prvi seminarski rad

Fakultet inženjerskih nauka

Naziv studijskog programa: Mašinsko inženjerstvo

Nivo studija: Master akademske studije

Modul: Energetika i procesna tehnika

Predmet: Istraživački rad u mašinstvu

Broj indeksa: 341/2011

Petar Ž. Miladinović

Parni kotlovi Prvi seminarski rad

Mentor: prof. dr Slavko Arsovski

Asistent: Dragan Cvetković

SADRŽAJ

UVOD .................................................................................................... 2

1. Istorijski razvoj parnog kotla ................................................... 3

2. Princip rada parnog kotla......................................................... 8

2.1. Klasifikacija kotlova .............................................................. 9

3. Novi materijali za kotlove – novi izazovi za inženjere...........15

ZAKLJUČAK .....................................................................................16

LITERATURA....................................................................................17

Prvi seminarski rad Petar Miladinović ______________________________________________________________________

1

UNIVERZITET U KRAGUJEVCU

FAKULTET INŽENJERSKIH NAUKA

KRAGUJEVAC

ISTRAŽIVAČKI RAD U MAŠINSTVU

- 1. Seminarski rad -

Za kandidata: Petar Miladinović 341/2011

U okviru seminarskog rada kandidat treba da razmotri:

(1) istorijat razvoja mašinstva u oblasti Parni kotlovi;

(2) opiše state of art u predmetnoj oblasti i

(3) ukaže na pravce daljih istraživanja.

U Kragujevcu,

februar, 2012. god.

Predmetni nastavnik

___________________________

Prof. dr Slavko Arsovski


2

UVOD

Parni kotao u izvornom značenju predstavlja objekat u kome se toplotna energija, dobijena sagorevanjem organskih goriva, posredstvom grejnih površina prenosi na radni fluid, koji u njemu isparava i čija se para pregreva do odredjene temperature. Ovaj naziv potiče od Džemsa Vata, iz vremena kada je vodena para počela da se koristi za proizvodnju mehaničke energije.

Obzirom na temu ovog seminarskog rada, potrebno je:

Dati istorijski razvoj parnog kotla;

Prikazati princip rada parnog kotla;

Predstaviti nove materijale za kotlove.


3

1. Istorijski razvoj parnog kotla

Preteča parnog kotla je parna mašina. Heron iz Aleksandrije je napravio prvu parnu mašinu, eolipil, u prvom veku nove ere. Rad mašine je bio jednostavan, voda u postolju je zagrevana do pretvaranja u paru. Para je zatim dolazila u šuplju kuglu preko cevi-nosača i izlazila kroz savijene cevčice, vrteći kuglu.[1]

Slične sprave su ponekad korišćene za otvaranja vrata hramova bez ljudske intervencije, da se impresioniraju vernici. Heronova mašina je jedan od ranih primera rotacionih parnih mašina, od kojih su mnogi prototipovi izrađeni kroz vekove.

Sl. 1. Heronova parna mašina

Denis Papen (Denis Papin) i Tomas Saveri (Thomas Savery) su bili nastavljači razvoja, posle duge pauze. Saveri je 1698. napravio parnu mašinu - pumpu koja je radila na principu kondenzacije pare, stvarajući vakuum koji je "usisavao" vodu.

Nekoliko njegovih mašina je praktično korišćeno, uprkos veoma slabom stepenu iskorišćenja.

Tek je Tomas Njukomen (Thomas Newcomen) 1712. uspeo da stvori mašinu koja je počela nešto više da se koristi, pogotovo za pumpanje vode iz rudnika.


4

Iskoristljivost je i dalje bila slaba. Mašina je nazivana "atmosferska" zato jer je pritisak atmosfere vršio koristan rad kad klip ide dole.[1]

Rad Njukomenove parne mašine:

Sa klipom u donjem položaju, otvara se ventil koji pušta paru u cilindar.

Klip se podiže, uglavnom pod dejstvom težine utega (na levoj strani crteža).

Kad je klip pri vrhu, zatvara se dovod pare.

Da bi se stvorio podpritisak ispod klipa, hladna voda se uštrcava u cilindar. To odmah dovodi do kondenzacije vodene pare i stvara se vakuum u cilindru.

Atmosferski pritisak sad potiskuje klip nadole.

Ventil za hladnu vodu se isključuje u podesnom trenutku. Ciklus se ponavlja.

Kako vidimo, koristan rad vrši atmosferski pritisak, potiskujući klip u vakuum nastao kondenzacijom pare. Zato se ovakva mašina ponekad naziva atmosferskom.

U prvim verzijama Njukomenove mašine, ventili su otvarani i zatvarani ručno u toku ciklusa. Postoji priča da je dečak koji je bio zaposlen da upravlja ventilima, sam došao na zamisao da poveže ventile sa "klackalicom" na vrhu mašine i tako automatizuje proces. Bilo kako bilo, kasnije Njukomenove mašine su imale sistem poluga koje su automatski otvarale i zatvarale ventile u pogodnom trenutku.

Sl .2. Njukomenova "atmosferska" mašina


5

Idući veliki skok u razvoju je bilo uvođenje mašina koje je konstruisao Džejms Vat (James Watt).[1]

Pažljivim posmatranjem i analiziranjem Njukomenove mašine, Vat je uspeo da poveća stepen iskoristljivosti 4 puta, dodajući kondenzator pare, efikasniji bojler sa toplotnom izolacijom i drugo. Kondenzator je omogućavao da se vruća para pomešana s vodom ponovo doda u cilindar, pa su gubici energije drastično smanjeni. Ipak i Vatova mašina je koristila nizak pritisak i kondenzaciju pare da stvori vakuum za rad.

Vat je bio izričito protiv mašina s visokim pritiskom, smatrajući ih opasnima (zbog čestih eksplozija kotlova koji nisu imali sigurnosne ventile).

Sl. 3. Vatova "atmosferska" mašina, kraj 18. veka

Posle 1800, Ričard Trevitik (Richard Trevithick) i drugi su počeli da razvijaju parne mašine visokog pritiska i male mase za pogon vozova.

Tendencija ka sve većim pritiscima pare a zatim i stepenovanje ("kompaunding") su bile odlike daljeg razvoja. U "kompaund" motorima para je prolazila kroz nekoliko cilindara sve većeg prečnika, da bi se podigao stepen iskorišćenja.

Krajem 19. vijeka stapni (klipni) parni motori su dostigli vrhunac. Dalji razvoj parnih mašina je krenuo u pravcu parnih turbina, dok su klipne mašine praktično nestale.


6

Sl. 4. Kompaund (stepenovana) parna klipna mašina

Parna (klipna) mašina, ili parni stroj (parostroj) predstavlja motor koji transformi-še toplotnu energiju vodene pare u mehanički rad, najčešće rotaciono kretanje.[1]

Spada u grupu klipnih toplotnih motora.

Parne mašine su se koristile kao pogon pumpi, lokomotiva, parobroda i parnih traktora, te su bile temelj industrijske revolucije.

Mašina treba kotao u kojem se do ključanja zagrejava voda koja će se pretvoriti u paru pod pritiskom. Bilo koji izvor toplote može tome poslužiti, ali je najčešće gorivo u obliku drva, uglja i raznih derivata nafte. Para se širi i djeluje na stap (klip) čije dalje pokretanje okreće točak ili drugi deo mašine.

Sl. 5. Parna mašina u radu (19. vek)


7

Radom ove parne mašine praktično je dokazana mogućnost pretvaranja toplotne energije u mehanički rad. Sve veća potreba za vodenom parom, usavršavanje parnih mašina, kao i pojava parnih turbina uticalo je na razvoj kotlova te se i dolazi do savremenih konstruktivnih rešenja i visokog stepena iskorišćenja.


8

2. Princip rada parnog kotla

Tokovi svih materija koji učestvuju u proizvodnji pare u kotlovima nazivaju se traktovima. Delovi pojedinih traktova zavise od vrste goriva, sistema sagorevanja i organizacije strujanja vode pri njenom isparavanju. Način dovođenja goriva u kotao zavisi od vrste goriva i primenjenog sistema sagorevanja. Kod kotlova koji sagorevaju ugalj, goriva u sprašenom stanju se sa zagrejanim vazduhom (aerosmeša) dovodi u ložište u kome ta smeša sagoreva. Ložište parnog kotla predstvalja prostor u kome se hemijska energija fosilnog goriva pretvara u toplotnu energiju dimnih gasova (gasovitih produkata sagorevanja). Dimni gasovi struje kroz gasni trakt kotla, koga čine ložište, horizontalni međukanal i konektivni kanal, pa se kroz dimni kanal pomoću ventilatora posredstvom dimnjaka izbacuju u atmosferu. Ispred ventilatora za dimne gasove postavlja se otprašivač (elektrofilter) za izdvajanje letećeg pepela iz struje gasova.[2]

Sl. 6. Parni kotao

U gasnim kanalima postavljeni su razmenjivači toplote u kojima se odvijaju procesi zagrevanja i isparavnja vode, kao i pregrevanja pare i koji se kod parnog kotla nazivaju grejnim površinama.

Prva grejna površina u vodeno-parnom traktu je za grejač vode u koga se voda dovodi napojnom pumpom preko ulaznog kolektora. Razmena toplote između dimnih gasova i vode vrši se prinudnom konvekcijom, tako što dimni gasovi struje između, a voda kroz cevi zagrejača. Voda se u zagrejaču zagreva približno do stanja ključanja, a


9

zatim odvodi u isparivač parnog kotla. Isparivači parnog kolta se razlikuju po sistemu strujanja mešavine vode i pare u njima. Isparivači u kojima voda kruži nazivaju se isparivači sa cirkulacijom, koja može biti prirodna i prinudna, dok su isparivači u kojima voda isparava u jednom prolazu protočni.

Sl. 7. Toplotna šema generatora pare

Vazduh za sagorevanje može da se dovodi neposredno iz okoline (nezagrejan), ali se mnogo češće zagreva. Ventilatorom za svež vazduh on se potiskuje kroz zagrejač vazduha u kome se zagreva do određene temperature, a zatim odvodi u ložište. Čvrsti ostaci sagorevanja, koji potiču od mineralnih materija iz goriva dele se na dva dela. Jedan u obliku šljake ostaje u ložištu i preko sistema odšljakivanja se izbacuje iz njega, a drugi kao leteći pepeo napušta ložište sa gasovima i odvaja se u elektrofilteru.[2]

2.1. Klasifikacija kotlova

Parni kotlovi su po svojoj koncepciji, nameni, veličini, parametrima i nizu drugih karakteristika tako različiti da se mogu klasifikovati na mnogo načina. Medjutim, pri današnjem razvoju kotlogradnje i s obzirom na veoma veliki broj tipova konstrukcija, sve klasifikacije kotlova treba prihvatiti sa određenom rezervom. Sa druge strane, klasifikovanje kotlova može donekle da olakša praćenje razvoja kotlogradnje.[3]

Kotlovi mogu da se podele po pokretljivosti, nameni, zapremini vode koju sadrže, sistemu cirkulacije u isparivaču, hronološkom razvoju, konstruktivnim osobinama itd.

Prema pokretljivosti, kotlovi mogu da se podele na:


10

stabilne i

pokretne. Stabilni kotlovi su oni koji se nalaze u raznim energetskim i industrijskim

objektima bez obzira na njihovu funkciju u proizvodnom ciklusu, tj. na stalnom određenom mestu.

Pokretni kotlovi menjaju svoju lokaciju i primenjuju se u različite svrhe. Nalaze se na transportnim sredstvima (npr. na brodovima kao glavni pomoćni) i u pokretnim termoblokovima osposobljenim za drumski ili železnički transport.

Prema nameni, kotlovi se mogu podeliti na 4 osnovne grupe i to su:

energetski,

industrijski,

toplifikacioni,

kotlovi utilizatori. Energetski kotlovi su jedan od posrednika u pretvaranju hemijske energije

fosilnog goriva u električnu energiju. Oni su najveći po jediničnoj snazi, odnosno kapacitetu (produkciji pare), a po ukupnoj instalisanoj snazi nadmašuju ukupnu snagu svih ostalih kotlova. U energetske kotlove spadaju i oni, koji proizvode paru u postrojenjima za kombinovanu proizvodnju električne i toplotne energije, tzv. termoelektranama – toplanama.

Sl. 8. Generator pare ložen tekućim gorivom (loživim uljem)

Kapacitet 1065 t/h, pritisak 193 bar, temperatura 545ºC


11

Industrijski kotlovi služe za snabdevanje raznih tehnoloških procesa parom, a često i za proizvodnju električne energije po sredstvom turbina sa protivpritiskom ili kondenzacionih turbina sa regulisanim oduzimanjem pare. Postrojenja za proizvodnju električne energije i tehnološke pare za potrebe industrije, nazivaju se industrijske energane.

Sl. 9. Generatori pare loženi komunalnim otpadom

Toplifikacioni kotlovi služe za proizvodnju pare ili zagrejane vode u cilju grejanja i proizvodnje sanitarne tople vode za stambene zgrade, blokove ili čitava naselja, u postrojenjima koja se nazivaju toplane. S obzirom na malu energetsku iskorišćenost primarne energije, ovakva postrojenja treba smatrati privremenim rešenjima, koja treba što pre zameniti termoelektranama – toplanama.

Kotlovi utilizatori namanjeni su za korišćenje otpadne toplotne energije, tj. potpuno ili delimično sagorelih produkata sagorevanja iz procesa u industriji, petrohemiji, crnoj i obojenoj metalurgiji itd. Poznati su kotlovi koji se postavljaju iza Simens - Martinovih peći i konvertora u železarama, i za peći za prženje pirita i cinkove rude i dr. S obzirom da je raspoloživa količina otpadne toplote vremenski neujednačena, kotlovi utilizatori se ponekad snabdevaju i sopstvenim ložištem, kako bi mogli da zadovolje konstantne potrebe za parom. Osim industrijskih, postoje i brodski kotlovi utilizatori, koji povećavaju stepen korisnosti mašinskog kompleksa broda korišćenjem otpadne toplote izduvnih gasova glavnog brodskog motora.


12

Sl. 10. Generator pare na izduvne gasove iz gasne turbine (utilizator)

Prinudna cirkulacija, kapacitet: 86 MW, pritisak 50 bar, temperatura 510ºC

Prema zapremini vode koju sadrže po jedinici kapaciteta ili grejne površine, kotlovi se mogu podeliti na 2 velike grupe:

kotlove sa velikom vodenom zapreminom Proizvodnja pare kotlova sa velikim sadržajem vode iznosi od 15 do 30 kg/m²h

(zagrevne površine).

kotlove sa malom vodenom zapreminom. Proizvodnja pare kotlova sa malim sadržajem vode iznosi od 30 – 100 kg/m²h.

[4]


13

Sl. 11. Parni kotao SULZER 1000/186

Prema sistemu cirkulacije radnog medijuma kotlovi se dele na:

parne kotlove sa prirodnom cirkulacijom,

parne kotlove sa prinudnom cirkulacijom,

protočne parne kotlove. Prema konstruktivnom obliku parne kotlove delimo na:

obične valjkaste kotlove,

kotlove sa plamenim cevima,

kotlove sa grejnim cevima,

kombinovane kotlove,

kotlove sa vodogrejnim cevima,

ekranisane kotlove,

kotlove posebnih konstrukcija,

kotlove grejane el.energijom. Navedeni sistemi parnih kotlova dele se na različite tipove.

Prema nameni i načinu ugradnje,parne kotlove delimo na:


14

stabilne,

polustabilne,

pokretne. Prema veličini pritiska u kotlu, parne kotlove delimo na:

kotlove najnižeg pritiska od 1.5 - 6 bar,

kotlove niskog pritiska od 6 - 25 bar,

kotlove srednjeg pritiska od 25 -64 bar,

kotlove visokog pritiska od 64 - 125 bar,

kotlove najvišeg - do kritičnog pritiska od 125 – 222 bar,

kotlove sa nadkritičnim pritiskom od 222 – 360 bar.


15

3. Novi materijali za kotlove – novi izazovi za inženjere

U proteklih desetak godina prisutni su brojni novi materijali u kotlovskoj industriji predviđeni za rad na visokim temperaturama. Za sve kotlovske materijale je značajno da bi trebalo da se odlikuju dobrim osobinama vezanim za prenos toplote, dobrom otpornosti na oksidaciju, koroziju, puzanje, termički šok, termički zamor, ljuspanje, itd., pored zadovoljavajućih mehaničkih osobina. Povećanje parametara pare u ciklusu zahteva primenu novih savremenih materijala. Materijali za cevi pregrejača i međupregrejača pare treba da se odlikuju i velikom otpornošću na koroziju sa gasne strane i oksidaciju sa parne strane.[5]

Efikasnost konvencionalnih kotlova / parnih turbina termoenergetskih postrojenja na fosilna goriva je funkcija radnih parametara pare – temperature i pritiska. Još od energetske krize 70-tih godina prošloga veka, istraživanja širom sveta su bila usmerena na povećanje efikasnosti rada termoenergetskih postrojenja. Neophodnost smanjenja emisije ugljendioksida i čuvanje rezervi goriva su doveli do, širom sveta, razvoja novih, savremenih termoenergetskih postrojenja sa velikim koeficijentom efikasnosti. Međutim, značajan porast efikasnosti može da se ostvari samo ako se povećaju parametri pare, što je zahtevalo razvoj i primenu novih, savremenih materijala pogodnih za rad na zadatim temperaturama .

Primena novih materijala, postojanih na visokim temperaturama je bila neophodna, pre svega za izradu kritičnih delova kotlovskog postrojenja kao što su parovodi, kolektori i cevi pregrejača pare. Njihov razvoj i primena ne podrazumeva samo obezbeđenje dobre otpornosti na puzanje (visoka čvrstoća na puzanje), već takođe i otpornost na koroziju sa gasne i parne strane, zavarljivost, proizvodnost i sposobnost da na njih mogu da budu nanete prevlake. U duhu ovih kompleksnih zahteva, brojne nove legure koje mogu da rade u uslovima oštrih parametara pare kao što su čelici sa feritnom/martenzitnom osnovom, čelici sa austenitnom osnovom i legure na bazi nikla su razvijene u poslednjih deset godina.

Većina modernih termoenergetskih postrojenja na fosilna goriva koja sada rade dostižu efikasnost od ~ 42% sa temperaturom pare do 600ºC i pritiscima 25-30 MPa. Sledeća generacija termoenergetskih postrojenja (USK – ultra superkriticni) treba da bude sposobna da radi sa temperaturom pare od 625-650ºC / 30-35 MPa čime će se dostići termička efikasnost od ~ 43%.

Prema rezultatima poslednjih istraživanja (Thermie projekat, Evropa) proizilazi da je granica pomerena na temperaturu pare od 700ºC i pritisak 37.5 MPa (efikasnost ~ 46.5%). Ovaj napredak je delimično bio moguć zbog značajnog pomaka u razvoju feritnih čelika sa 9 – 12 %Cr i nekih Ni-legura sa izuzetno velikom čvrstoćom na puzanje.


16

ZAKLJUČAK

Iz svega do sada iznetog se može zaključiti da je parni kotao kroz istoriju postajo sve složeniji, opreman sve većim brojem pomoćnih uređaja, kako bi mogao da odgovori na izuzetno kompleksne zahteve, koje je moderna industrija zahtevala. U poslednje vreme akcenat se stavlja na nove materijale, koji su neophodni za konstrukciju svih kritičnih komponenti kotla i turbina. Konačan cilj je da se do 2020. godine dostignu izlazni parametri pare od 760ºC i 38.5 MPa.

Međutim, pri planiranju konstruisanja i izrade novih kotlova u budućnosti mora se voditi računa i o sledećem:

Ekološki kriterijum (smanjenje zagađenja, smanjenje emisije CO2); Planiranje budućnosti kontrolom trošenja prirodnih resursa Zemlje (čuvanje

rezervi čvrstih goriva).


17

LITERATURA

[1]http://sr.wikipedia.org/sr/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0 pristupljeno 11-03-2011

[2] GULIČ, Miloš, BRKIĆ, Ljubiša, PERUNOVIĆ, Panto, Parni kotlovi. 4. izdanje, Mašinski fakultet Beograd, Beograd, 1991, ISBN 86-70-83-187-2

[3] MILIĆ, S., MILIĆ, M., Kotlovi za mašiniste, rukovaoce i ložače, Savez energetičara Srbije, Beograd, 1986.

[4] BRKIĆ, Ljubiša, ŽIVANOVIĆ, Titoslav, TUCAKOVIĆ, Dragan, Parni kotlovi, 3. dopunjeno izdanje, Mašinski fakultet Beograd, Beograd, 2007, ISBN 978-86-7083-615-0

[5] ŠIJAČKI, Vera, Novi materijali za kotlove – novi izazovi za inženjere održavanja, Mašinski fakultet Beograd, Beograd, 2010.

prvi seminarski rad

Engineering