Un cazan ( plural - boilers) este un complex structural integrat de dispozitive pentru transferul energiei termice la un agent de răcire din cauza arderii combustibilului , în cursul unui proces tehnologic sau de conversie a energiei electrice în energie termică [1] .
Într-o parte semnificativă a cazurilor, lichidul de răcire al cazanelor este apă și abur , dar poate fi și ulei , mercur , aer (vezi generatorul de căldură ), etc.
Cazanele (cu excepția celor electrice) sunt un tip de schimbătoare de căldură , în care agentul de încălzire este produse de ardere , iar agentul de încălzire este lichidul de răcire al cazanului.
Denumirea cazanului ( boiler unit , incorect generator de abur [1] ) a apărut istoric în timpul dezvoltării cazanelor cu abur . Inițial, centrala era un simplu dispozitiv fără a împărți suprafețele de încălzire după funcție. Ulterior, nevoia de a obține abur de parametri mai mari cu o eficiență mai bună și cu dimensiuni mai mici a făcut necesară dezvoltarea suprafețelor de încălzire în cuptor , adăugarea unui supraîncălzitor , a unui economizor de apă și a unui încălzitor de aer . Toate acestea cu conducte adiacente , conducte de gaz și aer, fitinguri , conectate într-un singur întreg organic și au fost numite unitatea cazanului, în contrast cu „cazanul în sine”. Dispozitivele suplimentare erau adesea echipate cu cazane simple deja existente sau cazane din seriile anterioare. În cazanele moderne de mare putere, în special în cazanele cu trecere o dată, nu este posibil să se evidențieze „cazanul propriu-zis”, pentru ele termenii „cazan” și „unitate de cazan” sunt de fapt sinonimi .
O centrală de cazane este un set de dispozitive și mecanisme concepute pentru a produce abur sau apă caldă. Pe lângă una sau mai multe cazane, acesta include dispozitive și mecanisme auxiliare: aspiratoare de fum , suflante , stații de alimentare și tratare a apei , alimentare cu combustibil , în funcție de tipul de combustibil - fracturare hidraulică , păcură , sisteme de îndepărtare a cenușii și colectoare de cenușă . Aceste sisteme pot fi individuale sau comune unui grup de cazane. [2]
Cazanele generează abur pentru a conduce motoare cu abur (de exemplu, turbine ale centralelor electrice , motoare de locomotivă cu abur ), căldură pentru nevoile industriei (de exemplu, textile ) și agricultură , abur și apă caldă pentru încălzire și alimentare cu apă caldă a consumatorilor.
Cazanele care funcționează cu purtători de căldură - apă și abur, sunt împărțite în abur , generator de abur și încălzire a apei , în care apa nu modifică starea de agregare ; există, de asemenea, cazane de abur - cald ( apă-încălzire-abur ) care generează apă și abur în același timp. Cazanele pentru parametrii supercritici sunt denumite cazane cu abur. Cazanele cu alte tipuri de lichid de răcire pot funcționa și cu sau fără tranziția sa de la starea lichidă la starea de vapori . Utilizarea unui lichid de răcire cu un punct de fierbere ridicat la presiune joasă ( de exemplu, anumite tipuri de ulei ) sau gaz vă permite să reduceți grosimea peretelui și să facilitați funcționarea conductelor și a echipamentelor consumatoare de căldură.
Cazanele cu abur pot genera abur saturat sau supraîncălzit . Având în vedere costul ridicat și complexitatea funcționării unui supraîncălzitor și proprietățile satisfăcătoare ale aburului saturat (cu uscăciunea de obicei nu mai mică de 99%) pentru multe sarcini, în cazane mici industriale și de încălzire cu o presiune a aburului de până la 16 atm , saturat aproape întotdeauna se generează abur.
Adesea, lichidul de răcire de la ieșirea cazanului diferă de cel furnizat direct consumatorilor (de exemplu, apa din rețea circulă în rețelele de încălzire de o calitate destul de scăzută în ceea ce privește duritatea , saturația gazului etc., atunci când este alimentată la cazan, devine rapid contaminat). În acest caz, transferul de căldură se realizează prin schimbătoare de căldură speciale (în special, cazane cu abur din cazan ).
În unele cazuri, cazanele cu abur sunt transferate într-un regim de încălzire a apei .
Cazanele pot consuma diferite tipuri de combustibili solizi , lichizi sau gazoși , în funcție de care cuptorul și dispozitivele lor de arzător și alte elemente pot avea caracteristici semnificative.
Cazanele cu piroliză au o trăsătură distinctivă față de cazanele cu combustibil solid de tipul clasic de ardere. În prima cameră a cazanului de tip piroliză, combustibilul de origine lemnoasă (bușteni, lemn de foc tocat, tunsoare, așchii de lemn, rumeguș, așchii) în condiții de descompunere termică și lipsă de oxigen eliberează un amestec gazos saturat cu carbon. La contactul cu suprafața fierbinte a duzelor, amestecul de gaz se aprinde în a doua cameră a cazanului de piroliză și arde cu o degajare mare de căldură. Eficiența unor astfel de cazane generatoare de gaz este semnificativ mai mare decât eficiența cazanelor clasice cu ardere directă pe combustibil solid.
Uneori, cazanele sunt transformate dintr-un tip de combustibil în altul (de regulă, combustibil solid în gaz) [3] .
Cazanele tehnologice energetice în cuptoarele lor procesează materiale tehnologice (de exemplu, efluenți și emisii toxice , materiale cu granulație fină precum argila expandată , fosfați naturali ) [1] ; caldura de la gazele de ardere, pentru a nu o arunca inutil in atmosfera , este perceputa de suprafetele cazanului.
Combustibilul nu este consumat direct de cazanele electrice , precum și de cazanele de căldură reziduală , care utilizează căldura gazelor fierbinți de proces sau a motoarelor (de exemplu, o turbină cu gaz într-un CCGT ) [4] . Sunt posibile cazane combinate, care folosesc energie electrică sau căldură exterioară și în același timp (simultan sau alternativ) ard combustibil în interiorul lor. Cuptorul cazanului de căldură reziduală, unde combustibilul de ardere și uneori aer suplimentar se adaugă la fluxul principal de gaz , se numește post- ardere .
Tipul de combustibil pentru care este proiectat cazanul afectează în primul rând cuptorul și dispozitivele arzătorului. Principalele modele ale cuptoarelor sunt următoarele: [2] [5]
Cazanele de putere cu abur și apă caldă pot fi staționare (instalate pe o fundație fixă) sau mobile (pe un vehicul sau pe o fundație mobilă) [4] .
Sub presurizare, sub vid, etanș la gaz.
Tub de apă, Lancashire, „nouă”, tambur...
Cazanele mari cu un cuptor cu cameră pot avea următoarele tipuri de configurație [6] :
Turn în formă de U în formă de TCazanele de uz casnic pot fi montate pe perete sau pe podea. Multe cazane de până la 1-2 MW sunt asamblate din secțiuni din fontă, similare secțiunilor radiatoarelor de încălzire .
Tamburul unui cazan cu abur este un vas, de regulă, sub forma unui cilindru situat orizontal , în care încep și se termină conductele pentru circulația mediului prin suprafețele de evaporare și în care separarea (în primul rând gravitațională) a are loc faza de vapori din lichid. Apa din economizor (sau apa de alimentare, dacă nu există economizor) intră în tambur, aburul este preluat din partea superioară, apa este luată de obicei din partea inferioară pe măsură ce se acumulează în ea odată cu evaporarea sărurilor (purjare). Sunt disponibile diferite dispozitive pentru a îmbunătăți separarea în interiorul tamburului. Tamburul este elementul cu pereții cei mai groși al cazanului cu tambur, deci este scump, iar tensiunile termice din metalul tamburului determină manevrabilitatea cazanelor. Cu toate acestea, utilizarea cazanelor cu abur fără tambur (direct) necesită un tratament mai complex al apei .
Cazanul cu tub de foc , de fapt, este un tambur, străpuns de-a lungul axei de țevi prin care trec gazele. Cazanele cu tuburi de apă , în schimb, s-au dezvoltat din cazane cu mai multe tamburi încălzite din exterior cu gaze . În cazanele mari moderne cu tuburi de apă, tamburul nu este spălat de gaze sau primește de la acestea doar o parte nesemnificativă din puterea termică a cazanului, în timp ce partea sa principală este percepută de suprafețele de încălzire , constând din multe conducte paralele, în interiorul cărora fluidul de lucru. curge.
Suprafețele de încălzire pot fi de încălzire (pentru faza lichidă), evaporative (pentru trecerea completă sau parțială a fazei lichide în vapori ) sau supraîncălzire (pentru încălzirea fazei de vapori peste temperatura de saturație ) [5] :9 . De asemenea, conform mecanismului de schimb de căldură cu gazele, acestea sunt împărțite în radiații (în principal transfer de căldură radiant ), convective (în principal transfer de căldură prin transfer de căldură convectiv ) și radiații-convective (ambele mecanisme au aproximativ aceeași valoare).
EconomizorEconomizor - suprafața de încălzire este complet sau în principal de natură de încălzire (uneori există economizoare de fierbere, unde până la 10% din apă se transformă încă în abur). Termenul se aplică cazanelor cu abur; apa de alimentare intră în conductele economizorului , adică una a cărei presiune este crescută de pompele de alimentare la maximum în ciclul instalației termice. În multe cazane, economizorul este ultima suprafață de-a lungul fluxului de gaz, fără a lua în calcul încălzitorul de aer. La temperaturi scăzute ale gazului în această regiune, transferul de căldură radiantă nu este eficient, astfel încât economizorul este o suprafață de încălzire tipic convectivă: constă dintr-un număr mare de mănunchiuri paralele de țevi curbe, de obicei cu aripioare spiralate sau cu aripioare dezvoltate .
Ecrane cuptorÎn majoritatea cazanelor moderne, atât pentru încălzirea apei, cât și cu abur, o parte semnificativă a suprafeței cuptorului este acoperită cu ecrane - blocuri de țevi paralele. Din punct de vedere istoric, acest lucru a fost făcut pentru a proteja structurile portante ale cazanului de efectele termice ale unei flăcări deschise , dar în cazanele moderne, ecranele cuptorului absorb o parte foarte semnificativă din producția totală de căldură datorită transferului de căldură radiantă. Există ecrane frontale (față), spate, laterale și de tavan, la unele cazane ecranele continuă de-a lungul fundului (de jos) a cuptorului; în plus, centrala poate avea ecrane cu lumină dublă , care sunt expuse la radiații din ambele părți. Deflectoarele frontale trebuie să aibă goluri (prevăzute de obicei de coturile din țevile din apropiere) în care se deschid duzele arzătorului. În cazanele cu o singură trecere, se obișnuiește să se distingă în ecrane părțile radiației inferioare (LRCh), mijlocii (SRCh) și superioare (HRCh) [5] : 11-12 .
Conductele ecranului sunt de obicei netede, cu excepția aripioarelor sau a distanțierilor din tablă, cu care pot fi conectate între ele (radiația care cade pe aceste foi este transmisă conductelor datorită conductivității termice ridicate a metalului, astfel căptușeala a cuptorului în golurile dintre conducte este de asemenea protejată). La cele mai puternice cazane din zona din apropierea arzatoarelor , fluxul de radiatii este atat de mare incat ecranele trebuie protejate acolo cu straturi refractare ; pentru a le păstra, precum și pentru a îmbunătăți transferul de căldură, țevile sau aripioarele sunt sudate pe țevi din partea laterală a focarului. Există, de asemenea, experiență în utilizarea țevilor neacoperite cu aripioare în interiorul cuptorului pentru a proteja țevile de acțiunea combustibililor foarte abrazivi . . În afara cazanului, ecranele sunt izolate termic , de obicei căptușite și acoperite cu mantale pentru etanșeitate la gaze [5] : 86, 87 . Cu toate acestea, este foarte dificil să se obțină etanșeitatea la gaz a cuptorului din cauza suprafeței uriașe a ecranelor.
Cea mai comună utilizare a ecranelor în cazanele electrice cu circulație naturală este ca suprafață de evaporare; în timp ce țevile sunt dispuse vertical cu un număr minim de coturi, colectoare în care sunt sudate - orizontal. Pentru ca presiunea de circulație să fie suficientă pentru a depăși rezistența ecranului, diametrul conductelor trebuie să fie suficient de mare (∅ 50–60 mm). Procesul de fierbere face posibilă îndepărtarea foarte eficientă a căldurii și prevenirea supraîncălzirii țevii de metal, ceea ce este posibil datorită intensității ridicate a fluxului de căldură către ecrane. În timpul trecerii ecranului, 4-25% din apă se evaporă [5] :14 . Pentru ca încălzirea neuniformă a diferitelor părți ale cuptorului să aibă un efect mai mic asupra fiabilității circulației, ecranele evaporative sunt împărțite în secțiuni, fiecare dintre acestea formând un circuit de circulație separat - panouri [5] : 86, 87 . În partea superioară a cuptoarelor (unde încărcările termice nu sunt atât de mari, precum și în ecranul de tavan, unde circulația naturală este dificilă), sunt adesea plasate suprafețe de ecran de supraîncălzire, în care direcția țevilor de obicei nu joacă. un rol fundamental.
În cazanele cu trecere o dată , înfășurarea cu bandă Ramzin cu panouri de ridicare și ridicare-coborâre cu mai multe treceri este adesea folosită . LFC în cazanul L.K. Ramzin (pentru parametrii subcritici ) este realizat sub forma unei benzi de țevi cu o înfășurare ascendentă orizontală (la un unghi de 15–20 °) și servește la evaporarea a aproximativ 80% din apă; apoi amestecul merge la suprafața convectivă a zonei de tranziție din conducta de gaz descendent, iar de acolo aburul revine la supraîncălzire în SFC și SFC [5] :18-20, 89, 90 . În consecință, în cazanele cu trecere o dată există colectoare verticale; totuși, în partea evaporativă a suprafeței, în unele moduri, este posibilă stratificarea mediului în astfel de colectoare, ceea ce înrăutățește semnificativ condițiile de funcționare ale următoarelor suprafețe [7] .
În Uniunea Sovietică , producția de echipamente de încălzire a fost realizată de Uzina Bratsk de echipamente de încălzire (cazan Bratsk, UKMT-1 ), Soyuzlessstroy (KVANT-1, 1983), Uzina Bilimbaevsky (structuri de susținere ale cazanului KVANT), Structuri tehnologice și echipamente metalice ale Uzinei Yaroslavl („Axioma-3”, 1985) în conformitate cu evoluțiile NIIST al Ministerului Materialelor de Construcții al URSS și TsNIIEP a echipamentelor de inginerie [8] .
Cazanele cu combustibil solid au fost demonstrate la expoziția „Clădiri mobile-86” VDNKh a URSS .
Boilerul transportabil automat cu încălzire a apei „KVANT” a apărut în 1983. Casele de cazane de tipul în cauză au un cazan mecanizat tubular echipat cu un cuptor mecanic cu o bară de înșurubare.
Specificații . Putere - 1 MW. Randamentul cazanului ajunge la 82% (pentru cărbune) și 78% (pentru cărbune brun). Temperatura purtătorului de căldură din fața cazanului nu este limitată, iar la ieșirea cazanului ajunge la 115°. Debitul minim de lichid de răcire este de 8 t/h. [opt]
În 1985, a apărut centrala automată de încălzire a inventarului secțional agregat „AKSIOMA-3”.
Alimentarea cu combustibil a cuptorului, nivelarea și slăbirea combustibilului, precum și evacuarea zgurii se realizează cu ajutorul centrului de control ROBOT.
Specificații . Putere - 3 MW. Randamentul cazanului ajunge la 82,5% (la cărbune) și 79% (la cărbune brun); temperatura purtătorului de căldură în fața cazanului nu este limitată, iar la ieșirea cazanului ajunge la 130 °; debit minim de lichid de răcire — 5 t/h; presiunea absolută a lichidului de răcire - 1,6 MPa; dimensiunile sunt 11,0x3,2x3,2 m. cu o masă de 19 tone. [8]