Z czego składa się kocioł grzewczy?

0
235
Z czego składa się kocioł grzewczy?

Palenisko jest tą częścią kotła, w której spala się paliwo, wytwarzając ciepło potrzebne do podgrzania wody o odpowiednią temperaturę lub do zamiany wody na parę oraz ewentualnie jej przegrzanie w kotłach parowych. Komora paleniskowa zwana często także komorą spalania jest przestrzenią, w której odbywa się spalanie, przy czym ściany ograniczające komorę przejmują ciepło głównie przez promieniowanie. Ruszt jest konstrukcją podtrzymującą paliwo stałe oraz umożliwiającą przepływ powietrza przez warstwę paliwa ułożonego lub zarzucanego na rusztowiny. W kotłach spalających paliwa ciekłe lub gazowe do komory paleniskowej mogą być zamontowane: palniki olejowe, gazowe lub dwupaliwowe (olej-gaz), a w kotłach większych także palniki pyłowe współpracujące z młynami węglowymi.

Powierzchnia ogrzewalna jest powierzchnią wszystkich ścian omywanych bezpośrednio z jednej strony spalinami, a z drugiej strony wodą lub parą (w kotłach wodnorurkowych mieszaniną para-woda). Przez tę powierzchnię następuje przepływ strumienia cieplnego z czynnika ogrzewającego do czynnika ogrzewanego. Powierzchnię ogrzewalną kotła wodnego, parownika w kotle parowym oraz jego przegrzewacza pary i podgrzewacza wody oblicza się po stronie czynnika ogrzewającego, czyli spalin.

Istnieją w zasadzie trzy rozwiązania konstrukcyjne umożliwiające wymianę ciepła przez ściankę metalową do czynnika ogrzewanego:

spaliny płyną w rurach stalowych tworzących płomienicę (wewnątrz niej jest zazwyczaj komora paleniskowa) i zespół płomieniówek, na zewnątrz których znajduje się czynnik ogrzewany, np. woda;
spaliny przepływają przez odpowiednio ukształtowane kanały żeliwnego lub stalowego kotła grzewczego i omywają ścianki, na zewnątrz których znajduje się czynnik ogrzewany;
czynnik ogrzewany przepływa wewnątrz rur stalowych zwanych opłomkami i jest zawarty w przestrzeni wodnej i parowej, a spaliny przepływają wokół tych rur.

Układ 1) występuje z zasady w kotłach o dużej pojemności wodnej i stanowi powierzchnię ogrzewalną kotłów płomienicowych, płomienicowo-płomieniówkowych i niektórych grzewczych.
Układ 2) stanowi powierzchnię ogrzewalną członowych kotłów żeliwnych i niektórych konstrukcji kotłów stalowych.
Układ 3) – rury omywane z zewnątrz spalinami tworzą powierzchnię ogrzewalną kotłów wodnorurkowych (opłomkowych) o małej pojemności wodnej, przegrzewaczy pary i podgrzewaczy wody oraz także mogą stanowić część powierzchni ogrzewalnej kotłów o dużej pojemności wodnej. Powierzchnię ogrzewalną kotła nazywa się też powierzchnią wymiennika ciepła.

Obciążenie cieplne powierzchni ogrzewalnej kotła określa ilość ciepła przejmowaną przez 1 m2 tej powierzchni w jednostce czasu i wyrażone jest w kW/m2.
W kotłach parowych używano dawniej wskaźnika określającego wydajność masy pary w jednostce czasu (kg/h, t/h) z lm2 powierzchni ogrzewalnej. Najniższy poziom wody jest to taki poziom, poniżej którego nie powinno obniżyć się lustro wody kotłowej ze względu na osiągnięcie, przez ścianki parownika, temperatury przekraczającej obliczeniową. Najwyższy poziom wody w kotle jest to ustalony przez projektanta poziom, który ze względu na prawidłową pracę kotła nie powinien zostać przekroczony. Przy przekroczeniu tego poziomu nastąpi pogorszenie stanu produkowanej pary nasyconej (większa wilgotność).
Przestrzeń zasilania parownika (walczaka w kotle parowym) liczona w m3 jest zawarta pomiędzy płaszczyznami najniższego i najwyższego poziomu wody w walczaku lub inaczej ukształtowanej przestrzeni kotła, np. w kotle grzewczym. Dopuszczenie do nadmiernego obniżenia się poziomu wody w parowniku powoduje, że ogrzewana spalinami ścianka powierzchni ogrzewalnej będzie gorzej chłodzona przez parę zamiast wody. Może to doprowadzić to uszkodzeń ścianek elementów kotła. Poziom wody w kotle nie powinien podnieść się także zbyt wysoko, gdyż wtedy para mogłaby porywać krople wody do przewodów odprowadzających parę do odbiorników lub do przegrzewacza pary, powodując np. zasolenie pary i odkładanie się osadów na powierzchni ogrzewalnej i w odbiornikach pary.

Płaszczyzną spalinową jest płaszczyzna przechodząca przez najwyżej położony punkt powierzchni ogrzewalnej parownika, który z jednej strony styka się ze spalinami, a z drugiej z wodą. Linią spalinową (ogniową) parownika jest linia przecięcia się płaszczyzny spalinowej z powierzchnią ogrzewalną parownika. Pojęcia te, jak również poziomy wody w parowniku nie dotyczą parowych kotłów przepływowych.
Pojemność wodna wyrażona w m3 (dm3) określa zawartość wody w przestrzeni ciśnieniowej kotła przy temperaturze ścianek ok. 20°C. W kotłach parowych liczona jest przy najwyższym poziomie wody w parowniku.
Pojemność paliwowa wyrażona w m3 ujmuje zawartość paliwa stałego w zasobniku lub w komorze paleniskowej stanowiących integralną część kotła (na ogół kotła grzewczego).

Okres stałopalności ujmuje czas spalania paliwa stałego wypełniającego zasobnik, podczas którego kocioł grzewczy pracuje z określoną mocą cieplną bez obsługi, przy czym pozostała reszta żaru musi wystarczyć dla prawidłowego rozpalenia ponownie zarzuconego paliwa.

Zapotrzebowanie ciągu to parametr określający wymagane podciśnienie potrzebne dla uzyskania ustalonej przez projektanta mocy cieplnej kotła,
mierzone w czopuchu kotła przy całkowicie otwartych przepustnicach spalin i powietrza. Czopuchem kotła nazywa się jego część stanowiącą połączenie otworu (otworów) wylotu spalin z kotła z kanałem kominowym. Przepustnica spalin jest elementem regulacyjnym, umożliwiającym zmiany wolnego przekroju kanału na wylocie spalin z kotła. Przepustnica powietrza jest elementem regulacji wolnego przekroju kanału lub otworu wlotowego doprowadzającego powietrze do paleniska. Na ogół w kotłach grzewczych na paliwo stałe przepustnica powietrza pierwotnego umieszczona jest w drzwiczkach popielnika, a wtórnego powietrza – w drzwiczkach paleniskowych. Popielnik to przestrzeń pod rusztem służąca do przyjęcia stałych pozostałości ze spalania. Doprowadzenie powietrza i odprowadzenie spalin przy kotłach bez wentylatorów podmuchowych i wyciągowych realizowane jest przez działanie komina.
Powietrze z otoczenia i spaliny wylotowe z kotła tworzą tzw. naczynie połączone. Słup powietrza o wysokości komina, dzięki większej gęstości zimnego powietrza, wytwarza wyższe ciśnienie niż słup gorących lżejszych spalin o tej samej wysokości. Występująca różnica ciśnień, czyli ciąg, powoduje stały dopływ powietrza, np. przez drzwiczki w popielniku pod ruszt. Powietrze pokonując opory przepływu przez szczeliny pomiędzy rusztowinami a warstwą paliwa na ruszcie dopływa do komory paleniskowej i uczestniczy w spalaniu. Dzięki wytworzonemu podciśnieniu w dolnej części komina (w czopuchu) spaliny przepływają przez kanały spalinowe kotła, przekazując strumień ciepła powierzchniom ogrzewalnym, przy czym część ciepła spaliny unoszą przez komin do atmosfery. Ta część ciepła uzależniona jest głównie od temperatury spalin wylotowych. Wielkość wytworzonego, przez działanie komina, ciągu C liczoną w Pa określa zależność:

gdzie

h – wysokość mierzona od poziomu rusztu do wylotu komina ,
g – przyspieszenie grawitacyjne ,
$latex \rho_{p}$ – gęstość powietrza w warunkach umownych (0°C i 1013,25 hPa), ,
– gęstość spalin w warunkach umownych ,
– temperatura powietrza otaczającego <°C>,
 – temperatura spalin wylotowych <°C>.

W przybliżeniu na każdy 1 m wysokości komina uzyskuje się ciąg ok. 5 Pa.
Dla zapewnienia pracy kotłów stwarzających większe opory przepływu spalin ciąg kominowy może być zbyt mały, ażeby zapewnić wymagane przepływy powietrza i spalin. Dlatego stosuje się wtedy urządzenia sztucznego ciągu (wentylatory wyciągowe zwane też spalinowymi) i urządzenia sztucznego podmuchu, np. wentylatory podmuchowe powietrza, przy spalaniu węgli drobnoziarnistych na ruszcie lub zamontowane w palnikach nadmuchowych przy spalaniu oleju lub gazu. Opór przepływu spalin ujmuje różnicę między ciśnieniem spalin w komorze paleniskowej a ciśnieniem spalin za kotłem.

Miarkowniki spalania służą do samoczynnej regulacji mocy cieplnej niektórych grzewczych kotłów rusztowych bez wentylatorów podmuchowych. Zadaniem miarkowników jest odpowiednie dozowanie powietrza do komory paleniskowej. W kotłach parowych stosowane są miarkowniki pływakowe i przeponowe. Przy kotłach wodnych niekiedy wykorzystywane są miarkowniki z tuleją metalową, wypełnioną cieczą o dużym współczynniku rozszerzalności, w której osadzony jest tłok z trzpieniem wyprowadzonym poza tuleję. Przy wzroście temperatury wody w kotle ciecz rozszerza się, podnosi tłok, a wysuwający się trzpień unosi ramię dźwigni połączonej przez łańcuszek z drzwiczkami popielnika, powodując ich przymknięcie ograniczające dopływ powietrza.

Opór hydrauliczny kotła po stronic wody określa stratę ciśnienia w kotle wodnym, mierzoną między króćcem wlotowym a wylotowym przy strumieniu wody odpowiadającym mocy cieplnej nominalnej kotła dla określonego przyrostu temperatury wody w kotle. W kotłach parowych wodnorurkowych o naturalnym obiegu wody (mieszaniny wodno-parowej) i kotłach przepływowych występują w rurach (opłomkach) przepływy jedna i dwufazowe czynnika powodujące opory: miejscowe, tarcia, na pokonanie ciśnienia hydrostatycznego i związane z przyspieszeniami czynnika cyrkulującego w układzie rur.

Ciśnienie czynnika ogrzewanego i cyrkulującego w kotle (woda, para nasycona i para przegrzana):

1) ciśnienie obliczeniowe danego zespołu części ciśnieniowej kotła jest najwyższym ciśnieniem wody lub pary, jakie może działać na ściankę powierzchni ogrzewalnej w czasie eksploatacji kotła;
2) ciśnienie dopuszczalne jest najwyższym ciśnieniem, na jakie został dopuszczony kocioł przez odpowiednie organa dozoru technicznego. W normach dotyczących kotłów grzewczych, przyjęto, że maksymalne ciśnienie dopuszczalne jest ciśnieniem, przy którym kocioł może pracować bez zakłóceń (dla kotłów grzewczych na paliwa stałe do 6 bar, 600 kPa). Podobnie określa to <26> dotycząca kotłów grzewczych z palnikami nadmuchowymi (maksymalne ciśnienie robocze czynnika
ogrzewanego 8 bar = 800 kPa). Natomiast inna norma dotycząca kotłów grzewczych opalanych gazem z palnikami atmosferycznymi (inżektorowymi) wprowadza trzy klasy ciśnieniowe zależne od maksymalnego ciśnienia roboczego: 1 klasa – 1 bar, 2 klasa – 3 bar, 3 klasa – 3 do 6 bar;
I ciśnienie próbne to ciśnienie, któremu w uzgodnieniu z organami dozoru technicznego poddawane są podczas prób kotły i ich elementy składowe w trakcie produkcji i ich montażu. Wprowadzone zostało też przez cytowane normy pojęcie ciśnienia próbnego typu, któremu poddawane są kotły i ich części przed rozpoczęciem produkcji seryjnej. Ciśnienie próbne bloków kotłów grzewczych przy użyciu wody zimnej wynosi, w zależności od danej fazy produkcyjnej i zastosowanego tworzywa, 4-10 bar. W odniesieniu do kotłów parowych rozróżnia się kotły niskociśnieniowe (głównie są to kotły grzewcze), w których ciśnienie pary nie przekracza 70 kPa i kotły wysokociśnieniowe o ciśnieniach przekraczających 70 kPa.

Temperatura czynnika ogrzewanego (woda, para nasycona lub przegrzana):

temperaturą obliczeniową danego elementu kotłowego <°C> jest najwyższa temperatura jaką mogą osiągnąć jego ścianki podczas pracy kotła (bez uwzględnienia chwilowych wzrostów temperatury);
temperaturą dopuszczalną kotła lub jego elementów składowych <°C> jest najwyższa temperatura, na którą kocioł został dopuszczony przez organa dozoru technicznego. W kotłach wodnych niskotemperaturowych jest to 100°C, a w kotłach średniotemperaturowych wynosi od 100 do 115°C. Należy tu wyjaśnić, że wg Rozporządzenia Mininstra Gospodarki nr 608 podanego w Dz. U. nr 59 z 2001 r. (także Dyrektywy 92/42/EEC) dotyczącego wymaganego limitu sprawności grzewczym wodnym kotłem niskotemperaturowym opalanym olejem lub gazem jest kocioł spełniający określony poziom sprawności;
temperatura robocza (np. 50-95°C) ujmuje dopuszczalny zakres temperatur wody, przy których kocioł grzewczy może być eksploatowany zgodnie z nastawieniem regulatora temperatury wody w kotle i wskazaniami producenta;
w kotłach grzewczych wodnych temperatura wody na wylocie, czyli zasilania instalacji centralnego ogrzewania może wynosić 90/60°C (obecnie raczej 75/55°C), a na powrocie, czyli wpływająca z instalacji centralnego ogrzewania do kotła, jest niższa o 10-25 K. Temperatury te zależą od przyjętych warunków pracy danej instalacji grzewczej. W kotłach parowych przemysłowych temperatura wody zasilającej odnosi się do strumienia wody zasilającej doprowadzanej do podgrzewacza wody lub bezpośrednio do kotła, np. do walczaka.

Moc cieplna kotła wyrażana w MW lub w kotłach grzewczych częściej w kW jest ilością ciepła użytecznie przekazaną czynnikowi (wodzie lub parze) w jednostce czasu. Rozróżnia się moc cieplną nominalną (znamionową) i moc cieplną minimalną podawane przez producenta lub ustalane na podstawie badań cieplnych w określonych warunkach. W kotłach grzewczych na paliwa stałe jest to wartość średnia uzyskiwana w określonych czasie badań.
Wydajność masowa kotła jest ilością produkowanej przez kocioł pary w jednostce czasu (kg/s, kg/h lub t/h).