Tipuri constructive de căldări

Căldarea auxiliară verticală (fig. 1)

1. Focar
2. Tub de foc
3. Coroana focarului
4. Eşapament eliptic
5. Placă de ancorare
6. Traversă principală
7. Nivelul normal de apă
8. Gură de vizită
9. Coroana anvelopei
10. Tirant central
11. Cameră apă abur
12. Placă tubulară superioară
13. Tuburi ordinare
14. Tuburi coborâtoare
15. Tuburi tirante
16. Camera de apă
17. Placa tubulară inferioară
18. Guri de vizită
19. Arzător de combustibil
20. Izolaţie refractară
21. Zidăria vetrei
22. Izolaţie
23. Canal vertical de gaze de ardere
24. Cutia/camera de fum 

Căldarea cu flacără întoarsă (cazan Scotch)(fig. 2)

1. Anvelopa căldării
2. Valvulă principală de abur
3. Gură de vizitare superioară
4. Tiranţi în spaţiul de abur
5. Armătura camerei de foc
6. Camera de foc
7. Antretoazele camerei de foc
8. Flanşă gât de lebădă
9. Tuburi de fum
10. Tub de flacără (furnal) central
11. Tirant
12. Cură de vizită inferioară
13. Tub de flacără (furnal) lateral
14. Tub tirant
15. Tub tirant cu piuliţă
16. Tub ordinar
17. Tubulatura verticală de evacuare
18. Cutia de fum
19. Gură de vizită
20. Arzător lateral
21. Arzător central 

Căldarea funcţionează cu combus-tibil lichid. Arzătorul introduce un amestec de combustibil şi aer în focar prin tubul de foc.

În focar are loc arderea rezultând o cantitate de gaze fierbinţi care urcă în coroana focarului şi de acolo prin eşapamentul eliptic în camera de fum. În camera de fum gazele cedează o mare cantitate de căldură apei prin intermediul suprafeţei mari de schimb de căldură a tuburilor. Această căldură este folosită de apă pentru a se vaporiza.

Vaporii urcă în camera de apă/aburi. Apa rece din camera de apă/aburi coboară datorită gravitaţiei, prin tuburile coborâtoare, înapoi în camera de apă. Gazele reziduale merg mai departe prin canalul vertical de gaze de ardere la coşul de fum.

Aburul produs este descărcat către consumatori prin valvula principală de abur.

Întreaga căldare are o construcţie sudată. Tirantul central întăreşte anvelopa. Zidăria are rol în izolaţia termică, iar izolaţia refractară de a direcţiona căldura spre camera de apă. Gurile de vizită sunt prevăzute pentru curăţarea căldării.

Principalele componente ale unei căldări cu flacără întoarsă sunt: anvelopa, pereţii, furnalele, camerele de ardere, tuburile fierbătoare, legăturile căldării.

Anvelopa este de o construcţie sudată, are o formă cilindrică şi este confecţionată din oţel din trei părţi. Anvelopa susţine celelalte componente ale căldării şi limitează spaţiul de aer în părţile superioară, inferioară şi laterale.

Căldarea are doi pereţi care limitează spaţiul de apă în plan longitudinal. Acestea pot fi executate dintr-o singură bucată sau din mai multe bucăţi. Când sunt executaţi din mai multe bucăţi sudate acestea au o grosime variabilă. De obicei sunt trei zone de trei grosimi diferite: zona plăcii superioare care are o grosime relativ mică, zona plăcii mijlocii care are cea mai mare grosime pentru că în ea sunt practicate multe găuri şi este supusă eforturilor termice diferenţiale şi zona plăcii inferioare care are aceiaşi grosime ca în zona plăcii superioare.

Pereţii sunt ambutisaţi înăuntru atunci când sunt nituiţi sau ambutisaţi în afară atunci când sunt sudaţi.

Tubul de flacără, cunoscut şi sub denumirea de “furnal”, este locul unde are loc combustia. Furnalul este de formă cilindrică şi este confecţionat din oţel special. Datorită arderii furnalul este supus la o tensiune termică deosebit de puternică de aceea suprafaţa furnalului este ondulată pentru rezista acesteia.

La o căldare putem găsi două sau trei furnale. Fiecare furnal este conectat la capătul sau posterior la cutia de foc prin intermediul unei flanşe de tip “gât de lebădă”.

Dacă căldarea este încălzită cu cărbuni furnalele au un grătar pe care sunt arşi cărbunii.

Cutia de foc (camera de ardere) este o prelungire a tubului de flacără în care arderea continuă şi se sfârşeşte. Această cameră este executată dintr-un material cu o bună conductibilitate termică şi o mare rezistenţă la temperaturi înalte, de obicei este folosit oţelul special sau cuprul. Peretele posterior al cutiei de foc este înclinat şi poate fi prevăzut cu zidărie refractară.

Tuburile căldării constituie o mare suprafaţă de schimb de căldură fiind în contact la interior cu gazele fierbinţi, iar la exterior cu apa. Există două tipuri de tuburi de fum: tuburi ordinare şi tuburi tirante. Acestea sunt fixate în două plăci tubulare după cum urmează:

 - tuburile ordinare sunt mandrinate sau sudate electric

- tuburile tirante sunt înşurubate şi asigurate cu piuliţă şi contrapiuliţă sau sudate electric.

Tuburile tirante consolidează plăcile tubulare şi ajută de asemenea schimbul de căldură. Ele sunt amplasate la periferia plăcilor tubulare.

Camera de fum a căldării este destinată să permită trecerea gazelor arse la coşul de fum al căldării. Aceasta este executată din plăci de oţel şi este ataşată de căldare prin intermediul şuruburilor. Camera de fum este prevăzută cu orificii de vizită pentru a permite curăţarea tuburilor şi schimbarea lor la nevoie.

În camera de fum, în partea inferioară a coşului de fum poate fi montat un economizor pentru încălzirea apei de alimentare pentru a mări randamentul căldării.

Pereţii plani sunt întăriţi prin tiranţi, antretoaze, gusee, tuburi tirante, ancore sau alte elemente similare.

Vatra de cărămidă asigură protecţia metalului în zonele cu temperaturi înalte şi unde apa circulă foarte încet (zone cum ar fi partea inferioară a camerei de ardere).

Datorită faptului că în interiorul căldării apa înconjoară tuburile de flacără, cutia de foc, tuburile de fum şi plăcile tubulare, toate acestea constituie suprafeţe de schimb de căldură. 

Căldura degajată prin arderea combustibilului în furnal este transmisă parţial furnalului, iar restul este acumulată în gazele arse care intră în cutia du foc. Aici ard ultimele particule de combustibil, acelea care nu au ars în furnal, astfel încât cutia de foc acumulează căldură din arderea combustibilului şi de la gazele arse din interiorul ei. Această căldură este transmisă apei care înconjoară cutia de foc. Din cutia de foc gazele fierbinţi trec prin tuburile de fum în camera de fum de aici spre canalul vertical de gaze de ardere, economizor (dacă este prezent) şi coşul de fum.

Apa în contact cu suprafeţele fierbinţi vaporizează. Aburul se acumulează în partea superioară a căldării – camera de abur şi pleacă spre consumatori printr-o valvulă principală de abur.

Căldare Yarrow (cu o singură trecere fig. 3.a cu dublă trecere fig. 3.b)

1. Colector inferior (tambur de abur)
2. Colector inferior (tambur de apă)
3. Focar
4. Supraîncălzitor
5. Canal vertical de gaze de ardere 

Căldări acvatubulare

La căldările acvatubulare apa circulă în interiorul tuburilor în timp ce gazele fierbinţi trec pe la exteriorul tuburilor căldării.

Pentru a discuta căldările acvatubulare cea mai reprezentativă este căldarea de tip Yarrow, care este unul dintre cele mai folosite tipuri de căldări acvatubulare.

Tipurile timpurii de căldări Yarrow au avut o construcţie simplă; căldarea a fost construită din trei tamburi cilindrici lungi: unul superior care este colectorul de abur şi doi tamburi inferiori care sunt colectoare de apă. Colectorul de abur fiind conectat cu cele două colectoare de apă prin rânduri de tuburi fierbătoare care se întindeau pe întreaga lungime a tamburului.

La partea inferioară a căldării între cei doi tamburi erau arzătoarele de combustibil care încălzeau căldarea.

La partea inferioară erau straturi de zidărie şi refractare, pentru izolarea termică.

Împrejurul tuturor componentelor se afla o carcasă rezistentă la foc cu orificii de acces sau vizită. Tuburile erau drepte şi fixate prin mandrinare. În afara căldării erau tuburi coborâtoare pentru circulaţia apei.

Construcţiile mai recente de căldări au adăugat proiectului original un alt colector de apă.

După felul în care gazele curg pe lângă tamburi există două tipuri de căldări:

• cu o singură trecere, unde gazele trec pe sub colectorul de abur.

• cu dublă trecere, unde gazele înconjoară colectorul de abur.

Tuburile coborâtoare au fost abandonate pentru că apa circula prin tuburile fierbătoare. Pentru producerea de abur supraîncălzit a fost amplasat un supraîncălzitor între tuburile fierbătoare. Un registru de coş a fost adăugat pentru închiderea completă sau parţială a uneia dintre căile de gaze pentru a direcţiona gazele fierbinţi prin supraîncălzitor.

În acest tip de căldare apa este conţinută în colectoarele de apă şi tuburile fierbătoare şi se ridică până la jumătatea din colectorul de abur. Gazele fierbinţi trec pe lângă tuburi în drumul lor spre canalul vertical de gaze de ardere şi coşul de fum.

Tuburile din mănunchiurile de tuburi fierbătoare se comportă în două moduri diferite: tuburile dinspre focar sunt tuburi urcătoare, pentru că ele iau mai multă căldură de la gazele fierbinţi, în timp ce tuburile din cealaltă parte sunt tuburi coborâtoare. În tuburile urcătoare apa foloseşte căldura pentru a se vaporiza. Aburul urcă in colectorul de abur unde este colectat în jumătatea superioară. Pentru că colectorul de abur constituie un rezervor de apă relativ rece, datorită gravitaţiei şi diferenţei de densitate, se formează curenţi de convecţie, apa rece din colectorul de abur ajunge în colectorul de apă cauzând circulaţia naturală a apei circular în sistem.

Aburul trece spre consumatori printr-o valvulă principală de abur.

Apa de alimentare este introdusă în colectorul de abur lângă nivelul de apă, iar alimentarea este reglată de către un regulator automat de apă de alimentare pe cel puţin una dintre instalaţiile de alimentare separate impuse căldărilor.

Căldările acvatubulare sunt proiectate pentru presiuni mai mari decât căldările ignitubulare fără a deveni excesiv de grele.

Căldările acvatubulare moderne încorporează un economizor în căldare sau în canalul vertical de gaze de ardere. Economizorul este un încălzitor în care apa de alimentare este încălzită de către gazele arse în loc de abur ca la încălzitoarele de apă de alimentare normale.

Căldări recuperatoare

Aceste căldări sunt de o construcţie simplă si dau un sens efectiv utilizării căldurii pierdute prin gazelor de evacuare a motoarelor diesel. Acestea sunt verticale şi construcţia lor este potrivită în cele mai multe cazuri pentru potrivirea în coşul de fum.

De obicei căldările recuperatoare nu sunt utilizate individual acestea funcţionează combinat cu alte căldări acvatubulare încălzite prin arderea combustibilului, în instalaţii de generare a aburului, pentru că acestea funcţionează numai când funcţionează şi motoarele.

Piesele auxiliare ale căldării

Prin piesele auxiliare ale căldării înţelegem toate armăturile şi aparatele de măsură şi control care îndeplinesc funcţia de dispozitive funcţionale sau de siguranţă necesară pentru funcţionarea bună şi în siguranţă a căldării exceptând tubulaturile, colectoarele, focarele şi alt echipament greu.

Supape de siguranţă: care sunt necesare pentru a evacua orice abur suplimentar din căldare. Aceste valve se deschid automat la o presiune maximă, ce nu depăşeşte cu mai mult de 10% presiunea de lucru şi permit aburului să iasă prin tubulatura de scurgere a aburului în coşul de fum până când presiunea scade din nou la normal. Dacă ţevile de evacuare a aburului sunt amplasate dedesubtul supapei, o ţeavă de golire fără organe de închidere este prevăzută pentru evacuarea condensatului din corpul supapelor sau din ţevile de evacuare a aburului.

După declanşare, supapele de siguranţă ale căldărilor principale şi ale căldărilor auxiliare importante întrerup complet ieşirea aburului în cazul căderii presiunii în căldare la cel mult 0,85 ori presiunea de lucru.

Sunt cel puţin două supape de siguranţă cu arc, de aceeaşi construcţie şi aceiaşi dimensiune montate pe tamburii oricărei căldări de regulă pe un tub de legătură comun precum şi o supapă de siguranţă montată pe colectorul de ieşire al supraîncălzitorului. Aceasta este astfel reglată să de deschidă înaintea supapei de siguranţă montată pe tambur

Valvele sunt astfel construite încât să poată fi deschise manual printr-un mecanism de acţionare special. Mecanismul de acţionare a uneia din valve trebuie comandat din compartimentul căldării, iar comanda celeilalte supape se află pe puntea superioară sau alt loc permanent accesibil dar în afara compartimentului căldării.

Supapele de siguranţă sunt racordate direct la spaţiul de abur al căldării, fără organele de închidere de orice fel, şi sunt astfel construite încât să poată fi sigilate sau prevăzute cu un dispozitiv de siguranţă corespunzător care să excludă posibilitatea de reglare a supapelor fără ştirea personalului de deservire.

Arcurile supapelor de siguranţă sunt protejate contra acţiunii directe a aburului evacuat şi sunt executate, la fel ca şi suprafeţele de etanşare ale scaunelor şi conurilor supapelor, din materiale rezistente la temperatură şi coroziune. 

Supapele de siguranţă pot fi de următoarele tipuri:
- supape de înaltă presiune
- supape de siguranţă de mare capacitate:
- cu gaură completă
- de tipul Hopkinson “Hylif”
- consolidate 

Valvule de alimentare principale: pentru admisia apei în căldare, acestea sunt plasate de obicei la capătul căldării şi introduc apa chiar în apropierea nivelului de lucru al apei.

Valvulele de alimentare sunt de tipul cu autoreţinere. Între valvula de alimentare şi căldare este instalată o valvulă de închidere pentru separarea căldării de tubulaturile care duc la aceasta. Valvulele de reţinere şi valvulele de închidere pot fi amplasate în acelaşi corp. Valvula de închidere se va monta direct pe corpul căldării.

Valvule de alimentare auxiliare: care sunt montate întotdeauna ca rezervă în caz de defectare a celeilalte sau pentru alimentarea căldării în port.

Valvule de purjare: care sunt amplasate în apropierea fundului căldării pentru a-l goli în întregime sau parţial. Această valvulă este conectată la o valvulă amplasată pe bordajul navei. Apa este suflată în mare de presiunea aburului din căldare.

Valvulele de purjare sunt montate direct pe corpul căldării sau instalate pe racorduri tubulare sudate.

Dispozitive pentru extracţia de suprafaţă: care sunt amplasate pe colectorul superior la căldările cu suprafaţă liberă de vaporizare pentru a asigura eliminarea spumei şi reziduurilor de le suprafaţa de evaporare.

Valvule pentru extracţia de fund: care sunt amplasate la partea inferioară a căldării spre a permite eliminarea reziduurilor de la fundul căldării sau pentru folosirea integrală sau parţială a apei când este nevoie.

Valvule de golire: care sunt montate direct pe corpul căldării sau instalate pe racorduri tubulare sudate spre a permite golirea apei din instalaţie.

Valvule de circulaţie: care sunt amplasate în apropierea fundului şi sunt folosite numai pentru a produce o circulaţie artificială a apei la ridicarea presiunii pentru a minimiza eforturile datorate dilatării inegale ale plăcilor.

Robinete pentru luarea probelor de apă din căldare: care sunt prevăzute într-un loc corespunzător pentru a permite luarea probelor de apă. Nu este permisă montarea acestor robinete pe tubulaturi şi racorduri destinate altor scopuri.

Suflătoare de funingine: care sunt montate pe căldări pentru îndepărtarea depunerilor de funingine datorate gazelor arse pentru a menţine curate suprafeţele de încălzire.

Valvule principale de abur: care sunt montate pe căldare pentru a controla trecerea aburului spre motor. Acestea sunt de tip cu reţinere.

Dispozitive pentru evacuarea aerului: care
Sunt folosite pentru a elimina aerul din căldare atunci când aceasta este umplută cu apă. Acestea sunt montate pe supraîncălzitoare şi economizoare intr-un număr suficient. 

Robinete de control: acestea sunt folosite pentru a verifica dacă există apă sau aer la un anumit nivel. Ei se folosesc de obicei la căldările de joasă presiune în dreptul nivelului minim şi maxim.

Indicatoare de nivel: care sunt prevăzute pentru a indica în permanenţă nivelul apei în căldare. Apa urcă în tubul de sticlă la aceiaşi înălţime ca nivelul din interiorul căldării. Din motive de siguranţă fiecare căldare trebuie să aibă cel puţin două indicatoare de nivel pentru apă.

Aceste indicatoare pot fi de următoarele tipuri:
• indicatoare de nivel locale
- cu tub de sticlă
- cu sticlă plată
- cu reflexie
- transparente
• de la distanţă 

Indicatoarele de nivel sunt montate în partea frontală a căldării la acelaşi nivel selectat, la distanţa cea mai mică posibil faţă de planul diametral vertical al căldării, respectiv tamburului.

Aceste dispozitive sunt prevăzute cu dispozitive de închidere cu acţionare sigură pentru deconectarea aparatelor în cazul spargerii sticlei.

Indicatoarele de nivel pentru apă sunt racordate la căldare prin intermediul ţevilor de legătură independente. În interiorul căldării nu sunt permise ţevi de conducere la indicatorul de nivel pentru apă. Aceste ţevi de legătură sunt protejate împotriva expunerii la căldura radiantă a gazelor fierbinţi şi răcirii intense.

Fiecare căldare cu circulaţie naturală ( cu suprafaţă de evaporare a apei liberă) are nivelul minim de apă marcat cu o linie de referinţă trasată pe cadrul corpul indicatorului de nivel pentru apă. În plus, nivelul minim de apă este marcat pe o plăcuţă ataşată pe corpul căldării aproape de indicatorul de nivel pentru apă cu o linie de referinţă şi o inscripţie “Nivel minim inferior”.

Manometre: care sunt prevăzute pentru a indica presiunile din căldare.

Fiecare căldare este prevăzută cu cel puţin două manometre racordate la spaţiul de abur prin ţevi separate prevăzute cu valvule de închidere sau robinete de închidere. Între manometru şi ţeavă, se vor monta robinete sau valvule cu trei căi, care să permită deconectarea manometrului de la căldare, punerea sa în comunicaţie cu căldările recuperatoare, punerea sa în comunicaţie cu atmosfera pentru purjarea ţevilor de legătură şi racordarea manometrului de control.

Unul din manometre este montat pe partea frontală a căldării fiind protejat în mod eficient contra acţiunii căldurii de radiaţie degajate de căldare, iar al doilea la postul principal de comandă al maşinilor.

Manometrele trebuie să fie controlate la timp şi marcate cu data verificării de către organele competente.

Termometre: care sunt folosite pentru a indica temperaturile din căldare spre a evita supraîncălzirea.

Alarme de nivel minim de apă şi oprirea combustibilului: care sunt prevăzute pentru a proteja căldarea împotriva defecţiunilor majore şi personalul de deservire de răniri care pot apărea când nivelul apei este prea mic. Când nivelul apei este prea mic căldarea se supraîncălzeşte şi poate exploda.