может достигать значительной величины.
Единственным преимуществом котлов с большим водным объемом может являться то, что ввиду низкой скорости нагрева, температуру воды в таких котлах гораздо легче регулировать. Это считалось преимуществом много лет назад, когда имевшиеся термостаты работали намного медленнее и были менее надежны, по сравнению с современными. Однако современные термостатические блоки управления, обладающие высоким быстродействием, позволяют разрабатывать современные котлы с малым водным объемом, которые безопасны, быстро реагируют на потребности системы, обладают способностью самоочищения, высокой теплоотдачей, и все это не идет в ущерб их устойчивой работе.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В КОТЛЕ
Процесс передачи тепла в котле от горячего газа к воде сталкивается с двумя препятствиями: (а) газовая пленка с наружной стороны нагрева, (б) пленка жидкости с внутренней стороны, соприкасающейся с водой.
Рис. 6 Иллюстрация передачи тепла горячего газа через стенку трубы к жидкости (воде).
С внутренней стороны трубы вода имеет тенденцию образовывать устойчивую жидкую пленку, которая плотно «прилипает» к поверхности металла. Она действует как теплоизоляция и значительно затрудняет передачу тепла от металла к воде. Если вода течет с достаточно высокой скоростью, эта устойчивая пленка «смывается» потоком, а процесс передачи тепла воде значительно ускоряется.
Расчеты показывают, что скорость теплопередачи в котле с “принудительной конвекцией” (гидронном) может быть в 10 раз выше, чем в котле со “свободной конвекцией” (как в котлах с Чугунным секционным теплообменником, с 13 Горизонтальными водяными или Горизонтальными огневыми трубами). Проще говоря, из-за высокой скорости потока воды через гидронный котел, каждый квадратный сантиметр поверхности его теплообменника принимает в 4 – 10 раз больше тепла, чем квадратный сантиметр поверхности теплообменника котла, разработанного по принципу “свободной конвекции”.
ПРИНЦИПЫ ОБВЯЗКИ ГИДРОННЫХ КОТЛОВ
Котлы компании Teledyne Laars с ребристыми медными трубами и концепция двухконтурных систем родилась в США сразу после второй Мировой войны. Обе идеи были порождены необходимостью практического решения задач проектирования отопительных систем. На протяжении многих лет использования такие системы доказали свои неоспоримые преимущества. Применение этих двух концепций одновременно дают возможность специалистам предлагать своим заказчикам надежные и современные решения их проблем.
Применение двухконтурной системы позволяет:
Достичь максимального соответствия тепловых нагрузок теплопотерям в целях повышения комфорта в зданиях
Повысить эффективность работы системы отопления
Избежать прохождения воды через неработающие котлы (что снижает эффективность работы системы)
Быстро и просто выполнять работы по обслуживанию и ремонту элементов системы.
ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП
В основе двухконтурной системы нет никаких инженерных сложностей. Вы сможете легко применить такую систему, ощутив при этом, как повышается эффективность системы. Рассмотрим три схемы обвязки.
14
Это – однокольцевая система с циркуляционным насосом. Очевидно, если включить насос, вся вода, выходящая из котла, будет циркулировать по этому кольцу. В закрытой системе вес воды, поднимающейся вверх, уравновешивается весом воды, движущейся вниз: нет подъема воды на высоту, только циркуляция по замкнутому контуру.
Присоединим второе кольцо к основному.
При этом мы не будем устанавливать всасывающие тройники, а установим обычные тройники и вентиль на участке трубы между тройниками.
Будет ли вода циркулировать по второму кольцу? Это зависит от того, открыт ли вентиль полностью, закрыт ли он, или находится в промежуточном положении. Вентиль играет роль ворот, которые направляют воду в ту или иную сторону. Вентиль определяет разность падений давления участка трубы между тройниками и второго кольца. Увеличивая или уменьшая величину сопротивления при помощи вентиля, мы определяем величину потока воды по второму кольцу. Можно получить тот же эффект применением всасывающих тройников. Они, собственно и представляют собой такой же вентиль, имеющий только одно, фиксированное положение. Этот же эффект достигается применением трубы меньшего диаметра на участке между тройниками. Это происходит потому, что при одном и том же расходе воды труба меньшего диаметра имеет большее гидравлическое сопротивление, чем труба большего диаметра.
Итак, все, о чем мы говорим, связано с падением давления. Но ни один из этих методов не позволяет нам простым способом начать, прекратить или изменить объем циркуляции воды через второе кольцо.
Рассмотрим третью схему.
Первичный насос работает постоянно. Когда вторичный насос отключен, циркуляции воды через вторичное кольцо не будет, т.к. падение давления вдоль вторичного кольца больше, чем падение давления на участке трубы между двумя тройниками. Но когда мы включим вторичный насос, по второму кольцу пойдет столько воды, сколько нам нужно, обеспечивая циркуляцию, т.к. работа вторичного насоса изменяет соотношение падений давления.
В двухконтурной системе вторичный насос всасывает воду из подающего трубопровода так, как если бы трубопро-16 вод был котлом. В этом смысле подающий трубопровод становится как бы продолжением котла, из которого можно отбирать тепло, когда бы и куда бы это было необходимо. Теплопотери по подающему трубопроводу минимальны, потому что он не проходит через зоны теплообмена. Через эти зоны проходят только вторичные кольца. Как первичное, так и вторичные кольца работают совершенно независимо друг от друга.
ПОДБОР ГИДРОННЫХ КОТЛОВ И НАСОСОВ
ДВУХКОНТУРНОЙ СИСТЕМЫ
Подбор котлов по мощности. Подбор котлов осуществляется по суммарной тепловой нагрузке системы, которая складывается из нагрузки на отопление (определяется расчетом теплопотерь здания) и нагрузки на горячее водоснабжение (определяется расчетом максимального водоразбора системы ГВС).
Для оценочного расчета нагрузки на отопление в климатическом поясе Центрального региона исходят из величины 100 Ватт на кв.м. площади здания.
Широкий типоразмерный ряд гидронных котлов позволяет выбрать максимально соответствующее расчетной тепло-17 вой нагрузке оборудование, чем достигается наиболее рациональный и экономичный режим потребления тепловой энергии.
Подбор котловых насосов по скорости. Гидронные котлы требуют определенной скорости потока воды через теплообменник (в среднем 2,1 м/сек). Это достигается путем подбора котлового насоса по параметрам котла (расход воды через теплообменник и гидравлическое сопротивление котла), которые приведены в паспорте к каждому котлу.
Строгое соблюдение скоростного режима котла определяется: во-первых, малоемкостной конструкцией теплообменника, при которой важно обеспечить требуемый темп отбора тепла от котла в систему; во-вторых, необходимостью обеспечения эффекта «самоочищения» труб теплообменника, т.е. предотвращения процесса образования накипи и механических отложений на внутренних поверхностях теплообмена.
Подбор насосов вторичного контура производится на основе гидравлического расчета системы. При этом, как отмечалось выше, оба контура (первичный и вторичный) работают независимо друг от друга.
ДЕСЯТЬ БАЗОВЫХ ПРИНЦИПОВ
ГИДРОННЫХ КОТЛОВ
1. Высокая скорость прохождения теплоносителя (2,1 м/сек.), что делает возможным:
– обеспечить вынос твердых частиц, содержащихся в теплоносителе за пределы котла (отсутствие механических отложений в теплообменнике);
18
– свести к минимуму образование накипи и, как следствие, обеспечить практически постоянный кпд котла на протяжении длительного периода эксплуатации. – использовать котлы с теплоносителем, имеющим повышенную жесткость или мягкость, электропроводность, щелочность, высокое содержание кислорода;
– свести к минимуму затраты на химводоподготовку.
2. Применение меди, имеющей гораздо более низкий, чем сталь и чугун электрический потенциал, в качестве материала теплообменника, делает его весьма устойчивым к электролитической коррозии и действию конденсата дымовых газов.
3. Высокая сервисо- и ремонтопригодность, являющиеся следствием конструкции котла и теплообменника.
4. Теплообменник полностью противостоит тепловому удару. Благодаря “плавающей” установке в каркасе котла, в теплообменнике исключены механические напряжения, вызванные сжатиями и растяжениями от неравномерного нагрева, приводящие к быстрому старению металла теплообменника, образованию трещин и разрывов.
5. Теплообменник обладает весьма малой емкостью (объем теплообменника котла производительностью 1,0 Гкал – 37 литров), что практически исключает потери в горячем резерве.
6. Малоемкостная конструкция теплообменника делает его полностью взрывобезопасным.
7. Применение двухконтурных систем отопления исключает воздействие изменений гидравлических параметров на котловой контур. В отличие от традиционных котлов отсутствуют потери в результате тепловой инерции.
8. Низкие шумовые характеристики и отсутствие вибрации при работе котла, вследствие применения горелок атмосферного типа, позволяет применять данное оборудование при любом проектном решении в крышных котельных и прочих автономных источниках.
9. Атмосферная горелка обеспечивает устойчивую работу котла при падении давления газа до 6-8 мбар.
10. Малый вес и габариты позволяют монтировать котлы на существующих перекрытиях и в подвалах при реконструкции котельных.
По материалам предоставленным ЛААРС Хитинг Системз
Теплогенератор "Бизон" для отопления помещения 200 м3
Используются для воздушного отопления жилых, производственных помещений, магазинов, кафе, теплиц, саун, сельскохозяйственных строений (птицефабрики, животноводческие комплексы, маслобойни, крупорушки, …) с объемом помещения от 50 до 10000 куб. м; в сушильных камерах для сушки леса, лекарственных трав, подсолнечной и тыквенной семечки и др.; в пропарочных камерах для тротуарной плитки, ж/б изделий, и пр.
Работают на дровах, опилках, отходах ДВП и ДСП, топливных брикетах, шелухе круп, подсолнечной лузге, торфе и т.п.
Закладка топлива 2 раза в сутки.
Выпускаются модели для автономной работы непосредственно в обогреваемом помещении и для работы с вентилятором при установке теплогенератора вне обогреваемого помещения с возможностью распределять тепло на несколько помещений. Пожаробезопасен. Имеется заключение государственной санитарно-эпидемиологической экспертизы.
Теплогенераторы «Бизон» зарегистрированы в государственном центре стандартизации и метрологии. Авторские права защищены двумя патентами.
Компактен.
Рабочий ресурс неограничен. Гарантия 1 год.
КПД 75-90%, т.е. практически все топливо перерабатывается на тепло с минимальным количеством дыма и золы.
Окупается за 1-3 месяца эксплуатации и в дальнейшем экономит Ваши деньги. При цене дров 50 грн. за 1 куб.м стоимость 1 кВт*час составляет 2 коп., что особенно актуально в условиях высокой стоимости энергоносителей. А если в качестве топлива использовать отходы производства, то использование “БИЗОНА” решает две проблемы – утилизация отходов и получение бесплатного тепла.
Оказывается помощь в проектировании, монтаже и запуске оборудования.
Просмотреть цены на оборудование и купить его можно через наш интернет-магазин.
При использовании технологий Clayton Industries экономятся:
Топливо
Электроэнергия
Вода и стоки
Расходные материалы на химводоподготовку и деаэрацию
Время на регламентные работы
Детальный расчет экономии для Ваших условий вы можете бесплатно получить заполнив прилагаемую анкету и отправив её на наш электронный адрес mail@teplo.zp.ua или по факсу +380 (61) 220-02-17.
САМЫЙ ЭКОНОМИЧНЫЙ ПУТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРА И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ
ПЕРВАЯ ГЛАВА
Введение
Преимущества принципа работы парогенератора Клейтон в сравнении с традиционными котлами.
Чтобы понять преимущества парогенератора Клейтон в сравнении с другими системами в полной мере, нужно сначала познакомиться с отличиями в принципе работы систем. Преимущества клейтоновской системы обусловлены овладением трех главных аспектов генерирования пара: циркуляцией воды, дымовых газов и сгорание топлива.
Прежде всего, паровой котел – это преобразователь энергии. В результате сгорания топлива освобождается энергия из энергоносителя и направляется в воду или другую жидкость. Количество тепла, которое нужно удержать или отвести, находится в прямой зависимости от конструкции и принципа работы определенного блока.
Контроль над циркуляцией воды
Парогенераторы Клейтон оснащены уникальными диафрагменными насосами, чтобы качать воду по сплошной единой трубе (змеевике) и этим обеспечивать циркуляцию воды в любой момент. Много традиционных котлов имеют естественную циркуляцию, это менее эффективный принцип. Представьте себе автомобиль, в котором тепло двигателя, что образуется, необходимо отвести. Если использовать естественную циркуляцию охлаждающей воды, то система охлаждения грузовика должна была бы быть колоссальных размеров, чтобы отвести это тепло.
Контроль над дымовыми газами
Принятие тепла от сгорающих газов, является функцией поверхности нагрева и потока дымовых газов через поверхность нагрева.
Принцип Клейтона не только управляет дымовыми газами, но и скоростью этих газов, что обеспечивает максимальную теплоотдачу. Традиционные котлы имеют ряд дымовых труб и огневых камер позади жаровой трубы, которые имеют огромный размер, чтобы как можно больше поглотить тепла.
Контроль над сгоранием топлива
Специально разработанные клейтоновские горелки обеспечивают полное сгорание топлива, поскольку газообразное или жидкое топливо всегда оптимально смешивается с воздухом, необходимым для сгорания.
Теплопередача находится в прямой зависимости от разницы температур между газообразными продуктами сгорания и водой в котле.
Клейтоновский принцип противотока предусматривает поступление воды в змеевик в самой холодной точке дымовых газов, чтобы обеспечить максимальную разницу температур и максимальный теплообмен между дымовыми газами и водой в котле.
Конструкция Клейтона не требует больших объемов воды, поскольку через котел проходит только вода, которая испаряется.
В приведенной таблице Вы увидите сравнение характеристик парогенераторов клейтоновского типа с несколькими известными традиционными жаротрубными котлами. К тому же котлы Клейтона более компактные и легче, чем все традиционные котлы.
В результате этих конструкторских отличий парогенератор Clayton имеет много сберегающих топливо преимуществ над большим жаротрубными паровым котлами. Эти преимущества разделяются на несколько категорий, в частности полная операционная эффективность, быстрый старт и остановка, приблизительно нулевые потери на продувку, лучший контроль над созданием высокого давления, образованием накипи, возобновлением тепла из конденсата и эффективность обслуживания.
Каждая из этих определенных категорий раскрыта в отдельном разделе этого документа.
Сравнение характеристик парогенераторов Клейтона и традиционных котлов(Для сравнения были взяты котлы производительностью 4500 кг пара/час)
Clayton
Другие системы
1
2
3
Высота (мм)
2890
3385
3010
3000
Длина (мм)
2600
5615
5400
5450
Ширина (мм)
1640
2655
2770
2600
Требуемая площадь пола (м2)
4.3
14.9
14.95
14.1
Рабочая масса (кг)
4375
24600
24950
23500
ВТОРАЯ ГЛАВА
Контролируемая принудительная циркуляция
В парогенераторах Клейтон циркуляция воды принудительная. Это огромное преимущество, поскольку регулируется скорость жидкости в змеевике. Регуляция выполняется с помощью специального насоса и конструкции змеевика.
Насос
Чтобы осуществить принудительную циркуляцию, были разработаны специальные насосы. Они работают по принципу вытеснения воды при помощи мембраны с бессальниковым уплотнением.
Охлаждение движущихся деталей не нужно. Для такой конструкции не страшны высокие температуры воды и загрязнения в воде. Система не имеет уплотнений, которые могли бы протекать и поршней, которые могли бы износиться. Поэтому технический уход прост. Насосы сконструированы индивидуально для каждой модели и гарантируют циркуляцию воды в любое время для охлаждения змеевиков.
Это гарантирует контроль над температурой стенок труб и позволяет избежать перегрева отдельных участков змеевика и образования накипи. Все парогенераторы Клейтон подгоняют объем воды под мощность факела. Насосы гарантируют подачу заданного потока воды, чтобы обеспечить нужное соотношение воды и пара. Механическая надежность и постоянство пропускной способности при разном давлении насосов являются причинами успеха клейтоновского принципа циркуляции воды.
Змеевик фирмы Клейтон
Змеевик – это труба, у которой постоянно увеличивается диаметр. Эта конструкция рассчитана на смену плотности нагревающейся жидкости. Греющий змеевик спиралеобразный, с контролированным расстоянием между спиралями. Так обеспечивается контроль над скоростью газообразных продуктов сгорания. Координация воды и дымовых газов с точки зрения К.П.Д. является одной из преимуществ конструкции нагревательного змеевика клейтоновского типа.
Сепаратор пара фирмы Клейтон
Сепаратор пара Клейтон не имеет ни одной подвижной части и вырабатывает очень сухой насыщенный пар доступный в промышленности на сегодняшний день, менее 0,5% остаточной влажности при любой загрузке (прибл. 0,2% при полной нагрузке). Сепаратор пар/вода работает при любой нагрузке без проблем, поскольку есть соответствие скорости пара и воды в котле в любой момент.
Таким образом, сухой энергосберегающий пар, гарантирован даже при постоянно изменяющейся нагрузке. Система принудительной циркуляции позволяет быстро включиться, быстро изменить нагрузку и быстро отключиться, без перегрева материала и перегрузок. Дополнительные предохранители гарантируют долговременный срок эксплуатации нагревательного змеевика с сокращенным временем отключения на техническое обслуживание.
Конструкция предусматривает стандартные трубы с минимальным внутренним объемом, оптимальное расположение поверхностей нагрева и высокое теплонапряжение объема (освобожденное тепло на единицу протекающего объема газа). Такая конструкция хорошая тем, что в результате использования минимального количества воды отсутствует опасность взрыва, и к тому же установка занимает мало места.
Камера сгорания окружена стенками с водным охлаждением. Отпадает необходимость в изоляции и сооружении стен. Это опять-таки дает экономию в весе и энергии и позволяет избежать потерь тепла при запуске котла.
Регулируемая скорость воды в нагревательном змеевике допускает высокое содержание растворенных в воде твердых веществ и снижает объем шлама, что опять-таки означает экономию энергии.
ЕСТЕСТВЕННАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
Традиционные котлы полностью зависят от естественной термической циркуляции воды внутри котла. Вода нагревается по направлению вверх между трубами, как правило, быстрее в задней части котла, чем в передней.
Более холодная вода продвигается сбоку возле кожуха вниз и затем между жаровой трубой и дымогарными трубами вверх, так замыкается круговорот.
Циркуляция происходит за счет различной плотности воды и пароводяной смеси. Пузырьки пара, которые образуются, двигаются вверх в паровое пространство.
Рисунок 2В
Эта система имеет негативный характер при изменениях нагрузки, например, при быстром запуске, общих больших колебаниях нагрузки и быстрой остановке. Скорость циркуляции при минимальном и максимальном огне разная. Необходимо определенное время, пока опять восстановится равновесие между циркуляцией, температурой стенок труб и другими факторами, если изменилась мощность факела.
Емкость пароводонакопителя большая. Поверхность воды также большая, чтобы обеспечить освобождение пара с минимальным содержанием влаги.
При полной нагрузке котла максимальная влажность (2-3%), однако она увеличивается при резком снижении нагрузки. В некоторых случаях необходимо подключать дополнительный сепаратор пара/воды, чтобы обеспечить необходимое качество пара.
Большой объем воды при температуре насыщения угрожает возможностью взрыва. По этим причинам уход за кожухом и трубами является чрезвычайно важным и нуждается в регулярном контроле и инспекции. Поэтому такой кожух должен быть чрезвычайно крепким, что означает большой вес и нужно для него много места.
Неравномерность температур, которая возникает при быстром запуске, а также при внезапных изменениях нагрузки вызывают сильное напряжение материала, что означает сокращение срока службы деталей и повышением расходов на техническое обслуживание.
В зависимости от конструкции жаровая труба или передняя и задняя огневые камеры должны быть замурованы в стену, что опять-таки повышает вес и потери тепла во время запуска.
ТРЕТЬЯ ГЛАВА
Поверхность нагрева и дымовые газы
Конструкция парогенератора Клейтон обеспечивает высокую степень теплопередачи благодаря спиралеобразным слоям трубы котла.
Газообразные продукты сгорания выдавливаются с помощью вентилятора вверх из камеры сгорания в конвективные поверхности нагрева. Сами трубы служат как разделители газа, поскольку они расположены на нескольких уровнях в виде спирали. Скорость определяется расстояниями между трубами на отдельных уровнях.
Дымовые газы отдают свое тепло циркулирующей воде в змеевике, при этом уменьшается их объем. Щели между трубами уменьшаются аналогично объему газов, поэтому скорость газов в дальнейшем потоке вверх остается постоянной. Таким образом, обеспечивается оптимальная передача тепла.
Входная температура дымовых газов в конвективную поверхность нагрева после топочной камеры составляет от 1300 до 1650OС. При выходе из поверхности нагрева температура снижается прибл. до 180OС и объем газов становится меньше на 70%.
Благодаря предварительно вычисленному и выбранному расстоянию между спиралями труб теплопередача значительно повышается. Конструкция парогенератора Клейтон снижает поверхность нагрева по отношению к паропроизводительности на 50%, если сравнить с другими моделями жаротрубных котлов.
Эффективное использование поверхностей нагрева обеспечивается благодаря рассчитанному расстоянию между трубами, аналогично как с объемом дымовых газов. Поэтому отпадает необходимость в дополнительном подключении больших и дорогих поверхностей нагрева (экономайзеров).
РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ВИТКАМИ СПИРАЛИ КОНТРОЛИРУЕТ СКОРОСТЬ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
Рисунок 3B
СПИРАЛЕОБРАЗНАЯ КОНСТРУКЦИЯ МОЖЕТ БЕСПРЕПЯТСТВЕННО УДЛИНЯТСЯ
Рисунок 3A
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА
Принцип противотока или параллельный нарастающий поток
Высокая эффективность парогенераторов Клейтон по сравнению с традиционными жаротрубными котлами объясняется принципом противотока, который осуществляется за счет принудительной циркуляции воды в змеевике.
На рисунке показан принцип однотрубного противотока. Учтите, что дымовые газы покидают поверхность нагрева там, где поступает питательная вода и где, таким образом, минимальная температура змеевика. Поэтому при выходе из котла дымовые газы при низком режиме горения имеют более низкую температуру, чем температура пара. Особенно следует вспомнить, что температура отработанных газов парогенераторов клейтоновского типа, определяется температурой питательной воды, в традиционных котлах – температурой насыщения пара.При работе котла температура отработанного газа является индикатором относительной эффективности. Чем ниже температура отработанного газа, тем выше К.П.Д., при условии что СО2, О2 и потери на излучение одинаковы. При частичной нагрузке температура отработанных газов ниже, поскольку теплообменная поверхность нагрева, что рассматривается в пропорции, будет больше, например, при 50% загрузке, теплообменная поверхность, которая приходится на 1 БТЕ (Британскую тепловую единицу), будет вдвое большей, чем при 100% загрузке. Температура отработанных газов, может уравняться с температурой поверхности нагрева, только на выходе дымовых газов из котла: температура насыщенного пара для традиционных котлов, для парогенераторов клейтоновского типа это температура питательной воды. Поскольку котлы обычно не работают с полной нагрузкой, то К.П.Д. при частичной нагрузке является важнее, чем при работе на полную мощность.
На рис. 4В показаны температуры отработанных газов обычного котла и парогенератора Клейтон. Оба работают при давлении пара 14 бар. Схема показывает значительную разницу между температурой отработанных газов, при низком режиме горения. В обоих случаях температура сожженных газов, при полной нагрузке почти одинаковая.
При 50% нагрузке температура дымовых газов в парогенераторе Клейтон на 60оС ниже. При 20% нагрузке – на 85оС. В нижней части рисунка показана разница температур и точнее диапазон производительности между 30% и 70% нагрузкой.
На рисунке 4С показан К.П.Д. парогенераторов двух типов при нагрузке от 0% до 100%. Обратите внимание, что К.П.Д. на клейтоновском парогенераторе при малой нагрузке больше, чем при полной. Это объясняется большей площадью нагрева по отношению к подаче горючего, и частично за счет относительно малых потерь на излучение, но в большей степени за счет клейтоновского принципа противотока.
При полной нагрузке К.П.Д. клейтоновского и других типов парогенераторов почти одинаковый. Однако при меньшей нагрузке обычный котел показывает низкие характеристики, что объясняется увеличением потерь на излучение, поскольку они при малых нагрузках остаются почти постоянными.
ПЯТАЯ ГЛАВА
Контроль над камерой сгорания
Смешивание компонентов при сжигании является важным моментом при производстве пара. В парогенераторах Клейтон смешивания газообразных или жидких видов горючего с необходимым количеством воздуха для горения происходит с помощью комбинированной регуляции: механического контроля и электронного наблюдения при разной производительности. Параллельно регулируется количество питательной воды в зависимости от нагрузки. Таким образом, воздух, горючее и количество воды динамически регулируются под потребность пара.
Огонь подгоняется в зависимости от конструкции горелки под камеру сгорания. Факел полностью сгорает, прежде чем он достигнет конвективной поверхности нагрева.
Горелка смонтирована в нижней части котла. Воздух для горения поступает с высокой скоростью снизу и распределяется с помощью крыльчатки, встроенной в горелку. Он обтекает форсунку для горючего, здесь смешивается горючее с воздухом и образуется факел с разрежением в середине факела, что ведет к барабанному завихрению.
Так образуется характерное сердцеобразное пламя. Таким образом, благодаря такой рециркуляции обеспечивается полное сгорание топлива и максимальная отдача тепла воде в змеевике.
ШЕСТАЯ ГЛАВА
Коэффициент полезного действия
Что имеется в виду под КПД?
Имеется в виду понятие эффективности сгорания, термическая эффективность, КПД котла, эффективность “топливо – пар”, эффективность вход-выход.
Под эффективностью сгорания обычно понимают работу горелки и потери энергии внутри котла. Остальные понятия содержат одно и то же, а именно соотношение между теплом пара и теплом топлива с учетом потерь на излучение и других потерь.
К сожалению, эти точно определяемые понятия часто неправильно указываются в официальных источниках, поэтому провести объективное сравнение разных типов котлов не представляется возможным. Эти данные заставляют читателя верить в то, что напечатанная информация правильная, а правда в другом и поэтому провести сравнение показателей разных производителей невозможно из-за отличия в конструкции.
КПД из позиций клиента должен дать ему возможность судить о расходах на горючее, какое нужное дня производства определенного количества пара. В правилах ASME (The American Society of Mechanical Engineers) определены критерии вычисления КПД. Здесь учтены все основные факторы в процессе производства пара. Очень мощные котлы оцениваются таким или подобным способом.
На практике котлы с небольшой мощностью изучаются не на потери тепла от вспомогательных агрегатов, таких как насосы и компрессоры, поскольку потери тепла здесь настолько малые, что не влияют на принятие решения в пользу одной или другой модели. Обычно ориентируются на сравнение между затратой горючего и паропроизводительностью. Этот показатель следует определять по предлагаемой производительности, то есть производительности, какая нужная клиенту и по полной нагрузке.
Как правило, котлы работают не с полной нагрузкой. Поэтому достаточно трудно сравнить котлы, если нет точной информации о данных по частичной нагрузке.
Разница в К.П.Д. у традиционных жаротрубно-дымогарных котлов будет небольшой, однако существует огромная разница между отдельными типами котлов, например, жаро-дымовые трубы, водяные трубы с естественной циркуляцией и водотрубными котлами с принудительной циркуляцией.
Спросите продавца котлов, как определить названные показатели, и что предусмотрено, чтобы потери были минимальны. Спросите о точных данных при разной нагрузке, например, при 25, 50, 75 и 100%.
Важно знать, что при сравнении КПД процентный расход горючего больше, чем номинальная разница в КПД. Например, 80 % против 75 % эффективности при частичной загрузке – 5%-ная разница в эффективности означает на 6,25% ниже потребление горючего:
1
–
75
x
100
=
6.25%
экономия в использовании топлива.
80
Термический КПД
Прямой метод. Компания Clayton определяет термический КПД с помощью прямого метода, то есть определяется количество горючего и тепла от него, и температура и количество питательной воды сопоставляются с полученным количеством пара с соответствующей температурой, давлением и качеством пара. Этот метод показал себя идеально для клиентов, поскольку он показывает именно то, что нужно: отданное количество тепла с помощью “сухого пара”.
Непрямой метод
Большинство производителей используют непрямой метод для определения эффективности, а именно определяют количество горючего. Кроме того меряют еще и температуру отработанных газов, и содержание СО2 в этих газах.
Паропропроизводительность рассчитывают путем сложения потерь тепла, причем эту сумму отнимают от количества тепла, полученного от горючего. Такая методика приемлема, если показатели точные и расчет проведен очень точно. Если производитель указывает эффективность горения, то можно 2-3% отнять от его опубликованного показателя.
В промышленности принято игнорировать потери тепла от влажности пара. Клейтон гарантирует степень влажности менее одного процента. Лабораторные испытания показали, что клейтоновский пар действительно имеет влажность 0,2-0,5% при всех нагрузках и рабочих давлениях.
Следует отметить, что многие производители сознательно не указывают содержание влаги в выработанном паре, чтобы таким образом завысить эффективность.
СЕДЬМАЯ ГЛАВА
Быстрый старт
– менее 5 минут до полной нагрузки из холодного состояния –
Благодаря небольшой массе стали и воды котлы клейтоновского типа способны менее чем за 5 минут достигать полной нагрузки из холодного состояния. Традиционные жаротрубные котлы требуют не меньше полчаса, чтобы отдать пар из холодного состояния.
Потери, которые возникают из-за длительного запуска, зависят от частоты запуска, размеров котла и свойств подключенного потребителя пара. Обычно считают эти потери, представляя ежедневный запуск в 60 мин. при 9 часах работы ежедневно, то есть:
1 час. ¸ 9 час. = 11 % потери на запуск
На протяжении большого периода времени как год или даже месяц работы эти расходы вырастают в несколько тысяч евро.
Чтобы избежать длительной фазы запуска, много предприятий не отключают свой жаротрубный котел на ночь, и он работает с малым факелом. Но и это ведет к расходу горючего, поскольку традиционные котлы при малой производительности не показывают высокой эффективности.
Уникальная конструкция парогенераторов Клейтона обеспечивает быстрый запуск по двум причинам:
Меньшие массы стали и воды котла нагреваются быстрее и равномернее.
Принудительная циркуляция через однотрубный змеевик гарантирует точное и контролируемое изменение температуры питательной воды, даже при резком изменении нагрузки.
Дальше, однотрубная нагревательная змеевиковая система очень гибкая и поэтому ей не страшны резкие колебания температуры, вызванные быстрым запуском.
Рисунок 7A
ВОСЬМАЯ ГЛАВА
Вынос шлама
Продувка котла от шлама относится к регулярной операции техобслуживания. Но в клейтоновских котлах потери ниже по сравнению с традиционными жаротрубными котлами. Это достигается благодаря тому, что в них допускается значительно более высокие содержание растворенных в воде твердых веществ, чем в других конструкциях. Уменьшение потребности в очистке от шлама имеет три преимущества: теряется меньше воды, снижается необходимость в подготовке воды, дальше теряется меньше тепла, что обеспечивает значительное повышение эффективности всей системы и экономию горючего. На рисунке 8А показано, что образование осадка в парогенераторах Клейтона ниже, чем в жаротрубно-дымогарных котлах.
Клейтоновские парогенераторы допускают до 11 раз больше растворенных загрязнений, чем обычные жаротрубные котлы (40,000 ppm и соответственно 3,500 ppm) без влияния на влажность пара. Это объясняется специальным разделением пара от воды. Клейтоновская система работает с высокоскоростным сепаратором центрифугой, на которую не влияет высокая концентрация растворенных в воде веществ. В этой конструкции вода быстро и принудительно отделяется от пара. В традиционных котлах из-за того, что вода с высокой концентрацией загрязнений имеет тенденцию пениться, возникают сложности, когда пар испаряется из зеркала воды.
На входе в змеевик, например, вода имеет концентрацию 5000 частиц на миллион, на выходе 20000 частей. То есть соотношение 1 до 4. Для упрощения расчета здесь рассматривается значение на входе.
Не только парообразование ухудшается из-за загрязнений в воде, возникает одновременно опасность, что загрязнения в воде осядут на поверхности нагрева.
Благодаря принудительной циркуляции в клейтоновских парогенераторах концентрация загрязнений может быть значительно выше, чем в обычных котлах, прежде чем образуется накипь.
В конструкции клейтоновских котлов есть автоматическое шламовыводящее приспособление. Вода, которая вытекает при очистке от шлама, заменяется на свежую со значительно меньшей концентрацией солей. Так поддерживается приемлемое значение по загрязнениям в воде во время эксплуатации.
Промывная вода отбирается в критическом месте котла, в сепараторе вода-пар.
Рисунок 8A
ДЕВЯТАЯ ГЛАВА
Контроль над образованием сажи и накипи
Точный контроль над сажей со стороны топки и наслоениями со стороны воды на поверхности нагрева является важным фактором расхода энергии. Поверхность нагрева принимает меньше тепла, значит, расходуется больше горючего, чтобы достичь того же значения парообразования.
Толщина сажи, например, 3 мм на поверхности нагрева имеет такую же изоляцию тепла, как 15 мм асбестовый слой.
Естественно, что накопление сажи со стороны топки и образования накипи в трубах ведет к повышению расхода горючего и эксплуатационных затрат.
Рисунок 9A
Отложение сажи.
Все масляные топки создают сажу. Когда сажа наслоилась, она выявляет себя повышением температуры частей поверхности нагрева. Клейтоновские парогенераторы оснащены стандартным приспособлением для продувки сажи, которое работает во время работы котла. Постоянная ежедневная продувка сажи гарантирует поверхности без сажи и надежную длительную работу котла. Жаротрубные котлы не имеют такого устройства как стандартного оборудования.
Как правило, их чистят большими щетками, что дорого, скучно и проводят эту операцию, когда котел отключен. Для чистки клейтоновские парогенераторы отключать не нужно. Чистка поверхностей нагрева со стороны воды проходит просто путем промывки водой, для чего не требуется длительное отключение.
Наслоение со стороны воды
Своевременное выявление таких наслоений определяет часто срок службы котла.
Благодаря уникальной клейтоновской однотрубной системе образования накипи на теплообменной поверхности легко распознать по давлению подкачки воды. Повышение давления подкачки означает образование накипи. В многоходовых жаротрубных котлах иначе. Там можно обнаружить наслоение только по повышению температуры отработанного газа или котел нужно остановить, открыть и физически посмотреть на наличие накипи.
Если осаждения образовались в котле клейтоновского типа, то их можно вымыть путем изменения направления потока воды. Если это не поможет, то можно применить соляную кислоту для чистки труб, используя водяную помпу для циркуляции кислоты. Клейтоновская однотрубная система гарантирует, что каждый квадратный сантиметр отложений будет снят.
В клейтоновских котлах можно проводить очистку без отключения котла. Это еще одно преимущество парогенератора Клейтон.
Степень загрязнения (мм)
Дополнительный расход горючего(%)
1,5 (накипь)3,0 (накипь)6,0 (накипь)
9,5 (накипь)
0,8 (сажа)
1,5 (сажа)
152039
55
12
29
Рисунок 9B
Подводя итог, можно сказать, что КПД всех парогенераторов в той или другой степени ухудшается за счет образования сажи или накипи.
В конструкции парогенераторов Клейтон это учтено за счет возможности простого, тщательного и быстрого их удаления.
Парогенераторы Клейтон так сконструированы, что они всегда находятся в рабочем состоянии, даже во время чистки, в отличие от жаротрубных котлов, для которых тратится много сил и времени для поддержки их рабочего и экономического режима.
К продаже выставлена транспортабельная котельная установка со вторичного рынка. Эксплуатировалась 1 год. Полный комплект оборудования и разрешительной документации. Сопровождение – проект установки (привязки), монтаж, пуско-наладочные работы и сдача в эксплуатацию.
Транспортабельная котельная установка ТКУ-1,8Г предназначена для выработки насыщенного пара используемого для технических нужд, для производства горячей воды на теплоснабжение и ГВС. различных потребителей.
Компактные котельные установки производятся немецкой компанией ÖKO THERM.
Особенности конструкции
Автоматическое регулирование и безопасность
