Kattila ( monikattilat ) on rakenteellisesti integroitu laitekokonaisuus lämpöenergian siirtämiseksi johonkin jäähdytysnesteeseen polttoaineen palamisen seurauksena teknologisen prosessin aikana tai sähköenergian muuntamiseksi lämpöenergiaksi [1] .
Merkittävässä osassa tapauksia kattiloiden jäähdytysaineena on vesi ja höyry , mutta se voi olla myös öljyä , elohopeaa , ilmaa (ks . lämmönkehitin ) jne.
Kattilat (paitsi sähkökattilat) ovat lämmönvaihtimia , joissa lämmitysväliaineena on palamistuotteita ja lämmitettävänä väliaineena kattilan jäähdytysneste.
Nimi kattilayksikkö ( kattilayksikkö , väärin höyrynkehitin [1] ) esiintyi historiallisesti höyrykattiloiden kehityksen aikana . Alun perin kattila oli yksinkertainen laite ilman, että lämmityspintoja jaettiin toimintojen mukaan. Myöhemmin tarve saada korkeampien parametrien höyryä paremmalla hyötysuhteella ja pienemmillä mitoilla teki tarpeelliseksi kehittää uuniin lämmityspinnat , lisätä tulistimen , veden ekonomaiserin ja ilmanlämmittimen . Kaikki tämä vierekkäisten putkien , kaasu- ja ilmakanavien, liitosten kanssa, jotka on liitetty yhdeksi orgaaniseksi kokonaisuudeksi ja jota kutsuttiin kattilayksiköksi, toisin kuin "kattila itse". Lisälaitteet varustettiin usein jo olemassa olevilla yksinkertaisilla kattiloilla tai aikaisempien sarjojen kattiloilla. Nykyaikaisissa suuritehoisissa kattiloissa, etenkään läpivientikattiloissa, ei ole mahdollista erottaa "varsinaista kattilaa", niille termit "kattila" ja "kattilayksikkö" ovat itse asiassa synonyymejä .
Kattilalaitos on joukko laitteita ja mekanismeja, jotka on suunniteltu tuottamaan höyryä tai kuumaa vettä. Se sisältää yhden tai useamman kattilan lisäksi apulaitteita ja -mekanismeja: savunpoistolaitteet , puhaltimet , rehu- ja vedenkäsittelylaitokset , polttoaineen syöttö polttoaineen tyypistä riippuen - hydraulinen murtaminen , polttoöljy , tuhkanpoistojärjestelmät ja tuhkansiepparit . Nämä järjestelmät voivat olla yksittäisiä tai yhteisiä kattiloiden ryhmälle. [2]
Kattilat tuottavat höyryä höyrykoneiden (esimerkiksi voimalaitosten turbiinit , höyryveturien moottorit ) käyttämiseen, lämpöä teollisuuden (esim. tekstiilit ) ja maatalouden tarpeisiin , höyryä ja kuumaa vettä lämmitykseen ja kuuman veden toimittamiseen kuluttajille.
Kattilayksiköt, jotka toimivat lämmönsiirtolaitteilla - vesi ja höyry, jaetaan höyryyn , höyryntuotantoon ja veden lämmitykseen , joissa vesi ei muuta aggregoitumistilaa ; on myös höyry -kuuma ( vesi-lämmitys-höyry ) -kattiloita, jotka tuottavat vettä ja höyryä samanaikaisesti. Ylikriittisten parametrien kattiloita kutsutaan höyrykattiloksi. Kattilat, joissa on muun tyyppisiä jäähdytysnesteitä , voivat toimia myös nestemäisestä höyrytilaan siirtymisen kanssa tai ilman sitä . Korkean kiehumispisteen omaavan jäähdytysnesteen (esimerkiksi tietyntyyppiset öljyt ) tai kaasun käyttö mahdollistaa seinämän paksuuden pienentämisen ja helpottaa putkistojen ja lämpöä kuluttavien laitteiden toimintaa.
Höyrykattilat voivat tuottaa kylläistä tai tulistettua höyryä . Ottaen huomioon tulistimen käytön korkeat kustannukset ja monimutkaisuus sekä kylläisen höyryn tyydyttävät ominaisuudet ( kuivuus on yleensä vähintään 99 %) moniin tehtäviin, pienissä teollisuus- ja lämmityskattiloissa, joiden höyrynpaine on jopa 16 atm , kyllästetty höyryä syntyy lähes aina.
Usein kattilan ulostulossa oleva jäähdytysneste eroaa suoraan kuluttajille toimitetusta nesteestä (esimerkiksi verkkovesi kiertää lämmitysverkoissa , joiden laatu on melko heikko kovuuden , kaasukyllästyksen jne. suhteen, kun se syötetään kattilaan, se saastuu nopeasti). Tässä tapauksessa lämmönsiirto suoritetaan erityisten lämmönvaihtimien (erityisesti kattilahöyrykattiloiden ) kautta .
Joissakin tapauksissa höyrykattilat siirretään veden lämmitystilaan .
Kattilat voivat kuluttaa erilaisia kiinteitä , nestemäisiä tai kaasumaisia polttoaineita riippuen siitä, millä niiden uuni- ja poltinlaitteilla ja joillakin muilla elementeillä voi olla merkittäviä ominaisuuksia.
Pyrolyysikattiloilla on erottuva piirre klassisen polttotyypin kiinteän polttoaineen kattiloista. Pyrolyysityyppisen kattilan ensimmäisessä kammiossa puuperäinen polttoaine (tukit, hakatut polttopuut, leikkuujätteet, hakke, sahanpuru, lastut) vapauttaa lämpöhajoamisen ja hapen puutteen olosuhteissa hiilellä kyllästetyn kaasuseoksen. Koskettaessa suuttimien kuumaa pintaa kaasuseos syttyy palamaan pyrolyysikattilan toisessa kammiossa ja palaa suurella lämmön vapautumisella. Tällaisten kaasua tuottavien kattiloiden hyötysuhde on huomattavasti korkeampi kuin perinteisten suorapolttoisten kiinteän polttoaineen kattiloiden hyötysuhde.
Joskus kattilat muunnetaan yhdestä polttoainetyypistä toiseen (yleensä kiinteä polttoaine kaasuksi) [3] .
Energiateknologiset kattilat uuneissaan käsittelevät teknisiä materiaaleja (esimerkiksi myrkylliset jätevedet ja päästöt , hienorakeiset materiaalit, kuten paisutettu savi , luonnonfosfaatit ) [1] ; savukaasujen lämpö , jotta se ei heittäisi sitä turhaan ilmakehään , havaitaan kattilan pinnoilla.
Polttoainetta eivät kuluta suoraan sähkökattiloissa eivätkä hukkalämpökattiloissa , jotka käyttävät kuumien prosessikaasujen tai moottoreiden lämpöä (esimerkiksi CCGT :n kaasuturbiini ) [4] . Yhdistelmäkattilat ovat mahdollisia, käyttävät sähköä tai ulkopuolista lämpöä ja samalla (samanaikaisesti tai vaihtoehtoisesti) polttavat polttoainetta sisällään. Hukkalämpökattilan uunia , jossa polttavaa polttoainetta ja joskus lisäilmaa lisätään pääkaasuvirtaan , kutsutaan jälkipolttimeksi .
Polttoainetyyppi, jolle kattila on suunniteltu, vaikuttaa ensisijaisesti uuniin ja poltinlaitteisiin. Uunien päämallit ovat seuraavat: [2] [5]
Sähköhöyry- ja kuumavesikattilat voivat olla kiinteitä (asennettu kiinteälle alustalle) tai liikuteltavia (ajoneuvoon tai liikkuvalle alustalle) [4] .
Paineen alainen, tyhjiössä, kaasutiivis.
Vesiputki, Lancashire, "yhdeksän", rumpu ...
Suurilla kammiouunilla varustetuilla kattiloilla voi olla seuraavan tyyppinen asettelu [6] :
Torni U-muotoinen T-muotoinenKotitalouksien kattilat voivat olla seinälle tai lattialle asennettavia. Monet kattilat, joiden teho on 1-2 MW, on koottu valurautaisista osista, kuten lämmityspatterien osista .
Höyrykattilan rumpu on pääsääntöisesti vaakatasossa olevan sylinterin muotoinen astia, jossa putkistot väliaineen kierrättämiseksi haihdutuspintojen läpi alkavat ja päättyvät ja jossa höyrystimen erotus (pääasiassa gravitaatio) nesteestä muodostuu höyryfaasi. Ekonomaiserista vesi (tai syöttövesi, jos ekonomaiseria ei ole) tulee rumpuun, höyry otetaan yläosasta, vesi otetaan yleensä alaosasta, koska se kerääntyy siihen suolojen haihduttua (purging). Erilaisia laitteita on saatavana rummun sisällä olevan erotuksen parantamiseksi. Rumpu on rumpukattilan paksuseinäisin elementti, joten se on kallis, ja rummun metallissa olevat lämpöjännitykset määräävät kattiloiden ohjattavuuden. Höyrykattiloiden käyttö ilman rumpua (suora läpivienti) vaatii kuitenkin monimutkaisempaa vedenkäsittelyä .
Paloputkikattila on itse asiassa rumpu, joka on lävistetty akselia pitkin putkilla, joiden läpi kaasut kulkevat. Vesiputkikattilat sen sijaan kehitettiin kattiloista, joissa on useita rumpuja, joita lämmitetään ulkopuolelta kaasuilla . Suurissa nykyaikaisissa vesiputkikattiloissa rumpu ei pese kaasut tai se saa niistä vain merkityksettömän osan kattilan lämpötehosta, kun taas sen pääosa havaitaan lämmityspinnoilla , jotka koostuvat monista rinnakkaisista putkista, joiden sisällä työneste virtaa.
Lämmityspinnat voivat olla kuumentavia (nestefaasia varten), haihduttavia (nestefaasin täydelliseksi tai osittaiseksi muuttumiseksi höyryksi ) tai tulisttavia (höyryfaasin kuumentamiseksi kyllästymislämpötilan yläpuolelle ) [5] :9 . Myös kaasujen kanssa tapahtuvan lämmönvaihtomekanismin mukaan ne jaetaan säteilyyn (pääasiassa säteilylämmönsiirto ), konvektiivisiin (lähinnä lämmönsiirto konvektiivisella lämmönsiirrolla) ja säteilykonvektiivisiin (molemmat mekanismit ovat suunnilleen samat).
EconomizerEconomaiser - lämmityspinta on kokonaan tai pääosin lämmittävä (joskus on kiehuvia ekonomaiseja, joissa jopa 10 % vedestä muuttuu edelleen höyryksi). Termiä sovelletaan höyrykattiloihin; syöttövesi tulee ekonomaiseriputkiin , eli sellaisiin, joiden painetta nostavat syöttöpumput maksimiin lämpöasennuksen kierrossa. Monissa kattiloissa ekonomaiseri on viimeinen pinta kaasuvirran varrella, ilman lämmitintä. Matalissa kaasulämpötiloissa tällä alueella säteilylämmönsiirto ei ole tehokasta, joten ekonomaiseri on tyypillisesti konvektiivinen lämmityspinta: se koostuu suuresta määrästä yhdensuuntaisia kaarevia putkikimppuja, joissa on yleensä kehittyneet kierre- tai rivat .
Uunin seulatUseimmissa nykyaikaisissa kattiloissa, sekä vesilämmitys- että höyrykattiloissa, merkittävä osa uunin pinnasta on peitetty seuloilla - rinnakkaisten putkien lohkoilla. Historiallisesti tämä tehtiin kattilan kantavien rakenteiden suojaamiseksi avoimen liekin lämpövaikutuksilta , mutta nykyaikaisissa kattiloissa uunin seulat imevät erittäin merkittävän osan kokonaislämmöstä säteilylämmönsiirron ansiosta. On etu- (etu-), taka-, sivu- ja kattoseinämiä, joissakin kattiloissa suojukset jatkuvat uunin pohjaa (alaosaa) pitkin; lisäksi kattilassa voi olla kaksoisvalosuojat , jotka ovat alttiina säteilylle molemmilta puolilta. Etulevyissä tulee olla rakoja (yleensä lähellä olevien putkien mutkissa), joihin polttimen suuttimet avautuvat. Kertakattiloissa on tapana erottaa näytöissä alempi (LRCh), keskimmäinen (SRCh) ja ylempi (HRCh) säteilyosa [ 5] : 11-12 .
Seulaputket ovat yleensä sileitä, lukuun ottamatta ripoja tai levyvälikappaleita, joilla ne voidaan liittää toisiinsa (näille levyille putoava säteily siirtyy putkiin metallin korkean lämmönjohtavuuden vuoksi , joten vuoraus uunin putkien välisissä rakoissa on myös suojattu). Polttimien lähellä olevan vyöhykkeen tehokkaimmissa kattiloissa säteilyvuo on niin suuri, että suojukset on suojattava siellä tulenkestävällä pinnoitteella; niiden pitämiseksi sekä lämmönsiirron parantamiseksi putkiin hitsataan piikit tai rivat tulipesän sivulta. Kokemusta on myös pinnoittamattomien putkien käytöstä uunin sisällä ripoilla suojaamaan putkia voimakkaasti hankaavien polttoaineiden vaikutukselta. . Kattilan ulkopuolella suojukset ovat lämpöeristettyjä , yleensä vuorattuja ja päällystettyjä kaasutiiviysvaipalla [5] : 86, 87 . Uunin kaasutiiviyden saavuttaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa seulojen valtavan alueen vuoksi.
Yleisin seulojen käyttö luonnollisissa voimakattiloissa on haihdutuspinta; kun taas putket on järjestetty pystysuoraan vähimmäismäärällä mutkia, jakoputket , joihin ne on hitsattu - vaakasuunnassa. Jotta kiertopaine olisi riittävä voittamaan seulan vastuksen, putkien halkaisijan on oltava riittävän suuri (∅ 50–60 mm). Kiehumisprosessi mahdollistaa lämmön poistamisen erittäin tehokkaasti ja estää putkimetallin ylikuumenemisen, mikä on mahdollista seuloihin kohdistuvan lämpövuon suuren intensiteetin vuoksi . Veden läpikulun aikana 4-25 % haihtuu [5] :14 . Jotta uunin eri osien epätasainen kuumennus vaikuttaisi vähemmän kiertovarmuuteen, haihdutusseulat on jaettu osiin, joista kukin muodostaa erillisen kiertopiirin - paneelit [5] : 86, 87 . Uunien yläosaan (missä lämpökuormat eivät ole niin suuria, samoin kuin kattoverkossa, jossa luonnollinen kierto on vaikeaa) sijoitetaan usein tulistussuojapintoja, joissa putkien suunta ei yleensä pelaa. perustavanlaatuinen rooli.
Kertakattiloissa käytetään usein Ramzinin teippikäämitystä monivaiheisilla nosto- ja nosto-laskevilla paneeleilla . L.K. Ramzin -kattilan LFC ( alikriittisille parametreille) on valmistettu putkinauhan muodossa, jossa on vaakasuoraan nouseva käämi (15–20 ° kulmassa), ja se haihduttaa noin 80% vedestä; sitten seos menee laskuputken kaasukanavan siirtymävyöhykkeen konvektiiviselle pinnalle ja sieltä höyry palaa tulistamaan SFC:hen ja SFC:hen [5] :18-20, 89, 90 . Vastaavasti läpivientikattiloissa on pystysuorat keräimet; kuitenkin pinnan haihtuvassa osassa joissakin tiloissa väliaineen kerrostuminen tällaisissa keräilijöissä on mahdollista, mikä huonontaa merkittävästi seuraavien pintojen käyttöolosuhteita [7] .
Neuvostoliitossa lämmityslaitteiden tuotantoa suoritti Bratskin lämmityslaitetehdas (Bratskin kattila, UKMT -1 ), Sojuzlessstroy (KVANT-1, 1983), Bilimbaevsky-tehdas (KVANT-kattilatalon tukirakenteet), Jaroslavlin tehtaan teknologiset rakenteet ja metallilaitteet ("Axioma-3", 1985) Neuvostoliiton rakennusmateriaaliministeriön NIIST:n ja teknisten laitteiden TsNIIEP:n kehityksen mukaan [8] .
Kiinteän polttoaineen kattilahuoneita esiteltiin Neuvostoliiton näyttelyssä "Mobile Buildings-86" VDNKh .
Vesilämmitys automatisoitu kuljetettava kattilatalo "KVANT" ilmestyi vuonna 1983. Tarkasteltavana olevan tyyppisissä kattilahuoneissa on putkimainen koneellinen kattilayksikkö, joka on varustettu mekaanisella uunilla, jossa on ruuvitanko.
Tekniset tiedot . Teho - 1 MW. Kattilan hyötysuhde on 82 % (kivihiilellä) ja 78 % (ruskohiilellä). Lämmönsiirtoaineen lämpötilaa kattilan edessä ei ole rajoitettu, ja kattilan ulostulossa se saavuttaa 115°. Jäähdytysnesteen minimivirtausnopeus on 8 t/h. [kahdeksan]
Automaattinen kattilatalo "AKSIOMA-3" ilmestyi vuonna 1985.
Polttoaineen syöttö uuniin, polttoaineen tasoitus ja löysäys sekä kuonanpoisto suoritetaan ROBOT-ohjauskeskuksen avulla.
Tekniset tiedot . Teho - 3 MW. Kattilan hyötysuhde on 82,5 % (hiilelle) ja 79 % (ruskohiilelle); kattilan edessä olevan lämmönsiirtoaineen lämpötilaa ei ole rajoitettu, ja kattilan ulostulossa se saavuttaa 130 °; jäähdytysnesteen vähimmäisvirtausnopeus — 5 t/h; jäähdytysnesteen absoluuttinen paine - 1,6 MPa; mitat ovat 11,0x3,2x3,2 m ja massa 19 tonnia. [8]