Přehřívák je navržen tak, aby přehříval sytou páru, která do něj vstupuje, na předem stanovenou teplotu jejího přehřátí. Je to jeden z nejkritičtějších prvků kotle, protože teplota páry zde dosahuje nejvyšších hodnot a kov přehřívače pracuje v podmínkách blízkých maximální dovolené.
Podle účelu se přehřívače dělí na hlavní, ve kterých se přehřívá pára o vysokém nebo nadkritickém tlaku, a mezipřehříváky – pro opakované (sekundární) přehřívání páry, která se částečně propracovala v turbíně.
Podle typu absorpce tepla a konstrukce se přehříváky rozlišují:
- – konvektivní, umístěné v konvekčních spalinách kotle a přijímající teplo převážně konvekcí;
- – záření, umístěné na stěnách a stropě spalovací komory a vodorovného kouřovodu a přijímající teplo především sáláním vysoce zahřátých plynů;
- – polozáření, umístěné v horní části pece na vstupu do vodorovného kouřovodu a vyrobené ve formě plochých sít nebo pásů sestavených z přehřívacích trubek umístěných za sebou ve stejné rovině.
Konvekční přehříváky jsou vyrobeny z ocelových trubek o vnějším průměru 32-42 mm pro vysoký a nadkritický tlak a tloušťce stěny 5-7 mm. V mezipřehřívácích s nižším tlakem páry se používá průměr potrubí 42-50 mm s tloušťkou stěny 4-5 mm.
Obr. Typy cívek konvekčního přehříváku: a – jednořadé; b dvouřadý; v – čtyřřadý; g – víceřadá (páska).
Obvykle se pro přehříváky používají hladké trubky, jsou technologicky vyspělé ve výrobě, jsou málo náchylné na vnější usazeniny a snáze se jich zbavují.
Nevýhodou hladkých trubkových topných ploch je nízká absorpce tepla při středních rychlostech proudění plynu. Z trubek přehříváku jsou vytvořeny spirály s poloměry ohybu trubek alespoň 1,9d. Konce cívek jsou přivařeny ke kolektorům kruhového průřezu. Takto se tvoří pakety cívek přehříváku. Vzdálenost mezi řadami cívek (podél hlavičky) je Si = (2 -f-5)d. Existují jedno-dvou a víceřadé cívky (obr. 1). Liší se počtem paralelních trubek tvořících cívku. Při vysokém výkonu kotle se přehříváky obvykle vyrábějí ve 3-4 řadách potrubí. Zároveň se ztěžují podmínky pro přivaření konců trubek ke kolektoru, zvyšuje se počet vrtů v něm a snižuje se jeho pevnost. Proto se zvýšeným počtem trubek v řadě přecházejí na použití dvou kolektorů pro vytvoření cívky.
Sítové přehříváky jsou konstrukčně systémem velkého počtu vertikálních trubek (14 – 50 kusů) s jedním ohybem při 180 °C a tvořící širokou plochou pásku, která má po proudu a proti proudu úseky (obr. 2.). Jsou umístěny na výstupu ze spalovací komory ve znatelné vzdálenosti od sebe (rozteč síta Si = 550 – 700 mm, tj. řádově (17 – 22) d, aby se vyloučila možnost struskování plynových chodeb mezi Proud plynu se pohybuje podél plochých sít a předává teplo Pro vyloučení výstupu jednotlivých trubek z roviny síta jsou trubky sít svázány ve dvou výškových úrovních vytažením z řady dvou krajních (čelních) trubek. a jejich protažením z obou stran mimo pásku vodorovně za poslední zvedací řadou trubek ( obr. 2,6) Na vodorovném řezu jsou tyto trubky propojeny distančními vložkami a zbývající trubky pevně fixují ve stejné rovině.
Sítové přehříváky jsou sálavě konvektivní povrchy, jejich pohlcování tepla sestává z významného podílu sálání z jádra hořáku a horkých plynů v objemu mezi síty a podílu konvekčního přenosu tepla, neboť plyny omývají síta podélným -příčné proudění rychlostí 5-8 m/s. Sítové přehříváky typicky přijímají 20-40 % celkového tepelného příkonu přehříváku. V poslední době se zástěny nevyráběly z hladkých, ale z žebrových trubek nebo z hladkých trubek s mezi nimi navařenými rozpěrkami; získávají se tzv. celosvařované síta (obr. 2, c). Taková síta jsou méně strusková, snadněji se čistí od vnějších nečistot, sítové trubky nejdou mimo dosah.
obr.2. Umístění podle provedení sítového přehřívače: a – umístění sít na výstupu z pece; 6 – potrubí síta; c – typ celosvařovaného síta: 1 – síto; 2 – vstupní a výstupní rozdělovače; 3 – vázání trubek.
Radiační přehříváky jsou nástěnné a umisťují se obvykle do horní části topeniště, kde jsou nižší tepelné toky. Sálavý přehřívák bubnového parního kotle obvykle zabírá strop topeniště, a pokud to nestačí, pak je umístěn i na jeho svislých stěnách (viz obr. 3.). Nástěnné přehřívače vyrobené ve formě panelu na celou výšku pece (místo sítových odpařovacích trubek) se ukazují jako méně spolehlivé, protože odvod tepla z kovu do páry je mnohokrát slabší než do vroucí vody. Kov trubek nástěnného přehřívače má zvláště silný režim při sníženém zatížení, kdy je proud páry v trubkách znatelně snížen. Sálavé panely přehříváku v prostoru uzavřeném síty pece jsou umístěny nad sítovými trubkami v horní části pece.
U průtočných parních kotlů sálavé plochy přehříváku obvykle zcela zabírají horní část topeniště (VRF), strop a stěny horizontálního kouřovodu.
U výkonných pohonných jednotek se používá mezipřehřev páry. S přihlédnutím k relativně nízkému tlaku páry vycházející z válce parní turbíny (3-4 MPa) by měl být hydraulický odpor paketů mezipřehřívače malý (0,2-0,3 MPa). To omezuje hmotnostní rychlost páry a při velkém měrném objemu vyžaduje použití potrubí velkého průměru, což snižuje součinitel prostupu tepla ze stěny do páry. Nízké hodnoty vnitřního součinitele prostupu tepla, zejména v jeho výstupní části, způsobují v některých případech nepřijatelné zvýšení teploty perlitické oceli, ze které je přehřívák vyroben. Aby byla zajištěna spolehlivost takového přehřívače, je umístěn v zóně mírného ohřevu (teplota plynů na vstupu není vyšší než 850 °C). Vnitřní přenos tepla je možné zintenzivnit použitím trubek s vnitřním podélným spirálovým pájením. Tato konstrukce výrazně zvětšuje vnitřní teplosměnnou plochu a zvyšuje turbulenci proudění.
Obr. Schéma pohybu páry ve vysokotlakém kotli s přirozenou cirkulací; 1 – buben; 2 – nástěnný sálavý panel přehříváku; 3 – potrubí pro hořák; 4 – stropní přehřívák; 5 – přehřívač obrazovky; 6 – nevyhřívané obtokové potrubí; 7 a 8 – cívky vertikálních a horizontálních přehřívacích soustrojí; 9 – závěsné trubky; 10 – přehřátá parní komora.
Přehřívák je určen ke zvýšení teploty páry nad teplotu nasycení odpovídající tlaku v kotli.
Přehřívák je jedním z nejkritičtějších prvků kotlové jednotky, protože pracuje v nejtěžších teplotních podmínkách. Cívky přehříváku a sběrače jsou vyrobeny z uhlíkové oceli.
Každý přehřívák je soustava bezešvých paralelních trubek o průměru 28-42 mm, ohýbaných ve formě svitků, válcovaných nebo přivařených ke kulatým kolektorům. Použití trubek s malým průměrem zjednodušuje ohýbání svitků a zvyšuje koeficient prostupu tepla. Tloušťka stěny trubek závisí na pracovním tlaku páry a může být od 3 do 5 mm. Přehříváky páry jsou instalovány na výstupu spalin z topeniště, kde se jejich teplota pohybuje v rozmezí 700–900 °C.
Přehřívače jsou podle svého provedení vertikální a horizontální s příčným promýváním spalinami. Nejpoužívanější jsou výhradně vertikální, protože jejich upevnění je jednodušší.
Spolehlivost výměníků závisí na způsobu přivádění syté páry a odvádění přehřáté páry z ní. V závislosti na směru pohybu plynů a páry existují tři hlavní schémata pro zařazení přehříváku do proudu plynu: přímoproudé (obr. 4.18.1 a), protiproudé (obr. 4.18.1 b) a kombinované (Obr. 4.18.1 c)
Obrázek 4.18.1. Schémata pro zahrnutí přehřívačů do proudu plynu:
a – přímo skrz; б – protiproud; v – smíšený; šipky ukazují pohyb syté páry (SP), přehřáté páry (SP) a produktů spalování (PG)
Při přímém spínání je směr pohybu spalin a páry po spirálách stejný, tzn. v jednom směru. V takovém schématu je nejvyšší teplota plynu v oblasti nejnižší teploty páry, což by v zásadě mělo zajistit nízké teploty kovu přehříváku. Pokud však z oddělovacích zařízení bubnu přicházejí kapky kotlové vody s nasycenou párou, soli v nich obsažené se usadí na prvních řadách spirál, což vede k prudkému zvýšení teploty kovu. V přímoproudém schématu pohybu nosičů tepla je rozdíl teplot (průměrovaný přes rozdíl povrchových teplot mezi topným a ohřívaným médiem) minimální, což vyžaduje nejrozvinutější topné plochy.
Při protiproudém schématu jsou toky spalovacích produktů a páry nasměrovány k sobě. V tomto případě se spirály ohřáté produkty spalování s nejvyšší teplotou setkávají s již přehřátou párou a nejsou dostatečně ochlazeny. Výsledkem je, že kov cívek přehříváku pracuje v nejnáročnějších teplotních podmínkách. Přitom teplotní rozdíl v tomto schématu je maximální a požadovaná teplosměnná plocha minimální, ale lze jej použít při ohřevu páry až na 400 °C.
Při kombinovaném zapnutí je část cívek zahrnuta do práce podle schématu přímého toku a druhá část – podle protiproudého. Toto schéma je z hlediska spolehlivosti nejoptimálnější. Poměr protiproudé a přímoproudé části přehříváku se volí z podmínky stejných teplot kovu na začátku a na konci spirály jeho přímoproudé části.
Podle vnímání tepla se přehříváky dělí na konvekční a konvekčně-sálavé.
Pro kotle nízkého a středního výkonu se používají konvekční přehříváky a pro kotle s tlakem nad 40 atm. a při teplotách ohřevu nad 250 °C se používají přehříváky s konvekčním zářením.
Konvekční přehřívák se obvykle instaluje do vodorovného spojovacího kouřovodu mezi topeniště a konvekční šachtu kotle.
U konvekčně sálavých přehříváků je konvekční část instalována v kouřovodu kotle a sálavá část je instalována v topeništi kotle.
Teplota páry v kotlích s tlakem do 2,4 MPa není regulována. Při tlacích nad 2,4 MPa se k regulaci teploty používají redukčně-chladicí jednotky (RDC) nebo mezilehlé chladiče přehřáté páry. Jednotky ROU jsou instalovány na výstupu páry z přehříváku a regulace se provádí vstřikováním určitého množství kondenzátu do páry.
Mezistupně přehřívače jsou instalovány v řezu mezi stupni přehříváku. Chladič přehřáté páry je tepelný výměník, jehož trubkami cirkuluje napájecí voda a pára vstupuje do mezikruží. Teplota přehřáté páry je řízena změnou množství napájecí vody protékající trubkami chladiče přehřáté páry.
Kotle s teplotou přehřátí páry nad 400 °C musí být vybaveny automatickými regulátory teploty přehřáté páry.
Přehřívák musí mít manometr, pojistný ventil, uzavírací ventily pro odpojení přehříváku od parovodu a zařízení na měření teploty přehřáté páry.
