Текстовая версия. Смотреть видео.
🔥ПОЧЕМУ ПАР?
Пар, паровые котлы. О чем речь в 2024-м? Это же пережиток прошлого и давно уже на пару никто не ходит, а топливо и воду подогреть можно электронагревателем или греющим контуром терм масляного котла. Давай так, если ты к чему-то логически не можешь прийти и не можешь чего-то понять - запомни, дело в деньгах. И в случае с котлами тоже. В нашу современность смысл любого проекта - его экономическая целесообразность. Невыгодные проекты дальше бумаги не идут, за это некому платить.
Электрический нагреватель (Рисунок 2) оправдан, если на протяжении всего срока эксплуатации судна затраты на электроэнергию для него значительно не превысят затраты на установку хоть какого-либо котла. Вот смотри, если на горизонте планирования 20 лет электрический нагреватель бытовой воды скушает энергии на 30 тысяч Американских рублей, а маленький термомасляный котел стоит 28 тысяч, скорее всего будет поставлен электрический нагреватель, так как практически не требует обслуживания, а любая проблема решается заменой ТЭНов и квалификация персонала для этого нужна около нулевая. Но, если такой котел имеет дополнительную поверхность нагрева в виде утилизационного котла, расчет экономичности в корне изменится, так как если работает главный двигатель, то теплоноситель котла греется уходящими выпускными газами главного двигателя, дополнительного сжигания топлива не требуется. Это меняет ситуацию. Современные крупно и средне тоннажные суда подобные системы утилизации тепла имеют в обязательном порядке, просто потому , что это выгодно. Даже концепты экологически и экономически сверхновых платформ такими системами оснащены.
Я уже писал про концепт "Квантум".
Котёл нужен, в подавляющем большинстве случаев, с этим определились. С другой стороны, есть вопросы к типу теплоносителя. Почему пар, а не масло? Масло практичнее. Система получается компактнее, отпадают приколы с режимом водо обработки. Нет воды - нет режима, анализов, продувки, нужды в человеке со специфическими знаниями, которому заработную плату нужно обеспечить. Ну, во первых, если на судне реализована система глубокой утилизации тепла и имеется паровая турбина, она на масле работать не будет. Во вторых, представь, что судно у тебя большое и пар для подогрева чего угодно нужно подать в большой теплообменник на отдалении метров 200 от котла? Масло - это не вода, судовладелец разорится на теплоносителе. Есть еще нюансы с температурой и теплоемкостями воды и теплоносителя масляного котла, но об этом мы поговорим в главе «водообработка».Пар практичнее. В общем, вода и пар с современного флота никуда не делись, они работают и делают это хорошо.
🔥КЛАССИФИКАЦИЯ
Начнем с самого простого. По способу организации рабочего процесса можно выявить две базовые группы котлов: огнетрубные и водотрубные. Есть и комбинированные варианты, а финальная схема всегда зависит от технического задания, поставленного перед конструкторами.
Если вода в трубах, а горячие газы снаружи - котел водотрубный (Рисунок 4), а если наоборот - газотрубный или огнетрубный (Рисунок 1).
Главный или вспомогательный?
Вот в чем вопрос. Запомни, главная силовая установка - та, что работает на гребной винт или на гребные электродвигатели (ГЭДы). Все остальное - вспомогательные механизмы. Котел дает пар для главного турбозубчатого агрегата (Рисунок 5) - он главный, если гребной вал вращается поршневым ДВС, сколько бы ни было котлов на этом судне - все они вспомогательные, так как прямого участия в движении судна не принимают. Но тут есть одно «НО».
Может быть схема так называемой полуторной паровой установки: один главный и один вспомогательный котлы, соединенные в общую схему. Вспомогательный может обеспечить на определенном уровне главную турбину паром в случае поломки главного котла и он же дает пар для вспомогательных механизмов на стоянке в порту. Но и тут, главный есть главный, а все остальное - вспомогательное.
Вертикальный или горизонтальный?
Это довольно условное разделение, так как четкой границы, на которой заканчиваются вертикальные котлы и начинаются котлы горизонтальные нет. Считается, что при наклоне труб к горизонту до 30-35 градусов котел является горизонтальным (Рисунок 7), а если угол наклона превышает 45 градусов - котел уже относится к вертикальному (Рисунок 6). Где-то тут потерялась десяточка градусов. При проектировании котлов конструкторы не следуют геометрическим правилам и не придерживаются строго одного направления, а делают котел, соответствующий техническому заданию. А как там будут проходить в итоге трубы - не важно.
Зачем тебе это знать? Большая часть котлов, с которым тебе предстоит работать относятся к котлам с естественной циркуляцией, то есть циркуляция воды через теплообменные поверхности происходит исключительно за счет разности плотностей воды. Вода нагревается в трубах, расстояние между молекулами воды увеличивается, плотность воды снижается и такая вода, как менее плотная, поднимается вверх, при этом, при остывании плотность воды повышается и она опускается вниз. Так и организована естественная циркуляция воды в котле. Воде тем легче подниматься наверх чем вертикальнее труба, в которой она находится. При конфигурации как на Рисунке 7.1 теплообменной поверхности вероятность возникновения паровых мешков и перегрева труб с последующей аварией стремится к 100 процентам.
Чтобы подобной конфигурации котел верой и правдой служил долгие годы нужен циркуляционный насос. Котёл, соответственно, будет уже с принудительной циркуляцией. То есть, если ты видишь вот такой конфигурации теплообменную поверхность, знай, насос точно есть. Но есть и исключения, ты увидишь.
В каких еще случаях может понадобится принудительная циркуляция?
Как я и говорил пару минут назад, естественная циркуляция возможна только при разнице плотностей воды в разных зонах котла. Смотри Рисунок 8. В трубах 3 вода греется горячими газами и поднимается вверх, а вот трубы 4 газами не омываются, они заведомо более холодные и вода в них опускается вниз. Кстати, трубы 3, по которым вода поднимается вверх, называются, сюрприз сюрприз, подъемными (Risers), а трубы 4, соответственно, опускными (Down comers).
А что произойдет, если разность плотностей практически исчезнет? Представь… Что случится? Да, естественная циркуляция воды станет невозможной. Нет циркуляции - перегрев воды - образование паровых мешков - перегрев трубы - авария.
Такой расклад возможен при достижении критического давления в котле, что равно 225 килограммам на квадратный сантиметр. Вода и пар в котле настолько сильно сжаты, что практически пропадает разность в плотности не только в разных заполненных водой участках котла, но и между водой и паром. Котел с такими параметрами без насоса работать не будет, или будет, но очень недолго. Явление прекращения циркуляции в котле называется опрокидыванием циркуляции. В реальной жизни до подобного состояния котел еще нужно умудриться довести, а если получилось - нивелирование риска серьезной аварии требует знаний, опыта и высокой координации всех членов машинной команды, так как в одиночку ты просто ничего сделать не успеешь. Опрокинуть циркуляцию можно не только достижением критического давления, что для вспомогательных котлов просто недостижимо, но и другими «методами», об этом позже.
Есть еще одна причина для установки циркуляционного насоса - диаметр труб котла. С точки зрения эффективности теплообмена трубы котла должны иметь как можно меньшую толщину стенки и как можно меньший диаметр. При этих условиях в горячую зону можно поместить больше этих самых труб, максимизировав тем самым площадь теплообмена, максимально эффективно используя предоставленный объем.
И если с толщиной стенки вопрос решается довольно сурово исходя из расчетов прочности, то вот над диаметром можно подумать. Если взять два одинаковых котла, спроектированных на работу с естественной циркуляцией и постепенно на одном из них увеличивать количество труб и снижать их диаметр, то в один момент начнутся проблемы с естественной циркуляцией. Почему? Чем меньше диаметр трубы - тем выше сопротивление потоку воды в ней, тем ниже скорость протока при одинаковых условиях. Вот поэтому, при проектировании котла, если техническое задание выглядит как - «парогенератор максимально возможной мощности при минимально возможном занимаемом пространстве», насос скорее всего будет, так как конструкторы будут в невероятно маленькую топку запихивать теплообменную поверхность максимальной площади, а сверху еще и приделают систему газо турбо наддува.
Теперь пару слов по исключению из правил, на тему необходимости установки циркуляционного насоса в случае если поверхность теплообмена выглядит вот так. Вот тебе схема утилизационного котла от МАН для главного двигателя МАН (Рисунок 10. Котел устанавливается вертикально). Тут цельнотянутая змея со сплошным практически горизонтальным участком теплообмена. И ни одного насоса. Может, он как-то удачно установлен? Нет, вот тебе схема МКО, этот утиль в самом верху стоит. И ничего, не выходит из строя. Оставлю немного интриги до следующего видео, в котором разберем несколько конструкций паровых котлов, чтобы ты бодренько ориентировался в арматуре, компоновке и мог объяснять что и почему.
Откуда взята информация для этого видео?
Учебник Лысенко от 1975-го года: главы первая, вторая, шестая, и инструкции с существующих судов. Староват учебник? Нет. Смотри. Открываем страницу 93 этого учебника и видим изображение котла типа ВЭ ИКС. Ничего не напоминает? А если так? Это учебник 1975-го года, а это мануал судна 2013-го года постройки, а это 2017-го. Тут даже производители разные, а схема используется та-же.
Источники.
В библиотеку можно попасть по ЭТОЙ ссылке. Библиотека - это закрытый канал и нужно на него подписаться, чтобы иметь доступ к книгам.
А ЭТА ссылка ведет к учебнику Лысенко по паровым котлам.
В заключении этого вводного видео скажу пару слов по организации. Эти видео будут выходить только в ВК и на Дзен. Я залью их на Ютуб, но с закрытым доступом и только для контроля авторского права. Специально для студентиков я сделал еще один закрытый чат, в котором постараюсь с небольшой высоты прочтенной технической литературы ответить на вопросы по теме обучающих видео. Он ПЛАТНЫЙ, но денег стоит не космических, примерно стаканчик кофе в месяц. Сделано это для придания проекту какого-то смысла, так как времени за изучением и разработкой материала я провожу очень много. Присоединяйся и обучайся. Увидимся.