BRODSKI ENERGETSKI UREĐAJI

CIRKULACIJA VODE U GENERATORIMA PARE

Sveučilište u RijeciTEHNIČKI FAKULTET

• Prema načinu kako nastaje:– Prirodna cirkulacija (djelovanjem uzgona)– Umjetna / prisilna cirkulacija (pogonom pumpe)

• Prirodna cirkulacija nastaje kao posljedica razllke izmedu gustoće vrele vode i pare.• Kod umjetne cirkulacije sila koja pokreće radni fluid nastaje zbog pogona cirkulacijske ili napojne pumpe.

• Osnovni zadaci pravilne cirkulacije u generatoru pare:– Hlađenje materijala– Prenošenje topline– Usmjeravanje strujanja mjehurića pare

• Cirkulacijom vode istodobno se osigurava odvođenje topline i hlađenje materijala cijevi i tako spriječava smanjenje kvalitete materijala (čvrstoće) što bi nastalo zbog pregrijavanja iznad dopuštenih radnih temperatura.

• Strujanje vode uvjetuje prijelaz topline konvekcijom, koji je znatno veći nego provođenje koje bi nastalo kada ne bi bilo cirkulacije.

• Usmjeravanje strujanja mjehurića pare onemogućuje nagomilavanje u obliku tzv. parnih jastuka na stijenkama, koji bi zbog lošijeg prljelaza topline na paru uzrokovali lokalno pregrijavanje, a u krajnjem slučaju i pregaranje te propuštanje cijevi zbog gubitka mehaničkih kvaliteta materijala.

PRIRODNA CIRKULACIJA

• ρuzl < ρsil - zbog većega udjela mjehurića pare u uzlaznim cijevima koje su intenzivnije grijane.

• Što je veći radni tlak, manji je uzgon u isparivačkim cijevima zbog manje razlike gustoće zasićene pare i vrele vode.

• Glavni faktori o kojima ovisi prirodna cirkulacija vode u generatorima pare su radni tlak te dimenzije i oblik isparivačkog dijela.

• Radni tlak u generatoru pare prvi je faktor ograničenja primjene prirodne cirkulacije zbog njegovog utjecaja na razliku između gustoće vrele vode bez parnih mjehurića (u tzv. silaznim cijevima) te mješavine vrele vode i mjehurića pare (u tzv. uzlaznim isparivačkim cijevima).

• Budući da se usporedo s porastom tlaka smanjuju razlike između gustoće vrele vode i suhozasićene pare, sve dok se kod kritičnog tlaka potpuno ne izjednače, istovremeno se, proporcionalno smanjenju razlike tih gustoća, smanjuje i sila uzgona koja održava cirkulaciju.

• Zato se prirodna cirkulacija može primjenjivati samo kod generatora pare nižih i srednjih radnih tlakova, dok se prinudna cirkulacija koristi kod srednjih i visokih radnih tlakova.

• Uzimajući u obzir i drugi utjecajni faktor, odnosno hidrostatsku visinu cirkulacijskog kruga, može se postaviti gruba granica tlaka primjene prirodne cirkulacije kod stacionarnih (kopnenih) generatora pare od približno 160 bara, što je moguće uz izvedbe s vrlo visokim ekraniziranim ložistima.

• Međutim, kod brodskih generatora pare raspoloživa je visina konstrukcije znatno manja, pa se granica tlaka s prirodnom cirkulacijom spušta niže od 100 bara.

• Cirkulacijski krug s prirodnom cirkulacijom čini sustav tzv. silaznih ("hladnih") i uzlaznih (zagrijavanih) cijevi povezanih s parnim bubnjem, gdje se para odvaja od mješavine vrele vode i parnih mjehurića.

• Kod jednostavnih cirkulacijskih krugova, parni bubanj i sabirnik spojeni su silaznim i uzlaznim cijevima približno istog geometrijskog oblika, s time što se uzlazne cijevi nalaze u istim toplinskim uvjetima (približno ista temperatura dimnih plinova).

• Kada se uzlazne cijevi nalaze u različitim toplinskim uvjetima i imaju različit geometrijski oblik, tada je cirkulacijski krug složen jer su u njemu različiti uvjeti koji utječu na cirkulaciju.

• Kod složenih cirkulacijskih krugova mogu nastati različite smetnje u cirkulaciji, kao što je stagnacija cirkulacije ili pojava cirkulacije u suprotnom smjeru, što može uzrokovati štetne posljedice u pogonu.

• Osnovni cilj proračuna cirkulacije vode u generatoru pare je da se definiraju takvi uvjeti strujanja vode, odnosno mješavine vode i pare u silaznim i uzlaznim cijevima koji će osigurati dovoljno intenzivno odvođenje topline sa stijenki cijevi, a time i njihovo hlađenje

• Karakteristična veličina cirkulacije je cirkulacijski broj C

D

DC C

gdje je:

– DC - količina vode u cirkulaciji

– D - količina isparene vode.

Cirkulacijski brojevi različitih izvedbi generatora pare

Prirodna cirkulacija ← p<100 bar – 160 bar < → Umjetna cirkulacija

Proračun cirkulacije jednostavnih cirkulacijskih krugova

• Proračun cirkulacije u cirkulacijskom krugu izvodi se tako da se izjednačuju sila uzgona prirodne cirkulacije i ukupan pad tlaka u krugu

Legenda uz prethodnu sliku i dijagram:

- Dp - količina proizvedene pare

- Hg - visina cijevnoga snopa na kojoj se dovodi toplina

- ρuzl - gustoća fluida (mješavine vode i pare) u uzlaznim cijevima

- ρsil - gustoća fluida u silaznim cijevima

- ∆pu,ef – efektivan uzgon u uzlaznim cijevima

- ∆psil - otpori strujanja u silaznim cijevima

- Dc - količina fluida u cirkulaciji

• Ako voda ulazi u cirkulacijski krug s temperaturom koja je niža od temperature vrenja, tada se ona mora najprije zagrijati dok u točki D ne dosegne temperaturu isparivanja.

• Visina hg ukupna je visina cijevi na koju se dovodi toplina, visina hz je dio cijevi u kojem se voda grije do temperature isparavanja, dok se na dijelu visine (hg - hz) isparava.

• Uzgon, koji prema prikazanom cirkulacijskome krugu stvara cirkulaciju, određen je izrazom:

uzgon u zagrijačkom dijelu cijevi uzgon u isparivačkom dijelu uzlazne cijevi

gdje je:

– sil - gustoća vode u silaznoj cijevi

– z - gustoća vode u zagrijačkom dijelu cijevi

– m - srednja gustoća mješavine u isparivačkom dijelu uzlazne cijevi (određuje se prema iskustvenim empirijskim izrazima

• Uzgon koji nastaje u cirkulacijskom krugu troši se na svladavanje hidrauličkih otpora strujanja u silaznim i uzlaznim cijevima.

• Korisni uzgon u uzlaznim cijevima, u uvjetima dinamičke ravnoteže, dobiva se ako se od uzgona oduzme pad tlaka zbog otpora na dijelu cijevi od točke B do F, odnosno

• Korisni uzgon troši se za svladavanje otpora strujanja u silaznim cijevima od A do B, odnosno:

• Prema tome, kod poznatih konstrukcijskih i toplinskih karakteristika generatora pare, proračunu cirkulacije može se pristupiti tako da se odredi promjena korisnog uzgona Δpu,kor i pada tlaka Δpsil u silaznim cijevima ovisno o količini vode u cirkulaciji Dc.

• Točka presjeka dobivenih krivulja određuje stvarni protok vode Dc u cirkulacijskom krugu pri kojemu se uspostavlja ravnoteža uzgona i nastalih otpora strujanja.

Proračun cirkulacije složenih cirkulacijskih krugova

• Složeni cirkulacijski krugovi proračunavaju se jednako kao i jednostavni, ali je rad mnogo opsežniji.

• Na primjer, složeni cirkulacijski krug, kao na sljedećoj slici, sastoji se od tri reda uzlaznih cijevi, koji su različito toplinski opterećeni.

• Za svaki red uzlaznih cijevi određuju se krivulje korisnih uzgona i ucrtavaju u dijagramu, a nakon toga se korisni uzgon određuje zbrajanjem uzgona prema protoku u pojedinim redovima.

• Pad tlaka u silaznim cijevima Δpsil, izračunava se također za različite vrijednosti protoka u cirkulaciji. Točka presjeka krivulje korisnog uzgona Δpu,ef, i krivulje pada tlaka u silaznim cijevima Δpsil određuje ukupni protok vode u cirkulacijskom krugu, dok vrijednosti Dc1, Dc2 i Dc3 predstavljaju protoke kroz pojedine redove cijevi.

• Vidljivo je da je cirkulacija najintenzivnija u prvom redu, jer je on toplinski najviše opterećen

Faktori ograničenja i pogonski problemi kod prirodne cirkulacije

• Osnovni utjecajni faktori koji utječu na cirkulaciju vode u generatorima pare su visinska razlika ispirivačkog sistema, razlika između gustoća u uzlaznim i silaznim cijevima te otpori koji se pojavljuju pri strujanju fluida u cirkulacijskom krugu.

• Stacionarni generatori pare u normalnim uvjetima obično imaju dovoljnu visinsku razliku, pa ona ne predstavlja ograničenje efikasne cirkulacije.

• Međutim, kod brodskih generatora pare visinska je razlika važna zbog ograničenog prostora na brodu.

• Povećanje razlike između gustoće u silaznim i uzlaznim cijevima kod nekih se konstrukcija postiže postavljanjem nekog drugog prijemnika topline između njih, obično pregrijača pare.

• Što je radni tlak u generatoru pare viši, razlika između gustoća postaje manja, pa je prema tome opasnost od zastoja cirkulacije kod generatora pare s višim tlakom znatno veća.

• Osim toga, na razliku izmedu gustoća u silaznim i uzlaznim cijevima znatno utječe i konstrukcijski oblik generatora pare, odnosno je li njegov isparivački dio izveden kao pretežno ozračen ili konvektivni.

• Kod ozračene izvedbe, uzlazne cijevi imaju oblik ložišnih ekrana koji su intenzivno zagrijavani, dok su silazne cijevi nezagrijavane (“hladne”), jer se ne dodiruju s dimnim plinovima.

• Zbog toga je i razlika gustoća veća nego kod konvektivnih izvedbi, gdje su uzlazne cijevi u području nižih temperatura dimnih plinova, pa nisu tako intenzivno zagrijavane kao ekranske cijevi.

• Osim toga, konvektivne konstrukcije obično su manje visine, a cijevi su često postavljene koso, s više zakrivljenja, čime se dodatno stvaraju veći otpori strujanja.

• Jedan je od najvažnijih zadataka cirkulacije usmjeravanje strujanja nastalih mjehurića pare. Zato se u silaznim cijevima ne bi smjeli stvarati parni mjehurići, pa se valja brinuti da se to ne dogodi, naročito ne pri padu tlaka u pogonu.

• Tlak u silaznim cijevima može pasti zbog naglog porasta opterećenja generatora pare ili zbog otpora na ulazu u silazne cijevi. Zbog pada tlaka snizuje se temperatura isparivanja, te voda u silaznoj cijevi počinje isparivati uz stvaranje parnih mjehurića.

• Najkritičnije mjesto za stvaranje mjehurića je početak silaznih cijevi jer je tu najniži tlak, dok je na dnu cijevi mogućnost isparivanja manja zbog većeg hidrostatskog tlaka u cijevi.

• Obično je isparavanje, zbog pada tlaka na ulazu u silaznu cijev, posljedica lošeg konstrukcijskog rješenja. Na sljedećoj je slici prikazana raspodjela tlaka u parnom bubnju u kojem je radni tlak pr.

• Statički tlak na ulazu u silaznu cijev pul dobiva se ako se od ukupnog tlaka oduzme pad tlaka na ulazu, koji se sastoji od pada tlaka zbog lokalnog otpora i pada tlaka zbog ubrzavanja strujanja od 0 do brzine strujanja u silaznoj cijevi.

• Negativne posljedice stvaranja mjehurića u silaznim cijevima otklanjaju se pravilnim izborom njihovih dimenzija, odnosno pravilnim izborom brzina strujanja u njima.

• Pri većim brzinama strujanja neće nastati zastoj u cirkulaciji, iako pritom u njima tlak pada, a prema tome je i stvaranje mjehurića veće. Strujanje će povući nastale mjehuriće i odvesti ih u uzlazne cijevi, gdje oni povoljno utječu na cirkulaciju.

• Kod manjih brzina strujanja manji je pad tlaka i količina stvorenih mjehurića, ali se oni zbog male brzine gibaju suprotno strujanju vode i tako nepovoljnije djeluju na cirkulaciju nego u prethodnom slučaju.

• Na temelju iskustava zaključilo se da su brzine strujanja od 0,3 do 0,5 m/s najkritičnije za nepoželjno stvaranje mjehurića i njihovo štetno djelovanje.

• Jedan od efikasnih načina za postizavanje veće razlike između gustoća vode između silaznih i uzlaznih cijevi je uvođenje tzv. "hladnih" silaznih cijevi, koje nisu u kontaktu s dimnim plinovima. Daljnje poboljšanje postiže se uvođenjem pothlađivanja silaznih cijevi s pomoću tzv. stabilizacijskih komora ili čak hlađenjem samih silaznih cijevi, kao što je vidljivo na sljedećim slikama.

Osnovni načini pothlađivanja silazne cijevi

Karakteristični slučajevi prirodne cirkulacije vode

1. Cilindrični generator pare s jednom plamenicom

• Cirkulacija je postignuta kruženjem vode oko plamenice. Redoslijedom dimnih kanala (I, II, IlI) dobiva se intenzivnije zagrijavanje manje mase vode na desnoj strani plamenice i manje zagrijavanje veće mase vode s lijeve strane plamenice.

• Desni dio vodenog prostora ima ulogu uzlazne strane, a lijeva silazne strane.

• Da bi se poboljšalo kruženje, napajanje se treba obavljati u gornjem dijelu lijevog prostora.

2. Cilindrični generator pare s vertikalnim cijevima

• Prikazanim rasporedom dimnih kanala dobiva se razlika u intenzitetu zagrijavanja između pojedinih dijelova vodenog prostora.

• Ugradnjom dimnih cijevi velikog promjera u području slabijeg zagrijavanja taj dio postaje silazni, a intenzivnije zagrijavan dio, s cijevima manjeg promjera, ima funkciju uzlaznog dijela.

• U takvoj konstrukciji izvodi se često pomoćni brodski generator pare sa samostalnim ložištem.

3. Brodski kombinirani qenerator pare “Howden - Johnson”

• Ovdje postoje dva cirkulacijska kruga oko plamenice i uzduž generatora pare, koji se stvaraju postavljanjem isparivačkih cijevi u skretnoj komori.

• Ovisno o rasporedu dimnih cijevi, napajanje je centralno ili bočno.

4. Sekcijski generator pare s prednjim bubnjem

• Prikazani položaj bubnja primjenjuje se najčešće kod brodskih generatora pare gdje je konstrukcija uvjetovana preglednošću bubnja ili kod stabilnih postrojenja gdje to diktiraju smještajni uvjeti.

• S gledišta raspodjele količine topline, orijentacija ovoga cirkulacijskog kruga nije povoljno rješenje jer se intenzivno zagrijava silazni, a manje uzlazni dio kruga.

5. Brodski generator pare “Integral”

• Generator pare ima intenzivno ekranizirano ložište.

• Kao i kod prethodnog, postoje dva paralelna cirkulacijska kruga.

• Prvi čini hladne silazne cijevi i ložišni ekran.

• Drugi krug čine zagrijavane silazne cijevi i uzlazne cijevi koje su smještene ispred pregrijača, prema ložištu. Jedne i druge čine cijevni snop.

6. Brodski generator pare “Bauer - Wagner”

• Kod dvobubanjskog generatora pare cirkulacija je zasnovana na nezagrijavanim silaznim cijevima.

• Ložište je obloženo s desne strane s više redova nezagrijavanih silaznih cijevi i jednim redom ozračenih uzlaznih cijevi, a s lijeve strane snopom cijevi u kojemu su prva dva reda ozračena.

• Taj snop je uzlazni dio. Koncepcija ovog generatora pare korištena je za glavne brodske generatore pare .

7. Klasični generator pare “Yarrow” bez hladnih silaznih cijevi

• Trobubanjski generator pare ima dvodijelnu isparnu površinu; dijelovi su simetrično postavljeni i paralelno vezani za parni bubanj.

• Pregrijač pare ima dva dijela, simetrično postavljena između površina isparivača pri čemu su paralelno vezani.

• Prema tome, postoje dva paralelna cirkulacijska kruga: lijevi i desni.

• Kod oba kruga uzlazne su cijevi smještene prema ložištu, a silazne iza pregrijača.

8. Generator pare “Yarrow” s hladnim silaznim cijevima

• Površine isparivača i pregrijača pare nisu raspoređene simetrično jer je pregrijač pare smješten samo na jednoj strani.

• Ložište je podijeljeno ekranskom zavjesom na dva dijela. Zavjesa se opskrbljuje vodom s pomoću sabirnika i hladne silazne cijevi, a sama je uzlazna.

9. Strmocijevni generator pare s dva bubnja bez hladnih silaznih cijevi

• Uzlazni dio sistema čine ozračene i intenzivno zagrijavane cijevi smještene prema ložištu, a silazni dio čini snop konvektivno grijanih cijevi.

• Da bi se povećala razllka u prijemu topline uzlaznog i silaznog snopa, između njih se najčešće ugrađuje pregrijač pare.

• Ako je moguće, silazne cijevi treba priključiti za vodni, a uzlazne za parni prostor parnog bubnja.

10. Strmocijevni generator pare s dva bubnja i hladnim silaznim cijevima

• Način formiranja cirkulacijskog kruga je sličan kao i u prethodnom slučaju.

• Da bi se osigurala bolja cirkulacija u silaznom dijelu, ugrađuju se na krajevima bubnja hladne silazne cijevi.

PRISILNA CIRKULACIJA

• Osnovni faktori ograničenja prirodne cirkulacije su:

– radni tlak koji utječe na razliku gustoće vode u uzlaznim i silaznim cijevima,

– geometrijski oblik generatora pare, o kojemu ovisi visina stupca koji djeluje na prirodnu cirkulaciju, i

– otpori strujanja unutar cirkulacijskog kruga.

• Dok u generatoru pare s prirodnom cirkulacijom oblik i raspored ispirivačkih cijevi moraju omogućiti prirodnu cirkulaciju vode, kod generatora pare s prisilnom cirkulacijom, cijevi se mogu postavljati prema raspoloživom prostoru, što je naročito značajno kod brodskih izvedbi.

• U načelu se razlikuju dva tipa prisilne cirkulacije:

• optočna (C > 1, obično je C = 4 10) - "La Mont"

• protočna (C = 1) - "Benson", "Sulzer"

• Kod prisilne optočne cirkulacije, otpore strujanja fluida svladava cirkulacijska pumpa.

• Kod prisilne protočne cirkulacije, otpore strujanja fluida svladava napojna pumpa.

• Generatori pare s radnim tlakom većim od 120 bar najčešće se izvode s prisilnom cirkulacijom.

• Generatori pare s prisilnom cirkulacijom prikladni su za rad s manjim opterećenjem, jer strujanje vode u njima ne ovisi o opterećenju, već o radu cirkulacijske pumpe.

Generatori pare s optočnom cirkulacijom

Najpoznatiji tip generatora pare s optočnom cirkulacijom je "La Mont", čiji je shematski oblik prikazan na sljedećoj slici:

Generator pare "La Mont"

Generatori pare s protočnom cirkulacijomNajpoznatiji tipovi generatora pare s protočnom cirkulacijom su "Benson" i "Sulzer"

• Kod generatora pare tipa "Benson" cijevi su međusobno neposredno spojene, pa nema odjeljivača vode na prijelazu izmedu isparivača i pregrijača pare

• "Sulzer" jednocijevni generator pare ima cijev u kojoj se, prolazeći kroz generator pare, voda zagrijava i isparuje, a nakon toga para se pregrijava.

• To su najčešće jedinice velikog kapaciteta, pa se više takvih cijevi spaja paralelno u cijevni sustav uzlaznih i silaznih cijevi.

• Na početku svake takve cijevi, a na izlazu iz zagrijača vode, ugrađen je prigušni ventil, kojim se osigurava jednolika raspodjela vode u paralelno spojenim granama.

• Na izlazu iz isparivača para sadrži 2-4% vlage i prije ulaska u pregrijač prolazi odjeljivačem kapljica vode, koji je karakteristični dio Sulzerova generatora pare.

• Tu se s vodom odstranjuju i preostale soli sadržane u njoj i tako sprječava njihovo taloženje u cijevima pregrijača pare.

• Osim toga, odjeljivač kapljica vode sprječava da voda prodre u cijevi pregrijača, a time i naglu promjenu temperature materijala pregrijača kada se generator pare pokreće ili kada se prestane ložiti.

Generator pare tipa "Benson"

Generator pare tipa "Sulzer"

Cirkulacija kod „U-M“ generatora pare

Cirkulacija kod „U-M“ generatora pare

Cirkulacija u kutnocijevnom generatoru pare