CUPRINS

Cap. 1 Introducere. Terminologie. Prezentare problemă ...........................................3

1.1 Definiţie ....................................................................................................................3

1.2 Clasificare ................................................................................................................3

1.3 Proprietăţi fizice ......................................................................................................4

1.4 Abur umed ...............................................................................................................6

1.5 Abur supraîncălzit ...................................................................................................7

1.6 Utilizări ......................................................................................................................7

Cap. 2 Studiu de literatură. Obţinerea aburului tehnologic........................................9

2.1. Caracteristici tehnice ale cazanelor de abur ........................................................9

2.2. Structura şi funcţionarea cazanului de abur ........................................................9

2.3. Clasificarea generatoarelor de abur ...................................................................11

2.4. Combustibili utilizaţi la cazanele industriale ....................................................12

2.5. Tipuri constructive de cazane de abur ..............................................................13

2.5.1. Parametrii de bază şi indicii caracteristici ai cazanelor de abur ..................13

2.5.2. Descrierea principalelor tipuri de cazane după circulaţia apei ....................14

2.6. Elemente constructive ale cazanelor de abur ...................................................20

2.6.1. Construcţia vaporizatorului ..............................................................................20

2.6.2. Construcţia supraîncălzitorului ........................................................................20

2.6.3. Construcţia economizoarelor ...........................................................................23

2.6.4. Construcţia preîncălzitoarelor de aer ..............................................................24

Bibliografie ...................................................................................................................26

[1]

Cap. 1 Introducere. Terminologie. Prezentare problemă

1.1 Definiţie

În tehnică, prin abur se înţelege apă în stare de vapori.În exprimarea curentă, expresiile abur şi vapori de apă se folosesc alternativ.Se spune abur:

în cazul obţinerii printr-un proces de fierbere, în cazul vaporizării unei părţi din apa supraîncălzită (gheizere, scăpări prin

neetanşeităţi), la plural, în cazul condensării, fiind vizibili („se văd aburi ridicându-se deasupra

mlaştinii”).Se spune vapori de apă:

în cazul obţinerii printr-un proces de evaporare, ei nefiind vizibili, la vaporii de apă din atmosferă aflaţi în stare gazoasă, în fizică, chimie (tabele cu proprietăţi fizice ale vaporilor de apă).

Aburul este un agent termic larg utilizat în tehnică la producerea lucrului mecanic (ex. în turbine cu abur şi în motoarele cu abur), în scopuri tehnologice (ex. în industria chimică, alimentară etc.), pentru încălzit etc., fiind uşor de produs şi putând acumula cantităţi mari de căldură.[1] Spre deosebire de vaporii de apă din atmosferă, care sunt amestecaţi cu aer, aburul tehnic nu este amestecat cu alte substanţe, eventualele urme de săruri sau ulei fiind considerate impurităţi.

1.2 Clasificare

Aburul se clasifică în funcţie de diferite criterii.[2]

După tipLa o presiune dată, aburul poate fi:

abur saturat umed, când mai conţine lichid; abur saturat uscat, când nu mai conţine umiditate, dar o cât de mică cedare de

căldură îl aduce în stare de abur saturat umed; abur supraîncălzit, când temperatura lui e superioară celei de saturaţie la

presiunea respectivă.

După presiuneDupă valoarea presiunii, se deosebeşte:

abur pentru termoficare, cu presiunea de 1,2 - 2,0 bar; abur de presiune joasă (până la 15 bar), utilizat în scopuri tehnologice şi uneori

în instalaţii de încălzire;[2]

abur de presiune medie (15 - 80 bar), folosit în turbine de parametri medii; abur de presiune înaltă (80 - 221 bar), folosit în turbine de putere mare; .abur de presiune supracritică (peste 221 bar), folosit în turbine de foarte mare

putere.

După provenienţăDupă provenienţă, aburul poate fi:

abur proaspăt (sau viu), abur adus direct de la generator la utilizator, fără să fi fost utilizat în alt agregat şi fără să fi suferit vreo reducere de presiune şi temperatură;

abur derivat (sau prelevat), abur care a fost utilizat parţial într-o maşină şi apoi derivat pentru alte scopuri;

abur uzat, abur evacuat din turbină după utilizarea totală; abur laminat, abur căruia i s-a redus presiunea fără producere de lucru mecanic.

Aburul derivat şi cel uzat mai este utilizat în scopuri tehnologice sau pentru termoficare. Dacă se pune problema ca o turbină să alimenteze cu abur un proces tehnologic sau termoficarea, aburul este prelevat (la turbinele cu condensaţie) respectiv evacuat (la turbinele cu contrapresiune) la parametrii necesari procesului, respectiv termoficării.

1.3 Proprietăţi fizice

Figura 1. Diagramă T-s pentru vapori de apă

[3]

Figura 2 Diagramă i-s pentru vapori de apă

În energetică, proprietăţile fizice care prezintă intres sunt: masa molară , de care este legat volumul masic, care este un parametru

termodinamic; Capacitatea termică masică , de care sunt legate valorile entalpiei şi entropiei,

care definesc starea energetică; Conductivitatea termică şi viscozitate dinamică, de care depind fenomenele de

transfer termic.Capacitatea termică masică (implicit entalpia şi entropia), conductivitatea termică

şi viscozitatea dinamică depind de presiune şi temperatură, după legi neliniare. Actual aceste proprietăţi fac obiectul activităţii Asociaţiei Internaţionale pentru Proprietăţile Apei şi Aburului (The International Association for the Properties of Water and Steam - IAPWS), care organizează conferinţe anuale pentru urmărirea progreselor privind aceste proprietăţi şi sub egida căreia se redactează formalizări internaţionale.

Formulele sunt complexe, pentru calculul valorilor fiind necesar un calculator electronic programabil.

În decursul timpului: În anul 1904 Richard Mollier a trast primele diagrame având entalpia pe una din

axe,[3] bazate pe ecuaţia de stare a lui Koch:[2]

În anii '50 Mihail Vukalovici a propus[4] o ecuaţie de stare cu coaficienţi viriali, pe baza cărora s-au calculat valori ale proprietăţilor aburului utilizate pe plan mondial în deceniile 5 şi 6 a secolului al XX-lea.

[4]

Ernst Schmidt a propus succesiv mai multe ecuaţii de stare empirice, [5] ultima fiind acceptată la Conferinţa IAPWS din 1966 (IAPWS-66) şi care a fost valabilă până în 1968, când IAPWS-68 a adoptat prima formalizare modernă.Actual se folosesc formalizările:

IAPWS-95 pentru aplicaţii ştiinţifice (program simplu, foarte precis, dar cu viteză mică), formalizare bazată pe potenţialul termodinamic Helmholz. Valorile calculat sunt verificate până la 1000 °C şi 10000 bar şi se consideră că pot fi extrapolate până la 5000 °C şi 100000 bar.

IAPWS-IF97 pentru aplicaţii industriale (program cu viteză mare, dar mai puţin precis), bazat pe relaţii empirice. Valorile calculat sunt bune până la 800 °C şi 1000 bar.Valorile se găsesc gata calculate în tabele [6], însă în practică este mult mai

intuitivă folosirea unor diagrame termodinamice. [6] [7] Se folosesc diagrama T-s şi diagrama i-s (Mollier), care sunt larg folosite în aprecierea randamentului termic al ciclului Clausius-Rankine şi a randamentului intern al turbinelor cu abur.

1.4 Abur umed

La o anumită presiune (ps), apa fierbe la temperatura de saturaţie (ts). Temperatura de saturaţie a apei în funcţie de presiune se poate calcula cu aproximaţie cu relaţia: [8]

      ( °C)În tehnică se consideră că procesul de fierbere la presiune constantă decurge

astfel: absorbind căldură, apa se încălzeşte până la temperatura de saturaţie fără să degajeze vapori (aproximaţie suficient de exactă pentru nevoile practicii), obţinându-se apă la saturaţie. Absorbind căldură în continuare, apa de transformă treptat în abur, fără ca temperatura sa să varieze. În momentul în care toată apa s-a vaporizat, ea s-a transformat în abur saturat (uscat). Introducând căldură în continuare, temperatura aburului creşte, el devenind abur supraîncălzit.

[5]

Figura 3 Domeniul aburului umed.

În perioada trecerii de la apă la saturaţie la abur saturat, amestecul de abur saturat şi apă la saturaţie se numeşte abur (saturat) umed. Proporţia de abur saturat în amestec este titlul aburului:

unde mapa este masa apei la saturaţie, iar mabur este masa aburului saturat.Titlul aburului ia valori între 0 (apă la saturaţie) şi 1 (abur saturat). Pentru diferite

presiuni, în diagrama T-s (v. fig. alăturată) starea de apă la saturaţie este pe curba de x = 0, iar starea de abur supraîncălzit este pe curba de x = 1. La presiunea normală (de 101325 Pa = 1,013 bar) căldura latentă de vaporizare (căldura necesară fierberii) este de 2257 kJ/kg. La presiuni mai mari, această căldură scade, curbele x = 0 şi x = 1 se apropie şi se întâlnesc la presiunea critică de 221,2 bar în punctul critic, a cărui temperatură este de 374 °C. Peste această presiune, este domeniul supracritic, în care vaporizarea apei se face fără o transformare de fază vizibilă, prin umflare continuă. [9]

Domeniul din diagrama T-s de sub curbele x = 0 şi x = 1 este domeniul aburului umed.

1.5Abur supraîncălzit

Este folosit în special în termoenergetică, unde parametrii aburului viu sunt urmărtorii:[10]

Parametrii aburului pentru scopuri energetice

Simbol A B † C D E F ‡

Presiune (bar) 35 63 90 130 165 180

Temperatură 435 510 535 535 / 565 535 / 565 535 / 565

[6]

°C

† Nu se mai foloseşte.‡ Pentru cicluri cu resupraîncălzire intermediară.

1.6 Utilizări

În tehnicăAburul industrial este produs în generatoare de abur şi este folosit:

ca agent de lucru în turbine cu abur şi motoare cu abur (locomotive cu abur) - de remarcat că marile termocentrale pot avea producţii de abur de mii de tone pe oră;

ca agent termic la extracţia ţiţeiului şi la rafinarea lui, precum şi în reacţiile de cracare pentru obţinerea benzinei;

ca agent termic în industria uşoară, la fierberi în industria alimentară, vopsitorie şi călcătorie în industria textilă, la curbarea şi uscarea lemnului în industria mobilei;

la desalinizarea apei de mare; ca materie primă la producerea gazului de apă; ca agent termic la încălzirea cu abur, respectiv în termoficare; ca fluid de antrenare în ejectoarele de abur; ca materie primă pentru obţinerea apei distilate; ca agent de lucru la obţinerea vidului prin condensare în condensatoare;

În medicină la aparate de sterilizat; la inhalaţii.

Pentru uz casnic: la prepararea alimentelor; la călcat cu fierul de călcat cu aburi; la curăţarea cu aburi; în saune.

[7]

Cap. 2 Studiu de literatură. Obţinerea aburului tehnologic

2.1. Caracteristici tehnice ale cazanelor de abur

Generatorul de abur reprezintă un complex de instalaţii care realizează transformarea energiei chimice a combustibililor sau a altor forme de energie (electrică sau nucleară) în căldură, sub formă de apă caldă, apă fierbinte, abur saturat sau abur supraîncalzit pe care o furnizează unor consumatori: consumatori casnici (încălzirea locuinţelor şi a apei calde menajere), consumatorii industriali (producerea de abur, apă fierbinte şi energie electrică), marile centrale electrice (producătoare de energie electrică sau de energie electrică şi căldură, furnizată în marile sisteme de termoficare urbană şi industrială) . Generatoarele de abur care transformă energia chimică a combustibililor în căldură poartă numele de cazane de abur. În România au fost construite cazane de abur cu diverse debite (de la 200 kg/h până la (1035 t/h) şi presiuni (de la presiunea atmosferică până la 19,6 MPa) . Până în anii 1960, majoritatea cazanelor de abur proveneau din import, la noi în ţară fabricându-se doar cazane pentru debite şi presiuni reduse, care funcţionează pe gaze naturale şi combustibili lichizi.

Apoi s-a stabilit ca până în anul 1990 România să devină o ţară independentă din punct de vedere energetic. Pentru aceasta s-a pus problema folosirii cu prioritate a combustibililor solizi. S-a ajuns astfel ca în anii 1980 din puterea instalată de circa 17000 MW, 7200 MW să reprezinte centrale pe cărbune, 6000 MW centrale cu hidrocarburi şi 3800 MW centrale hidroelectrice, care a ajuns în centralele care funcţionează pe cărbune la 10000 MW în 1985 şi la 12000 MW în 1990. Cel mai mare cazan din lume are debitul nominal de 4225 t/h şi furnizează abur la presiune nominală Pn=24,6 MPa şi la temperatura nominală tn=538°C. Cazanul are două supraîncălziri intermediare la 538°C. La noi în ţară cel mai mare cazan de abur are debitul nominal Dn=1035 t/h la presiunea nominală Pn=19,2 MPa şi tn=535°C cu o supraîncalzire intermediară la 535°C. Cazanul alimentează cu abur o turbina de 330 MW. Cazanul a fost fabricat de întreprinderea Vulcan Bucureşti. Produce cazane şi Combinatul de utilaj greu din Cluj Napoca. Debitele de căldură a acestor cazane acopereau gama de la 1,163 până la 116MW.

2.2. Structura şi funcţionarea cazanului de abur

[8]

Cazanele de abur sunt instalaţii folosite pentru producerea de abur, căldura necesară fiind furnizată fie de un combustibil prin ardere, fie de gazele de ardere provenite dintr-o altă instalaţie. Împreună cu instalaţiile auxiliare necesare funcţionării lui , cazanul de abur formează o instalaţie de cazane.

Suprafaţa de schimb de căldură a cazanului este alcătuită din secţiuni delimitate conform cu evoluţia schimbului de căldură. Agentul termic preia căldura lichidului în preîncălzitorul de apă sau economizor, căldura de vaporizare în vaporizator şi căldura de supraîncălzire în supraîncălzitor.

Cazanul de abur mai cuprinde un supraîncălzitor intermediar, în cazul încadrării într-un ciclu cu supraîncălzire intermediara şi un preîncălzitor de aer.

Arderea combustibilului se produce într-o incintă numită focar.Suprafeţele de încălzit ale cazanului sunt plasate în focar şi în drumurile de gaze de ardere.

Într-un cazan cu circulaţie naturală, apa de alimentare pompată de o pompă de alimentare intră în cazan prin economizor, în care îi creşte temperatura până sau aproape de temperetura de vaporizare, de aici intră în tambur, care îndeplineşte mai multe funcţii principale: distribuirea apei în ţevile vaporizatorului, separarea aburului de apă şi delimitarea vaporizatorului de supraîncălzitor, adică menţinerea unui punct fix de terminare a vaporizării în interiorul suprafeţei de încălzire a cazanului.

Din tambur apa coboară prin ţevile de coborâre în colectoarele inferioare ale ţevilor vaporizatoare.În ţevile vaporizatoare se produce în urma preluării căldurii de la gazele de ardere, vaporizarea unei parţi din apă şi se formează o emulsie apă-abur. Această emulsie se ridică în ţevi spre tambur, unde se separă aburul de apă.

Aburul saturat separat intră în supraîncălzitor, în care se supraîncălzeşte până la temperatura finală, cu care iese din cazan. Apa separată se amestecă cu apa de alimentare, care înlocuieşte apa vaporizată şi intră din nou în ţevile de coborare.

Căldura preluată de agentul de lucru este produsă prin arderea combustibilului. Aceasta se produce în focar, iar prin arzătoare, se introduce combustibilul şi aerul necesar arderii. Gazele de ardere parcurg focarul şi apoi trec în al doilea drum al gazelor de ardere. Combustibilul, în cazul descris, este cărbunele pulverizat.

Din buncăr, prin alimentatoare, acesta ajunge în mori, în care este măcinat şi apoi insuflat în focar. Aerul de ardere este insuflat de ventilatoare. Gazele de ardere parcurg drumurile de gaze ale cazanului, datorită depresiunii create de ventilatoarele de gaze. Ele antrenează cenuşa zburatoare, care este reţinută în separatorul de cenusă.

În timpul funcţionării se menţine egalitatea între fluxul de masă de apă, care intră în cazan şi fluxul de masă de abur, care iese din cazan.

Simultan se menţine egalitatea între fluxul de căldură introdus în cazan cu combustibilul şi fluxul de căldură preluat de agentul termic. Orice abatere de la echilibrul dintre fluxurile de masă şi căldura, care intră în cazan şi cele care ies, duce la modificarea parametrilor de funcţionare.

Procesul de vaporizare[9]

Vaporizarea apei în cazan este strâns legată de fluxul de căldură, care trece prin peretele ţevilor vaporizatoare. Acesta este determinat de diferenţa de temperatură între peretele ţevii şi apa care circulă în interiorul ei, precum şi de rezistenţa faţă de schimbul termic global prin perete.

2.3. Clasificarea generatoarelor de abur

Clasificarea generatoarelor de abur se face în funcţie de diverse criterii astfel: În funcţie de gradul de mobilitate generatoarele de abur se împart în:

- generatoare de abur mobile (deplasabile) montate pe mijloace de locomoţie;- generatoare de abur fixe (stabile).

În funcţie de combustibilul folosit generatoarele de abur se împart în:- generatoare de abur pentru combustibili solizi;- generatoare de abur pentru combustibili lichizi;- generatoare de abur pentru combustibili gazoşi;- generatoare de abur pentru amestecuri de combustibili.

În funcţie de felul în care se furnizează căldura generatoarele de abur se împart:- generatoare de abur saturat;- generatoare de abur supraîncălzit;- cazane de apă fierbinte (CAF).

În funcţie de felul în care se dezvoltă căldura în focar generatoarele sunt:- generatoare de abur cu arderea combustibililor naturali;- generatoare de abur pentru arderea deşeurilor;- cazane recuperatoare (ce folosesc căldura reziduală de la alţi consumatori de

căldură: cuptoare);- cazane electrice ce folosesc energia electrică.

În funcţie de presiunea gazelor de ardere din focar, generatoarele de abur sunt:- generatoare de abur cu depresiune în focar (-20 Pa);- generatoare de abur cu suprapresiune mică în focar (+1...10 kPa);- generatoare de abur cu suprapresiune medie în focar (0,5...1,5 MPa)

În funcţie de utilizarea aburului sau a apei calde generatoarele de abur sunt:- cazane de încălzire, ce folosesc la încălzirea locuinţelor;- generatoare de abur industriale, ce folosesc la alimentarea cu abur a

consumatorilor industriali;- generatoare de abur energetice ce se folosesc împreună cu turbinele de abur la

producerea energiei electrice în CTE sau în CET cu producere simultană de energie electrică şi căldură.

[10]

În funcţie de configuraţia canalelor de circulaţie a gazelor de ardere, generatoarele de abur se împart în :

- generatoare de abur în formă de ;

- generatoare de abur în formă de U simplu sau dublu;- generatoare de abur în formă de T;- cazane turn;- generatoare de abur cu trei drumuri ;

În funcţie de volumul de apă generatoarele de abur se împart în:- generatoare de abur cu volum mare de apă (cazane ignitubulare, la care focul

circula prin ţevi şi apa în exteriorul ţevilor)- generatoare de abur cu volum mic de apă (cazane acvatubulare, la care apa

circula prin ţevi şi focul în exteriorul ţevilor)În funcţie de presiunea nominală generatoarele de abur se împart în:

- generatoare de abur cu presiune supracritică (cu presiune maximă > 225 bar)- generatoare de abur cu presiune subcritică (cu presiune maximă < 225 bar)

În funcţie de modul de circulaţie a fluidului de lucru în sistemul vaporizator generatoarele de abur se împart în:- generatoare de abur cu circulaţie naturală;- generatoare de abur cu circulaţie forţată multiplă;- generatoare de abur cu circulaţie forţată mică (străbatere forţată).

În România se fabrică generatoare de abur industriale cu debitul nominal de la 1 până la 50 t/h, cu presiunea nominală de la 0,5 până la 3,53 MPa şi cu temperatura nominală cuprinzând temperatura aburului saturat; cazane recuperatoare cu debitul nominal de la 2,6 pâna la 25,2 t/h, cu presiunea nominală de la 0,5 până la 4,31 MPa şi cu temperatura nominală cuprinzând 150, 240, 250 şi 450°C; generatoare de abur energetice cu debitul nominal de la 120 până la 1035 t/h, cu presiunea nominală de la 9,8 până la 19,2 Mpa şi cu temperatura nominală cuprinzând 535, 540 şi 570°C.

2.4. Combustibili utilizaţi la cazanele industriale

Prin combustibil se înţelege orice corp care poate arde.Combustibilii se pot clasifica după starea de agregare (solizi, lichizi, gazoşi) şi

după provenienţă (naturali şi artificiali).

[11]

În Tabelul I.1 sunt prezentaţi principalii combustibili.

Starea de agregare /

provenienţăSolizi Lichizi Gazoşi

Naturali

-lemn-şisturi

bituminoase-turbă-lignit

-cărbune brun-huilă

-antracit

ţiţei(petrol)

-gaze naturale(gaz metan)

-gaze de sondă

Artificiali

-cocs-semicocs

-deşeuri lemnoase-coji de seminţe

-celolignină

-păcură-combustibil-lichid uşor-motorină

gaze de:-furnal

-cocserie-gazogen-lichefiate

Tabelul I.1. Principalii combustibili folosiţi la cazane

2.5. Tipuri constructive de cazane de abur

2.5.1. Parametrii de bază şi indicii caracteristici ai cazanelor de abur

Prin parametri de bază ai cazanelor de abur se înţelege: debitul, presiunea şi temperatura fluidului de lucru apă-abur.

Prin debitul nominal de abur se înţelege debitul maxim de abur pe care cazanul trebuie să-l asigure, în mod continuu, la parametrii nominali ai aburului şi apei de alimentare. În afară de debitul nominal mai există debitul maxim (de vârf) sau minim (minim tehnic).

Presiunile caracteristice ale fluidului apă-abur sunt: presiunea apei de alimentare la intrarea în cazan (în economizor sau tambur, la cazanele fără economizor); presiunea aburului saturat în tambur şi presiunea nominală.

Prin presiune nominală (pn) se înţelege presiunea maximă admisibilă a aburului la ieşirea din cazan (supraîncălzitor) la debitul nominal şi temperatura nominală de

[12]

supraîncălzire a aburului.Prin presiunea maximă se înţelege presiunea maxim admisă în elementele

cazanului care se ia în considerare la calculul de rezistenţă al acestora.Temperatura nominală (tn) a aburului supraîncălzit, este temperatura aburului

supraîncălzit la ieşire din supraîncălzitorul de abur la presiunea nominală şi debitul nominal.

Indicii caracteristici generali ai cazanelor de abur sunt:a) randamentul cazanelor de abur care reprezintă raportul dintre cantitatea de

căldură produsă de cazan şi cea consumată; de regulă se exprimă în [%];b) consumul specific de energie pentru servicii proprii pentru: vehicularea

aerului necesar arderii şi a gazelor de ardere efectuată cu ventilatoare; vehicularea fluidului de lucru apă-abur cu pompe; alimenterea cu combustibil; evacuarea zgurei şi a cenuşei; se exprimă în [kWh kg abur]; prin scăderea consumului specific de energie pentru servicii proprii din căldura utilă produsă se obţine randamentul net al cazanului;

c) conţinutul specific de apă al sistemului vaporizator (fierbător) care reprezintă raportul dintre cantitatea de apă din sistemul vaporizator şi debitul nominal al cazanului şi se exprimă în [kgh kg]. După acest indice cazanele se împart în cazane cu volum mare de apă 3,5...10 kgh kg ) şi cu volum mic de apă (0,1...2 kgh kg ).

2.5.2. Descrierea principalelor tipuri de cazane după circulaţia apei

Cazanele de abur se împart în: cazane ignitubulare, cazane acvatubulare (ambele cu circulaţie naturală), cazane cu circulaţie forţată şi cazane speciale.

Cazane de abur cu circulaţie naturală Cazane cu ţevi de apă cu înclinare mare

La cazanele cu ţevi de apă cu înclinare mare, înclinarea ţevilor vaporizatorului faţă de orizontală este mai mare şi nu mai este limitată presiunea de funcţionare, ţevile fiind legate la tambure prin sudură, iar axele tamburelor sunt perpendiculare pe axele ţevilor. La presiuni mari, în vederea măririi presiunii active de circulaţie s-a crescut înălţimea sistemului vaporizator. Cazanele cu ţevi de apă cu înclinare mare se realizează cu vaporizator convectiv, vaporizator de radiaţie şi vaporizator mixt. La cazanele cu vaporizator convectiv cuplarea ţevilor vaporizatoare se poate face la unul sau la mai multe tambure.

În fig. I.1. [1] se prezintă schiţa unui cazan cu ţevi cu înclinare mare la vaporizatorul convectiv realizat cu trei tambure.

Pentru a se mări viteza gazelor de ardere în ţevile vaporizatorului convectiv s-au prevăzut pereţi despărţitori care formează în vaporizatorul convectiv trei drumuri de gaze de ardere. Cazanul are de asemenea prevăzut în focar vaporizator de radiaţie şi supraîncălzitor de radiaţie.

[13]

Fig. I.1. Cazan cu ţevi de apă cu înclinare mare cu 3 tamburea,b,c – ţeavă cu înclinare mare; d – ţeavă ecran; e – supraîncălzitor de radiaţie;

f – abur intrare supraîncălzitor de radiaţie; 1,2,3 – drumuri de gazede ardere în vaporizator tambur; 6 – feston.

Cazane cu circulaţie forţată a apeiLa presiuni mai ridicate de 180 bar se realizează o circulaţie fortaţă în cazane

prin pompare, cazanele fiind denumite cu circulaţie forţată. Acestea sunt de două feluri:a) cazane cu circulaţie forţată multiplă;b) cazane cu circulaţie forţată unică, denumite şi cazane cu străbatere forţată

a) Cazane cu circulaţie forţată multiplă

În aceste cazane, circulaţia apei este produsă de o pompă specială de recirculare, care aspiră apa din tamburul cazanului şi o refulează prin ţevile fierbătoare înapoi în tambur. Construcţia sistemului fierbător este asemănătoare cu cea a cazanului cu circulaţie naturală (cu ţevi cu înclinare mare de radiaţie) deosebindu-se de ultima prin multiplu de circulaţie mai mic şi prin viteză mai mare de circulaţie a apei şi al amestecului de apă-abur. Pompa de recirculare înlătură necesitatea unei anumite asezări a ţevilor fierbătoare şi a elementelor de legătură dintre acestea (colector, ţevi de cădere, ţevi de urcare) în vederea asigurării unei forţe ascensionale.

În fig. I.2. este prezentată schema unui cazan cu circulaţie forţată multiplă de tip La Monte [1]

[14]

Fig. I.2. Schema cazanului cu circulaţie forţată multiplă La Monta – economizor; b – vaporizator de radiaţie; c – supraîncălzitor; d – pompa de circulaţie;

e – conductă de alimentare cu apă; f – diafragmă delaminare; g – conductă de recirculare;

h – conductă de umplere cu apă a supraîncălzitorului

b) Cazane cu circulaţie forţată unicăLa cazanele cu străbatere forţată pompa de alimentare preia şi funcţia pompei de

circulaţie a fluidului din sistemul vaporizator. Fluidul de lucru parcurge în serie toate suprafeţele de schimb de căldură în vaporizator apa trecând o singură dată pentru vaporizare completă.

Caracteristic acestor cazane este lipsa tamburului, separarea aburului nemaifiind necesară. Lipsa tamburului face imposibilă purjarea şi ca urmare apa de alimentare trebuie să fie de calitate ireproşabilă, demineralizată, deoarece sărurile din apa de alimentare se depun în cazan.

Pentru a se evita accidentele datorită unei ape de alimentare necorespunzătoare, cazanul este prevăzut cu o suprafaţă finală de vaporizare convectivă “de sacrificiu” amplasată după supraîncălzitor numită “zonă de tranziţie” sau un tambur separator de picături care să permită purjarea. Deoarece nu se mai face separarea aburului din apă, cazanele cu străbatere forţată pot fi construite la orice presiuni subcritice şi supracritice. Ca urmare a dispariţiei tamburului scade sensibil rezerva de apă a cazanului şi ca urmare este necesară o automatizare perfecţionată.

Se deosebesc trei tipuri de cazane cu străbatere forţată: Cazanul Benson

În fig. I.3 este prezentată schema unui cazan cu circulaţie forţată de tip Benson [1]. Cazanul Benson este un cazan cu străbatere forţată, având drept caracteristică constructivă construcţia vaporizatorului de radiaţie realizat sub formă de pachete formate din ţevi legate în paralel la un colector inferior şi un colector superior. La primele construcţii pachetele de ţevi erau formate din ţevi drepte legate între ele prin

[15]

ţevi exterioare de diametre mari. Vaporizarea se termină în zona de tranziţie amplasată după supraîncăzitor.

Fig. I.3. Schema cazanului cu circulaţie forţată de tip Benson1- vaporizator de radiaţie; 2 - vaporizator de convecţie; 3 - supraîncălzitor;

4 - economizorul; 5 - pompa de alimentare; 6 - preîncălzitor de aer.

Rolul zonei de tranziţie este de a se încheia vaporizarea şi de a se depune eventualele săruri. Zona de tranziţie este amplasată la temperaturi ale gazelor de ardere mai coborâte pentru ca temperatura peretelui ţevii să nu crească excesiv în cazul murdăririi interioare ale ţevilor. La construcţiile actuale pachetele de ţevi verticale au fost înlocuite cu pachete de ţevi înclinate sau cu pachete de ţevi în meandre orizontale sau verticale. De asemenea, zona de tranziţie a fost înlocuită cu un tambur separator montat înpoziţie verticală. Pachetele cu ţevi înclinate sau în meandre s-au adoptat în vederea realizării circulaţiei în spirală a fluidului de lucru în vaporizatorul de radiaţie pentru uniformizarea fluxului primit de fiecare ţeavă în parte.

Cazanul RamzinCazanul Ramzin fig. I.4. [3] de construcţie sovietică este realizat din două

sisteme de ţevi cuplate în paralel care sunt înclinate la aproximativ 20° pe pereţii laterali şi orizontale pe peretele frontal şi posterior în acest fel ţevile cu diametre de

[16]

38…50 mm formează serpentine în spirală.

Fig. I.4. Schema cazanului Ramzin

Cazanul SulzerCaracteristica acestui cazan este că între colectorul de intrare a apei în

economizor şi ieşirea aburului din supraîncălzitor nu mai există colectoare, din această cauză cazanul mai poartă denumirea şi de cazan monotubular.

Între vaporizator şi supraîncălzitor cazanul are prevăzut un tambur separator de abur care permite şi purjarea eventualelor săruri ajunse în fluidul de lucru în caz de accidente.

În fig. I.5. este prezentată schema cazanului de tip Sulzer [3]. Ţevile vaporizatorului au diametre de 51…60 mm.

Cu cât debitul cazanului creşte cu atât creşte numărul serpentinelor montate în paralel; la debite de 8 t/h cazanul are o singură serpentină. Debitele la care s-au realizat aceste cazane sunt comparabile cu cele de la cazanele Benson.

O problemă specifică acestor cazane este reintroducerea apei din tamburul separator în circuitul principal.

[17]

Fig. I.5. Schema cazanului Sulzer1 – vaporizator; 2 – tambur separator; 3 – supraîncălzitor; 4 – economizor;

5 – pompă de alimentare; 6 – preîncălzitor de aer

Cazane speciale Cazanul Löffler

O particularitate a cazanului Löffler fig I.6. [3] este faptul că vaporizarea apei se realizează cu abur supraîncălzit, prin injecţia acestuia în tamburul cazanului în duze montate în lungul tamburului situat în afara cazanului. Aburul saturat produs este vehiculat de un compresor de abur prin supraîncălzitorul de radiaţie şi de convecţie. Din cantitatea de abur supraîncălzit o treime se trimite la consumator şi două treimi serveşte la vaporizare.

[18]

Fig. I.6. Schema cazanului Löffler:1 – tambur vaporizator; 2 – supraîncălzitor de radiaţie; 3 – supraîncălzitor de

convecţie; 4 – compresor de abur saturat; 5 – economizor;6 – preîncălzitor de aer; 7 – pompă de alimentare

2.6. Elemente constructive ale cazanelor de abur

2.6.1. Construcţia vaporizatoruluiVaporizatorul este format din tambur şi colectoare sau camere de apă.Construcţia tamburuluiPartea cilindrică a tamburului este formată din virole executate din tablă de oţel

prin sudare. Partea cilindrică are la extremităţi două funduri bombate executate prin forjare. Unul dintre funduri are gură de vizitare prin care se face controlul interior al tamburului. Fundul cu gură de vizitare este prevăzut cu capac pentru gura de vizitare.

Construcţia colectoarelor sau camerelor de apăColectoarele se realizează din ţevi trase găurite, în care se montează ştuţuri de

legătură la ţevi. După sudarea ştuţurilor cu o lungime de cca 250 mm şi a capacelor plane sau bombate, colectoarele se tratează termic pentru detensionare.

Camerele de apă pentru cazanele secţionale se construiesc prin forjare. Pentru introducerea şi scoaterea ţevilor, camerele de apă sunt prevăzute cu capace metalice .

2.6.2. Construcţia supraîncălzitoruluiSupraîncălzitorul are rolul de a ridica temperatura fluidului de lucru de la

temperatura de saturaţie la temperatura nominală (la supraîncălzitorul de bază) sau ridicarea temperaturii aburului de la temperatura de ieşire din corpul de înaltă presiune

[19]

la temperatura de intrare în corpul de medie presiune (supraîncălzitorul intermediar). Din punct de vedere constructiv supraîncălzitoarele sunt de trei tipuri: supraîncălzitoare de radiaţie, supraîncălzitoare convective, supraîncălzitoare de semiradiaţie (paravan).

Fig. I.7. Curgerea relativă a fluidelor în supraîncălzitoarele de abur

a - în echicurent; b - în dublu contracurent; c - în contracurent; d - în curent mixt

Supraîncălzitoarele convective sunt de două feluri: cu serpentine cu ţevi verticale şi cu serpentine cu ţevi orizontale. Din punct de vedere al circulaţiei relative gaze de ardere – fluid de lucru, supraîncălzitoarele pot fi schimbătoare de căldură în echicurent, contracurent sau mixte. În fig.I.7. [7] se prezintă circulaţia relativă a fluidelor în supraîncălzitoarele de abur. În funcţie de debitul de abur ce trece prin supraîncălzitor, acesta se poate realiza cu serpentină simplă, dublă sau triplă, aşa cum se vede în fig.I.8. [7]

Serpentinele supraîncălzitorului convectiv trebuie susţinute pe suporturi răcite sau nerăcite. Suporturile se amplasează pe ţevi răcite cu aburul care se supraîncălzeşte. Susţinerea supraîncălzitoarelor convective cu serpentine cu ţevi verticale se face pe suporturi pieptene din oţeluri refractare susţinute de ţevi de răcire.

[20]

Fig. I.8. Supraîncălzitor convectiv

a - cu serpentină simplă; b - cu serpentină dublă; c - cu serpentină triplă

Supraîncălzitoare de radiaţie primesc căldura prin radiaţie de la flacără în focar. Sunt formate din colectoare şi ţevi ca şi vaporizatoarele de radiaţie cu menţiunea că diametrul ţevilor este mai redus (32…38 mm). Pentru o răcire bună, vitezele aburului trebuie să fie mai ridicate decât în supraîncălzitoarele convective. În caz că prin circulaţia aburului într-un singur drum nu se asigură viteza necesară pentru răcire, se folosesc supraîncălzitoare cu mai multe drumuri, acestea realizându-se prin capace montate în interiorul colectoarelor de abur. Amplasarea ţevilor pe peretele focarului se poate face în exclusivitate sau împreună cu ţevile vaporizatorului de radiaţie. În cazul când supraîncălzitorul este instalat în exclusivitate, ţevile sale se amplasează ca în fig. I.9. [7]

Fig. I.9. Amplasarea ţevilor la supraîncălzitoarele de radiaţie afaţă de cele ale sistemului vaporizator de radiaţie b

[21]

Supraîncălzitoare de semiradiaţie (paravan) sunt amplasate în partea superioară a focarului fiind suspendate sub formă de paravane. Acestea sunt construite din ţevi sub formă de meandre orizontale sau verticale, distanţa dintre panouri fiind de 0,5…2 m, gazele de ardere circulând printre panouri.

Folosirea acestor supraîncălzitoare este avantajoasă în special la combustibili cu cenuşă cu tendinţe de depunere.

2.6.3. Construcţia economizoarelorEconomizoarele au rolul de a ridica temperatura apei de la temperatura apei de

alimentare până aproape de temperatura de saturaţie, scăzând astfel entalpia gazelor de ardere şi mărind economicitatea cazanului.

Economizoarele cu tuburi de fontă drepte cu nervuri pătrate sau circulare se folosesc la cazane cu presiuni relativ scăzute la care tratarea apei de alimentare este mai sumară. Realizarea serpentinelor se face prin cuplarea tuburilor de fontă drepte cu coturi asamblate cu şuruburi şi garnituri (etanşare discutabilă).

Aripioarele măresc suprafaţa de schimb de căldură şi compactează economizorul.

La murdărirea interioară, se scot coturile de legătură şi ţevile drepte se pot curăţa mecanic.

Economizoarele cu tuburi de oţel sunt construite din două colectoare (de intrare şi ieşire) la care se cuplează în paralel mai multe serpentine ca şi la supraîncălzitoarele convective.

Fig. I.10. Economizor cu tuburi de fontă cu aripioare

[22]

Fig. I.11.. Schema unui economizor cu tuburile de oţel şi curgere descendentă a gazelor de arder

2.6.4. Construcţia preîncălzitoarelor de aer Sunt schimbătoarele de căldură finale ale cazanelor de abur. Preîncălzitoarele de

aer realizează preîncălzirea aerului până la o temperatură impusă de calitatea combustibilului care se arde în focar realizând reducerea temperaturii gazelor de ardere până la temperatura de evacuare la coş. Preîncălzitorul de aer realizează recircularea unei cantităţi de căldură de la evacuare în focar, îmbunătăţind procesul de ardere şi ridicând entalpia şi temperatura gazelor de ardere în focar. Din punct de vedere funcţional preîncălzitoarele de aer sunt recuperative (la care schimbul de căldură de la gazele de ardere la aer se realizează continuu) şi regenerative la care acest schimb de căldură se realizează intermitent. La aceste preîncălzitoare de aer căldura se cedează de la gazele de ardere la o umplutură solidă (metalică sau ceramică) şi de la aceasta la aer.

Preîncălzitoare de aer recuperative sunt, în funcţie de construcţie, de mai multe feluri: preîncălzitoare de aer cu tuburi de fontă, preîncălzitoare cu plăci de oţel (buzunare) şi preîncălzitoare de aer tubulare.

Preîncălzitoare de aer cu tuburi de fontă sunt folosite şi la cuptoarele de încălzire sub denumirea de recuperatoare de căldură. Sunt formate din tuburi de fontă de secţiune eliptică cu nervuri sau ace, fie pe faţa exterioară, fie pe ambele feţe.

[23]

Preîncălzitoare de aer cu plăci de oţel (buzunare) sunt formate din plăci de oţel ambutisate şi sudate două câte două formând un fel de buzunar. Preîncălzitorul este simplude executat însă are ca dezavantaje deformarea tablelor şi ruperea sudurilor în timpul exploatării. De asemenea, prin găurile de trecere ale buloanelor de strângere a buzunarelor trece şi aerul din preîncălzitor în gazele.

Fig. I.12. Preîncălzitor de aer cu plăci (buzunare)

[24]

Bibliografie

1. ̂ Academia Republicii Populare Române, Dicţionar Enciclopedic Român, Editura Politică, Bucureşti, 1962-1964

2. ^ a b Răduleţ, R. şi colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, Bucureşti, 1957-1966.

3. ̂ Mollier, R. Neue Diagramme zur Technischen Wärmelehre, Springer Verlag, Berlin, 1904

4. ̂ Vukalovici, M. P. Tabliţî termodinamiceskih svoistv vodu i vodianogo para, Ed Moskva, Leningrad, 1963

5. ̂ Schmidt, E. Technische Termodynamik, Springer Verlag, Berlin, 19756. ^ a b Properties of Water and Steam in SI-Units. Thermodynamische

Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf, 0 - 800 °C, 0 - 1000 bar, Springer Verlag, Berlin, 1981. ISBN 3-540-09601-9, ISBN 0-387-09601-9

7. ̂ Mollier h,s-Diagram for Water and Steam, Springer Verlag, Berlin 1998. ISBN 3-540-64375-3

8. ̂ Theil, H. Termotehnică şi maşini termice, Litografia Institulului Politehnic Timişoara, 1972.

9. ̂ Vlădea, I. Tratat de termodinamică tehnică şi transmiterea căldurii, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974

10. ̂ Creţa, G. Turbine cu abur şi cu gaze, Editura Tehnică, 1996, ISBN 973-31-0965-7

[25]