Materiały pomocnicze - kotły wodne i parowe - opracował inż. Jerzy Wojciechowski 2
I. OGÓLNE INFORMACJE
1. Definicja urządzenia kotłowego
Kocioł - urządzenie energetyczne służące do przetworzenia energii chemicznej zawartej w paliwie na energię cieplną zawartą w wodzie lub parze wodnej.
Kotły parowe - urządzenia energetyczne, których zadaniem jest wytworzenie z wody, jako cieczy energetycznej pary o ciśnieniu wyższym od ciśnienia atmosferycznego przeznaczonej do użytkowania wewnątrz lub zewnątrz naczynia.
Kotłami wodnymi - urządzenia energetyczne, których zadaniem jest podgrzanie wody bez zmiany stanu jej skupienia tj. utrzymanie fazy ciekłej i niewytworzenie pary.
Urządzenie kotłowe - kotły wodne lub parowe wraz z urządzeniami współpracującymi.
Wytwornica pary - nazwa obejmuje większe lub zautomatyzowane kotły parowe.
Kotły grzewcze - kotły, których moc nie przekracza 1 MW, temperatura wody nie przekracza 115oC, a nadciśnienie pary nie przekracza 70 kPa. Kotły przemysłowe, kotły energetyczne
2. Zasadnicze zjawiska zachodzące w kotłach
W urządzeniu kotłowym (kotle) spełnione są dwie czynności:
1 - w palenisku spala się paliwo wydzielając energię cieplną,
2 - wytworzone spaliny i płomień przekazują przenoszone ciepło przez ścianki metalowe części ciśnieniowej do wody
lub pary oraz w niektórych kotłach do podgrzewacza powietrza.
3. Sposoby wymiany ciepła przez ścianki kotła.
Istnieją dwa zasadnicze rozwiązania konstrukcyjne umożliwiające wymianę ciepła od spalin przez ściankę metalową do ogrzewanego czynnika:
1 - spaliny płyną w rurach stalowych tworzących płomiennice i płomieniówki lub odpowiednio uprofilowanych kanałach
kotła żeliwnego na zewnątrz których znajduje się czynnik, np. woda,
2 - czynnik ogrzewany przepływa wewnątrz rur stalowych zwanych opłomkami i jest zawarty w tak zwanej przestrzeni
wodnej i parowej, a spaliny przepływają wokół tych rur.
4. Elementy składowe urządzenia kotłowego:
- palenisko rusztowe lub palnik olejowy, gazowy, pyłowy,
- elementy ciśnieniowe - kocioł właściwy (parownik lub podgrzewacz wody kotła wodnego),
- przyrządy zasilające - doprowadzające wodę do kotła (pompy, inżektory),
- przewody i rurociągi - służące do odprowadzenia pary lub wody wraz z armaturą lub np. do odmulania,
- urządzenia do wywołania ciągu - komin lub wentylator wyciągu spalin, wentylator podmuchu,
- obmurze kotła,
- przegrzewacz pary - poprzez podgrzewania pary nasyconej spalinami następuje jej zamiana na parę przegrzaną.
- podgrzewacz wody - umożliwia podgrzanie wody zasilającej kocioł,
- podgrzewacz powietrza,
- urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia i temperatury,
- urządzenia kontrolno pomiarowe i regulacyjne - wodowskazy, manometry, termometry, analizatory spalin, wagi, zwężki,
regulatory zasilania, regulatory obiegu kotła, regulatory mieszające,
- urządzenia doprowadzające paliwo do paleniska,
- urządzenia do odprowadzenia popiołu i żużla,
- urządzenia do odpylania,
5. Dane charakterystyczne kotła
a) identyfikacyjne i ogólne:
- wytwórca, nr fabryczny i rok budowy kotła,
- liczba, typ, układ palników i młynów oraz typ rusztu,
- opis techniczny i instrukcja obsługi (DTR),
b) ważniejsze techniczno-eksploatacyjne:
- strumienie masy lub moc cieplna : znamionowa, maksymalnie trwała, minimalna,
- ciśnienie robocze (w walczaku) i dopuszczalne, parametry pary wylotowej, temperatura wody zasilającej (w kotłach
wodnych wlotowa i wylotowa oraz strumień masy wody),
- pojemność wodna, objętość komory paleniskowej (ewentualnie wymiary gabarytowe),
- zużycie paliwa i jego charakterystyka,
- temperatura powietrza wprowadzonego do paleniska (ewentualnie temperatura powietrza podgrzanego energią z ob-
cego źródła),
- temperatura spalin za ostatnią powierzchnią ogrzewalną, ciąg za kotłem, ciśnienie w komorze paleniskowej, zawar-
tość CO2 (lub O2) w spalinach wylotowych, przewidywana liczba nadmiaru powietrza lambda,
- obliczeniowa sprawność cieplna i rozdział strat cieplnych,
- wielkości poszczególnych powierzchni ogrzewalnych, powierzchni rusztu, mocy cieplnej palników i wydajności
młynów, mocy pobieranej przez silniki elektryczne urządzeń pomocniczych oraz charakterystyki wentylatorów,
pomp, komina, urządzeń odpylających i odsiarczających.
6. Co to jest ciśnienie ?
Jednym z parametrów określających stan czynnika jest ciśnienie, tj. siła przypadająca na jednostkę pola powierzchni ścia- ny naczynia,w którym się znajduje. Siła ta pochodzi od bombardowania ścian przez drobiny czynnika /wody, pary lub gazu/
7. W jakich jednostkach mierzymy ciśnienie ?
Ciśnienie mierzymy w Paskalach. Jeden Paskal jest to ciśnienie wywierane przez siłę o wartości 1 Niutona na powierzch-nię 1m2. Praktycznie stosuje się jednostkę milion razy większą od Paskala, czyli Megapaskal /MPa/. 1 MPa - 10 barów.
8. Czym mierzymy ciśnienie ?
Manometrem. Rozróżniamy manometry z rurką sprężynową i membranowe. Manometr z rurką działa na zasadzie prostowania się rurki pod wpływem wzrostu ciśnienia, które za pomocą dźwigni i przekładni zębatej nadaje ruch obrotowy wskazówce manometru. Manometr membranowy działa na zasadzie wyginania się membrany pod wpływem ciśnienia. Ruch ten zostaje przeniesiony na wskazówkę manometru za pośrednictwem umieszczonego w osi membrany trzpienia o odpowiedniej długości.
9. W jakich jednostkach mierzymy ciepło ?
Ciepło mierzymy w dżulach /J/. Używa się również: kilodżul /kJ/ - 1000 dżuli /J/, Megadżul /MJ/ - 1000000 dżuli /J/,
Starą jednostką ciepła jest kaloria (1 kaloria = 4,1868 J).
10. W jaki sposób rozchodzi się ciepło ?
Ciepło rozchodzi się przez przewodzenie, konwekcję /unoszenie/ oraz przez promieniowanie. Rozróżniamy dobre i złe przewodniki ciepła. Dobrymi przewodnikami są metale. Złymi przewod. są: azbest, kamień kotłowy, cegła, sadza i popiół.
11. Co to jest wartość opałowa ?
Jest to ilość ciepła w kJ uzyskana przy spaleniu 1 kg paliwa. Zależna jest ona od rodzaju spalonego paliwa /drewno, węgiel, koks/, zawartości w nim wilgoci oraz zawartości części niepalnych /popiół/.
12. Jakie rozróżniamy sortymenty paliwa ?
Grube - kęsy /ponad 120 mm/, kostka /od 60 do 120 mm/, Średnie - orzech /od 25 do 60 mm/, groszek /od 8 do 30 mm/,
Drobne - grysik /od 3 do 10 mm/, miał /do 6 mm/. Ponadto istnieje niesort /pospółka/, brykiet i muł węglowy.
13. Co to jest spalanie ?
Jest to gwałtowne łączenie się węgla, wodoru i siarki zawartych w paliwie z tlenem zawartym w powietrzu, przy czym wydzielają się znaczne ilości ciepła i światła. W czasie spalania powstają gazy spalinowe. Aby mogło nastąpić spalanie należy nagrzać paliwo do odpowiedniej temperatury zapłonu paliwa oraz doprowadzić znaczną ilość powietrza.
14. W jakich etapach przebiega spalanie na ruszcie ?
Przebieg spalania możemy podzielić na trzy etapy:
1. Paliwo zarzucone na ruszt ogrzewa się od palącej się już warstwy oraz suszy się /odparowuje wilgoć/;
2. Po odparowaniu wilgoci wydzielają się i spalają nad warstwą paliwa części lotne /gazy/;
3. Spalanie się warstw koksu, natomiast na ruszcie pozostaje popiół, który częściowo stapia się na żużel.
15. Co to jest spalanie zupełne i niezupełne ?
Spalanie zupełne następuje, kiedy całkowita ilość węgla zawarta w paliwie połączy się z tlenem tworząc dwutlenek węgla.
Spalanie niezupełne następuje, jeżeli doprowadzimy za małą ilość powietrza do palącego się paliwa; wówczas węgiel spala się tworząc tylko tlenek węgla /CO/. Następują przy tym duże straty ciepła, ponieważ tlenek węgla /czad/ jako gaz palny uchodzi do komina. Ponadto tlenek węgla jest gazem silnie trującym. CO, H2, CH4.
Spalanie zupełne następuje, gdy do paleniska doprowadzimy pewien nadmiar powietrza /tzw. współczynnik nadmiaru powietrza stanowiący stosunek rzeczywistej ilości powietrza doprowadzonego do paleniska do ilości powietrza teoretycznie potrzebnego do spalenia/. Współczynnik nadmiaru powietrza zależnie od systemu paleniska oraz gatunku i sortymentu paliwa powinien wynosić: dla węgla kamiennego 1,4-2,0; dla węgla brunatnego 1,3-1,6. Dla oleju 1,1-1,2.
16. Na czym polega działanie komina ?
Komin służy do wytworzenia ciągu naturalnego w palenisku i odprowadzenia spalin z kotła do atmosfery. Ciąg kominowy powstaje na zasadzie różnicy ciężarów gorącego słupa spalin, przepływającego przez komin i zimnego słupa powietrza otaczającego komin.
17. Od czego zależy ciąg kominowy i czym go mierzymy ?
Ciąg kominowy zależy od wysokości, temperatury spalin uchodzących do komina i temperatury otaczającego go powietrza. Im wyższy jest komin, gorętsze spaliny i niższa temperatura powietrza, tym większy jest ciąg kominowy. Ciąg kominowy mierzymy w mm słupa wody za pomocą ciągomierza. Zawilgocenie kanałów spalinowych kotła lub czopucha, nieszczelność komina lub czopucha obniża ciąg kominowy.
18. Jakich metali używamy do budowy kotłów ?
Stal do budowy walczaków, wszystkich rur, nitów, śrub, zesporek, komór sekcyjnych, armatury kotłowej i rurociągowej.
Żeliwo, z którego wykonuje się rusztowiny, pokrywy drzwiczek, zasuwy kominowe, kotły żeliwne wodne i parowe niskoprężne, podgrzewacze wody zasilającej i armaturę niskoprężną. Staliwo na wyrób zaworów, pomp i armatury kotłów wysokociśnieniowych. Metale nieżelazne na wyrób części armatury, np. grzybki zaworów.
19. Z jakich części składa się palenisko ręczne z płaskim rusztem ?
Z komory paleniskowej, rusztu oraz popielnika. W przedniej części komory znajduje się płytka czołowa z drzwiczkami do paleniska i popielnika. Ruszt spoczywa na belkach podrusztowych. Nad komorą znajduje się sklepienie ochronne. W tylnej części komory znajduje się przewał.
20. Wymień rodzaje palenisk.
Ze względu na obsługę rozróżniamy paleniska: a/ ręczne, b/ mechaniczne;
Ze względu na ukształtowanie rusztu:
a/ palenisko o ruszcie poziomym /płaskim/, b/ palenisko o ruszcie pochyłym, c/ palenisko o ruszcie schodkowym;
Ze względu na położenie w stosunku do powierzchni ogrzewalnej:
a/ wewnętrzne (wewnątrz kotła), b/ paleniska dolne (pod kotłem), c/ przedpaleniska (przed kotłem).
21. Podaj podział kotłów za względu na materiał i przeznaczenie.
Kotły dzielimy ze względu na:
a/ materiał, z jakiego są zbudowane: żeliwne, stalowe;
b/ przeznaczenie: wodne, parowe.
22. Podział kotłów wodnych ze względu na temperaturę.
a/ niskotemperaturowe /do 100oC/,
b/ średniotemperaturowe /100 do 115oC/,
c/ wysokotemperaturowe /ponad 115oC/.
23. Podział kotłów parowych ze względu na nadciśnienie.
a/ niskociśnieniowe /do 0,07 MPa/,
b/ wysokociśnieniowe /ponad 0,07 MPa/.
24. Wymień popularne typy kotłów żeliwnych.
Do centralnego ogrzewania obecnie stosujemy następujące typy kotłów: Buderus, Camino I, Strebel, Eca, KZ-5.
25. Wymień popularne typy kotłów stalowych c.o.
Kotły stalowe stosowane do c.o. to najczęściej kotły płomieniówkowe, spawane, dostarczane przez producenta już całko-wicie zmontowane, ustawione na podmurówce jako wolnostojące.Są to kotły typów:Es-Zet, SK /Es-Ka/, PCO, SŻIIG. P-1,
26. Co to jest powierzchnia ogrzewalna ?
Ta część powierzchni ścian, która styka się z jednej strony z wodą, a z drugiej strony z gazami spalinowymi. Powierzchnie ogrzewalną określamy w m2, przy czym jest to powierzchnia od strony spalin.
27. Sprawność kotła i straty w kotle
Sprawność kotła jest to stosunek ilości ciepła wykorzystanego przez kocioł na wytwarzanie np. pary do ilości ciepła doprowadzonego w paliwie do kotła.
Strata niezupełnego spalania (na CO).
Strata niecałkowitego spalania - niespalony węgiel zawarty w żużlu oraz koksik w spalinach.
Strata kominowa - ciepło zawarte w spalinach.
Strata promieniowania - ciepło wypromieniowane do otoczenia.
Strata przesypu - węgiel przesypujący się do popielnika przez ruszt.
Strata gorącego żużla - ciepło zawarte w gorącym żużlu.
sprawność kotła:
Gw.cw (t2 - t1)
a/ wodnego h = ------------------- .100%
B.Qw
Gw - ilość wody przepływającej przez kocioł w kg/s,
cw - ciepło właściwe wody kJ/kgK
t2 - temperatura wody podgrzanej oC,
t1 - temperatura wody powrotnej oC,
B - masa spalonego paliwa w kg/s,
Qw - wartość opałowa paliwa w kJ/kg.
Gw.cw (t2 - t1) Gw.(i2-i1)
b/ wodnego h = ------------------ .100% = -------------.100%
B.Qw B.Qw
i2 - entalpia właściwa wody wylotowej w kotła kJ/kg
i1 - entalpia właściwa wody powrotnej kJ/kg
c/ kotła parowego bez przegrzewacza pary;
D.(ix-iw)
h = -----------
D - wydajność masowa kotła parowego w kg/s
ix - entalpia właściwa pary nasyconej kJ/kg
Iw - entalpia wody zasilającej kJ/kg
28. Co rozumiemy przez wydajność kotła ?
Jest to ilość pary mierzona w kg lub w tonach wytworzona przez kocioł w ciągu jednej godziny. Wydajność kotłów wodnych mierzymy ilością ciepła zawartego w wodzie w kcal/godz, kJ/h. Wielkość kotła określamy również jako moc cieplna kotła w kW albo w MW.
29. Co to jest twardość wody ?
Jest to zanieczyszczenie wody rozpuszczalnymi solami mineralnymi. Twardość wody określamy w stopniach niemieckich. Jeden stopień twardości niemieckiej odpowiada zawartości 10 miligramów tlenku wapnia rozpuszczonego w 1 litrze wody. Twardość całkowita składa się z:
a/ twardości przemijającej /zwanej węglanową/ pochodzącej od zawartych w wodzie węglanów wapnia i magnezu;
b/ twardości trwałej pochodzącej od rozpuszczonych w wodzie krzemianów.
Twardość przemijająca wytrąca się w postaci kamienia miękkiego o kredowym wyglądzie przy podgrzewaniu wody do temperatury powyżej 70oC. Twardość trwałą można usuwać tylko przy pomocy środków chemicznych. Stosuje się również magnetyzery - metodę magnetyczną.
30. Jakimi metodami zapobiegamy tworzeniu się kamienia ?
Aby zapobiec powstawaniu kamienia w kotle należy do zasilania kotła używać wody zmiękczonej /np. kondensatu/. Można to uzyskać przez:
a/ ulepszenie wody zasilającej w specjalnych urządzeniach przed doprowadzeniem do kotła,
b/ przez dodawanie odczynników do wody kotłowej w samym kotle lub przed wprowadzeniem jej do kotła. Sposób ten
używany jest tylko w kotłach małych na niskie ciśnienie.
31. Jakie są metody zmiękczania wody ?
Najczęściej stosowane są dwie metody:
a/ sodowo-wapienna polega na przemianie soli rozpuszczalnych w sole nierozpuszczalne w wodzie przez dodanie do
wody sody i wapnia z równoczesnym podgrzewaniem wody,
b/ metoda kationowa polega na tym, że woda przepływająca przez warstwę pewnych minerałów /permutyt, neolit itp./
zmiękcza się samoczynnie.
33. Jakie kotły podlegają pod dozór techniczny /UDT/ ?
a/ niskotemperaturowe systemu otwartego - nie podlegają wcale,
b/ niskociśnieniowe i średniotemperaturowe oraz niskotemperaturowe systemu zamkniętego - podlegają pod dozór
ograniczony, tzn. podlegają rejestracji i jednorazowemu dopuszczeniu bez ograniczenia terminu,
c/ wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe - podlegają pod dozór pełny, tzn. podlegają rejestracji i okresowym stałym
rewizjom i dopuszczeniom.
34. Na obsługę jakich kotłów potrzebne są uprawnienia serii E ?
a/ nie są potrzebne tylko na kotły domowe c.o., b/ są potrzebne na wszystkie pozostałe o mocy ponad 50 kW.
...
zryweczka