Как работает и устроен паровой котел

Паровой котел — это агрегат, предназначенный для непрерывного производства пара с определенными параметрами в результате превращения любого вида энергии в тепловую. Наиболее распространенным источником тепловой энергии, используемым на судах, является твердое и жидкое топливо. В последние годы все шире используется тепло газов, отходящих от двигателей внутреннего сгорания (в утилизационных котлах) и имеющих температуру 300—450 С. Иногда для производства пара используют электроэнергию (в электрокотлах) и атомную энергию (в судовых реакторах).
В большинстве паровых котлов пар образуется в результате передачи тепла, выделяющегося при сгорании топлива в топке, рабочему веществу — воде.
В паровом котле происходят следующие процессы, в результате которых осуществляется непрерывное производство водяного пара: топочный — горение топлива в топке котла; аэродинамический — подача в топку воздуха и удаление из газоходов продуктов горения топлива; теплопередача — передача тепла от газов к воде через поверхность нагрева; гидродинамический — движение (циркуляция) воды и пара внутри котла, вдоль его поверхности нагрева.
Эти процессы тесно связаны между собой и сопровождаются такими побочными явлениями, как коррозия металла, образование отложений, нарушение прочности элементов котла и другими, что отражается на безаварийной и экономичной работе паровых котлов.
Паровые котлы, установленные на судах, разделяются на огнетрубные, водотрубные и комбинированные. В огнетрубных котлах горячие дымовые газы проходят внутри дымогарных труб, снаружи омываемых водой. В водотрубных котлах по водогрейным трубам движется вода и пар, а снаружи они омываются горячими газами. В комбинированных котлах сочетаются элементы конструкции огнетрубного и водотрубного котлов — в одной части поверхности нагрева газы движутся внутри труб, а снаружи их омывает вода, в другой части по трубам циркулирует вода, а газы омывают их снаружи.
Современный котел состоит из следующих основных узлов: корпуса с развитой поверхностью нагрева; каркаса и фундамента; обмуровки; изоляции и обшивки; внутрибарабанного устройства; водяного экономайзера; пароперегревателя и пароохладителя; топки с топочным устройством; воздухоподогревателя с воздухопроводами; дымоходов с дымовой трубой; арматуры и контрольно-измерительных приборов.
В состав судовой котельной установки обычно входят несколько паровых котлов. Обеспечение их нормальной работы осуществляется при помощи следующих систем: питания, топливоподачи, воздухоподачи и удаления газов, продувки, водообработки, сажеобдувки, контроля, регулирования и управления. Работа каждой системы обеспечивается различными механизмами и устройствами, которые выполняют определенные функции.

На рисунке выше дана простейшая схема парового водотрубного котла, работающего на жидком топливе, с воздухоподогревателем, экономайзером и пароперегревателем. Котел состоит из водяного 2 и пароводяного 14 барабанов, соединенных между собой водогрейными трубами 3 .
Топка котла предназначена для сжигания топлива Т в потоке воздуха В . Она состоит из топочного пространства (топочной камеры) / и топочного устройства 15 . Тепло газов передается воде в топке и газоходах 5 , которые предназначены также для направления потока газов в дымоход, расположенный за хвостовой поверхностью нагрева и заканчивающийся дымовой трубой, через которую газы Г отводятся в атмосферу. Хвостовые поверхности нагрева в виде экономайзера и воздухоподогревателя являются важными элементами современных судовых паровых котлов, позволяющими обеспечить высокий КПД котла за счет более полного использования тепла отходящих газов, а следовательно, снижения их температуры. При установке экономайзера или воздухоподогревателя температура отходящих газов доводится до 10—160 С, а в отдельных случаях до 125—130 С, поэтому поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя работают в условиях относительно низких температур дымовых газов.
Для подогрева воздуха В , расходуемого на горение топлива,служит воздухоподогреватель 7 . Подогретый воздух подается по воздухопроводу 4 к топочному устройству 15 . Во время работы котла пар непрерывно отводится через главный стопорный клапан 10 . Для поддержания внутри котла определенного (рабочего) уровня воды последняя постоянно подается через питательный клапан 12 . Падение уровня воды ниже допустимого может привести к перегреву стенок котла, не омываемых водой, и их разрыву. Уровень воды контролируется по водоуказательным приборам 13 , установленным на передней части парового котла.
В паровом котле имеются два отдельных тракта — пароводяной и воздушногазовый. Поверхность воды, разделяющая паровое и водяное пространства в котле, называется зеркалом испарения.
В процессе эксплуатации может произойти повышение давления в котле сверх расчетного (допустимого). Для предотвращения аварии, которая может в этом случае произойти, на паровом котле устанавливается предохранительный клапан 11 . Контроль за давлением пара в котле осуществляется по манометру 9 .
Перечисленные выше элементы котла являются минимально необходимыми для обеспечения длительного производства пара.
Для повышения экономичности работы паросиловой установки используют перегретый пар, для получения которого служит пароперегреватель 6 , расположенный в газоходе котла. С этой целью питательную воду, поступающую в котел, предварительно подогревают в экономайзере 5 , для чего используют тепло дымовых газов. Экономайзер также устанавливается в газоходе котла. Питательная вода может предварительно подогреваться в водоподогревателях, в которых используется тепло отработавшего пара от судовых вспомогательных механизмов. Подогретая вода из водоподогревателя по трубопроводам направляется в экономайзер, где происходит дальнейший ее подогрев. Из экономайзера нагретая вода поступает в котел. Паровой котел устанавливается на фундаменте 16 .

Устройство и характеристики котлов

Котлом называется устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для получения пара или горячей воды с давлением выше атмосферного, используемых вне самого устройства.

По виду теплоносителя котлы подразделяются на паровые и водогрейные.

Паровые котлы вырабатывают насыщенный или перегретый пар. При давлении пара до МПа (до 10 кгс/см 2) котлы относятся к котлам низкого давления. В котлах среднего давления давление пара не превышает 10 МПа (100 кгс/см 2). Температура перегретого пара составляет 250 и 440 0 С.

Паровой котел, вырабатывающий перегретый пар при сжигании жидкого или газообразного топлива, показан на рис. 23. Для сгорания топлива. используется топка 1. В ней образуются горячие газы с температурой в факеле 1400 – 1600 0 С. Для защиты обмуровки топки от теплового разрушения вдоль ее стен установлены вертикальные экраны 2, состоящие из труб, присоединенных к нижним и верхним коллекторам. Нижние коллекторы получают воду из нижнего барабанов. В трубах снизу вверх движется вода, которая частично превращается в насыщенный пар. Пароводяная смесь из экранных труб поступает в верхние коллекторы, а из них – в верхний барабан котла.

Из топки газы выходят с температурой 1000–800 0 С и продолжают охлаждаться в конвективном пучке и пароперегревателе 3. Трубы пучка установлены вертикально и присоединены к верхнему и нижнему барабанам.

Верхний барабан служит для приема питательной воды и насыщенного пара, образовавшегося в экранах и конвективном пучке. Поэтому данные поверхности нагрева называются испарительными.

Нижний барабан полностью залит водой и используется для циркуляции воды в трубах по схеме: верхний барабан – нижний барабан – верхний барабан.

В трубах пучка вода также частично превращается в пар. Пароводяная смесь вводится в верхний барабан, где разделяется на пар и воду.

Так как вода движется за счет разности плотностей воды и пара, то такая циркуляция называется естественной. Естественная циркуляция является многократной. Каждый килограмм воды прежде, чем превратиться в пар, проходит через экранные трубы 50 – 70 раз, а через трубы пучка – 100 – 200 раз.

Насыщенный пар из верхнего барабана поступает на перегрев в пароперегреватель, а из него – в сборный паропровод котельной.

Дальнейшее охлаждение газов с 350 – 300 0 С до 180 – 140 0 С производится питательной водой в чугунном или стальном водяном экономайзере 4.

В чугунном экономайзере температура нагретой воды должна быть ниже температуры кипения не менее чем на 20 0 С, чтобы исключить кипение воды в экономайзере.

Для сжигания твердого топлива топка котла оборудуется колосниковой решеткой и забрасывателями кускового топлива. При сжигании сильно влажного топлива (бурые угли, торф, древесные отходы) котлы могут оборудоваться воздухоподогревателями 5. Горячий воздух интенсифицирует процесс горения, а дальнейшее снижение температуры газов за котлом повышает его к.п.д.

Обмуровка котлов выполняется из двух слоев: внутренний слой или футеровка, и наружный теплоизоляционный слой. Футеровка изготавливается из огнеупорного шамотного кирпича (плит), а теплоизоляционный слой – из красного кирпича или плит различных тепло изоляционных материалов. Обмуровка из шамота и красного кирпича называется тяжелой, а из шамота и теплоизоляционных плит – облегченной.

Рис. 23. Схема устройства и работы парового котла:

1 – топка; 2 – испарительная система (экраны и пучок); 3 – пароперегреватель; 4 – водяной экономайзер; 5 – воздухоподогреватель

Водогрейный котел состоит из топки 4 и газохода с конвективной поверхностью нагрева 5.

Экраны топки 4 образованы вертикальными трубами 3, концы которых приварены к нижнему 1 и верхнему коллекторам. Каждая стенка топки имеет свой экран (рис.24).

Рис. 24. Схема устройства водогрейного котла:

1 –коллекторы экранов; 3 – трубы экранов топки; 4 – топка; 5 – конвективная поверхность нагрева

Конвективная поверхность 5 выполнена из параллельно соединенных многопетлевых змеевиков, нижнего и верхнего коллекторов. Газоход, в котором расположена конвективная поверхность, отделен от топки вертикальной перегородкой с окном вверху (внизу) для прохода газов.

За счет соединения коллекторов вода последовательно проходит через экраны топки и горячей выходит из конвективной поверхности.

Водогрейные котлы предназначены для получения горячей воды с температурой от 95 до 150 0 С. По тепловой мощности котлы подразделяются на котлы малой мощности (до 10 Гкал/ч), средней (20 – 30 Гкал/ч) и большой (более 50 Гкал/ч).

Котел для парового отопления

Устройством для производства водяного пара высокой температуры является паровой котел. При этом давление воды, находящейся внутри котла в газообразном состоянии, значительно превышает атмосферное. Нагревание воды происходит в результате выделения тепловой энергии за счет сжигания какого-либо топлива. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы имеют различную конструкцию и могут применяться, как в промышленных, так и в бытовых целях, они имеют один и тот же принцип работы.

Новейший двухходовой котел с реверсивной топкой

Принцип работы парового котла

Все паровые котлы работают по одинаковому принципу своего устройства:

верхняя часть котла содержит резервуар барабанного типа, в который принудительно подается вода за счет применения электронасоса;
из данного резервуара вода по специальным отводным трубам стекает в коллектор, расположенный в нижней части устройства;
от коллектора к верхнему резервуару идут еще одни трубы, которые проходят в зоне горения топлива (топке котла).

Таким образом, данное устройство для получения пара можно сравнить с системой сообщающихся сосудов, в которой нагретая смесь воды и пара имеет меньшую плотность, чем холодная вода. В результате этой разницы вода постоянно выталкивает пароводяную смесь в верхнюю часть устройства, где с помощью сепаратора пар отделяется от воды.

После этого вода снова попадает в резервуар, а пар – в паропровод, который также находится в зоне сгорания топлива. В результате вода, находящаяся в газообразном состоянии, разогревается еще больше, что приводит к значительному увеличению давления пара. Теперь характеристики пара достигли нужных параметров. Далее он может использоваться либо для отопления помещений, либо для вращения турбин различных агрегатов, в том числе и для получения электрической энергии.

Промышленный газовый котел

Типы паровых котлов

Все паровые котлы можно классифицировать по нескольким параметрам. Например, по виду топлива, используемого для их работы, различают котлы:

А в зависимости от того, какое эти устройства имеют предназначение, их подразделяют на:

энергетические (такие котлы вырабатывают пар для обеспечения работы турбин энергетических установок, вырабатывающих электрическую энергию);
промышленные (обеспечивают функциональность различных систем на промышленных предприятиях);
утилизационные (работающие на вторичных ресурсах, например, сжигающие мусор на специальных заводах);
бытовые (предназначены для работы в системе индивидуального отопления).

По своим конструктивным особенностям наиболее распространены такие типы паровых котлов:

Газотрубные.
Водотрубные.
Прямоточные.
Чугунные секционированные.
Блочно-транспортируемые.

Рассмотрим их более подробно.

Газотрубные котлы

Хотя котлы такого типа еще эксплуатируются на различных предприятиях, они уже давно считаются морально устаревшими, поскольку рассчитаны для условий эксплуатации, ограничивающихся рабочим давлением в 1 МПа и мощностью не более 360 кВт. А этого уже недостаточно для обеспечения нормальной работы современных предприятий.

Если же попытаться увеличить мощность такого котла, то необходимо на этапе его проектирования заложить такую толщину стенки, которая будет неимоверно большой, что экономически невыгодно.

Если же этого не сделать, то при повышении мощности газотрубного котла он может взорваться, а огромное количество раскаленного пара, высвободившееся в результате нарушения герметичности стенок, приведет к катастрофическим последствиям для людей.

Водотрубные котлы

Данная конструкция паровых котлов является более современной, а значит, более мощной и безопасной. Однако такие паровые котлы имеют более сложную конструкцию, чем их газотрубные аналоги. Но этот недостаток перекрывается целым рядом достоинств такой конструкции:

котлы такого типа имеют небольшое время разогревания до рабочей температуры;
они абсолютно взрывобезопасны даже в ситуации с перегрузкой котла;
такие устройства легко могут быть перенастроены для работы с различной нагрузкой;
их легко можно транспортировать к месту установки.

Поскольку сложное устройство водотрубных котлов предусматривает специальную систему топочных перегородок и пучков труб, то тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, многократно обтекает одни и те же трубы с водой, что увеличивает теплоотдачу, а значит, КПД котла.

Водотрубные котлы, в свою очередь, подразделяются на:

Горизонтальные (при этом резервуар барабанного типа имеет либо продольное расположение, либо поперечное).
Вертикальные (при этом устройство котла может содержать не только 1, но и несколько паровых барабанов).
Радиационные, имеющие в своем составе, как горизонтально, так и вертикально расположенные паровые барабаны, либо их комбинацию. Иногда для более эффективной работы таких паровых котлов может быть применена и принудительная циркуляция.

Кроме того, для повышения эффективности работы водотрубного котла очень часто применяются специальные топочные экраны, позволяющие значительно увеличить выделение тепловой энергии в зоне горения топлива (таким образом, сильно возрастает КПД парового котла) при одновременном снижении требований к теплоизоляционным характеристикам стенок.

Устройство топочного экрана представляет собой ряд близкорасположенных друг к другу труб, по которым течет вода. После нагревания пар из этих труба подается в общую паровую систему котла.

Прямоточные котлы

Паровой котел данного типа способен работать как в режиме, не превышающем максимально допустимую нагрузку, так и режиме, когда давление пара в котле значительно превышает его максимально допустимое значение. В котлах такого типа применяется принудительная прокачка воды по трубам, которая в результате одного прохода через топку превращается в пар с избыточным давлением, необходимым для работы турбин энергетических установок, вырабатывающих электрическую энергию. Таким образом, прямоточные котлы, работающие на жидком, твердом или газообразном топливе, добываемом из недр Земли, главным образом, эксплуатируются на очень крупных электростанциях.

Разрез прямоточного парового котла

Основными достоинствами котлов такого типа являются:

очень широкий диапазон рабочих условий (от недогрузки до перегрузки);
безопасность эксплуатации;
небольшое время от запуска котла до достижения им рабочих условий;
простота перенастраивания котла из одного режима работы в другой.

Чугунные секционированные котлы

Данные котлы получили в настоящее время очень широкое применение для работы в системах отопления. Свое название устройство получило от схожести с радиатором отопления, поскольку собирается так же из отдельных секций, изготовленных из чугуна. Таким образом, данная конструкция позволяет не только быстро собрать котел по месту его установки, но и при необходимости выполнить за короткое время его демонтаж.

Блочная система секционного котла позволяет увеличивать его мощность до необходимого значение путем присоединения новых чугунных секций. Недостатком такой конструкции является то, что при необходимости замены одной из внутренних секций, вышедшей из строя, например, из-за образования в ней трещины, придется полностью разбирать всю конструкцию котла.

Достоинства таких котлов:

небольшое время разогрева котла от пуска до рабочей температуры пара;
высокий КПД;
возможность наращивания мощности котла.

Однако у секционированных котлов ест и недостатки:

Сложность ремонта.
Секции не гарантируют безопасную эксплуатацию устройства при высоких значениях давления (максимальные значения рабочих условий: давление – не более 100 кПа, мощность – не более 200 квт, производительность – не более 4,3 тонны пара в час). При таких условиях необходимо будет сжигать в топке порядка 300 кг высококачественного угля за 1 час.

Блочно-транспортируемые котлы

Впервые такие паровые котлы были применены в период Второй мировой войны, когда войска остро нуждались в устройствах, имеющих не только небольшие габариты, но и не требующих сложного технического обслуживания.

Блочно-модульный дизельный котел

В настоящее время котлы такого типа выглядят, как мобильные блоки небольших размеров, которые в своем составе имеют не только рабочий агрегат, но контрольно-измерительную аппаратуру, необходимую для запуска и поддержания рабочих условий в котле.

Данные устройства могут быть очень быстро запущены в работу, как только будут выполнены все необходимые коммуникационные подключения (вода, электроэнергия или подвод топлива, дымоход). Мощность современных модулей достигает несколько тысяч киловатт, а максимальное рабочее давление пара – 9 МПа.

Несмотря на то, что конструкции котлов отличаются друг от друга системами нагрева воды, все они (кроме электрических) используют специальную камеру сгорания топлива – топку.

Топка парового котла

Паровой котел не может функционировать без тепловой энергии, которая выделяется при сжигании топлива в топке.

Конструктивно этот агрегатный узел состоит из:

Клетки, образованной вертикальными трубами, концы которых присоединены к барабанам коллекторного типа, имеющим небольшой диаметр. Эти барабаны являются частью всей циркуляционной системы парового котла.
Теплоизолирующей огнеупорной обшивки, закрепленной на наружной стороне клетки.
Кирпичей специальной формовки, закрывающих задние поверхности труб клетки. Такая конструкция топки не задерживает на себе золу и шлак.

Однако в последнее время все больше потребителей, использующих паровые котлы в индивидуальных системах отопления, отдают предпочтение электрическим котлам.

Электрические котлы

Паровой котел такого типа характеризуется:

простотой эксплуатации;
экономичностью;
экологичностью;
бесшумной работой.

Кроме того, такое устройство котлов гораздо проще, чем аналогичное у устройств, использующих твердое или жидкое топливо. Электрические котлы не нужно постоянно очищать о золы или шлака, да и само топливо не требует специальной дополнительной заготовки. Таким образом, вы сэкономите деньги, которые были бы затрачены на доставку топлива к вам домой и которые были бы затрачены на оборудование хранилища для топлива.

По своей конструкции электрические котлы подразделяются на:

Приборы прямого действия. В них вода используется в качестве проводника электрического тока, которая нагревается согласно закону Джоуля-Ленца.
Приборы косвенного действия. В них в качестве нагревательных элементов используются, например, ТЭНы.

Однако, если говорить о цене паровых котлов любого типа, то она достаточно высокая. Именно этот факт вызывает желание некоторых потребителей (особенно в сельской местности), создать такой прибор собственными руками. Давайте рассмотрим, возможно ли это осуществить в принципе?

Изготовление парового котла своими руками

Паровой котел – устройство повышенной опасности в доме. Ведь в нем присутствует избыточное давление пара, которое может привести к взрыву котла, а также высокая температура и открытый огонь, которые могут привести к возникновению пожара.

Именно поэтому для кустарного изготовления котла в домашних условиях понадобятся:

точные расчеты;
высокотехнологичные жаропрочные материалы;
различные инструменты и оборудование.

Не стоит забывать и о различных системах контроля, которыми должен оснащаться котел в целях обеспечения его безопасной эксплуатации.

Предположим, чисто теоретически, что все, что нужно для самостоятельного изготовления парового котла у вас есть. Тогда порядок работ будет следующий:

Определитесь с габаритами будущего котла и его функциональной нагрузкой.
Найдите готовые чертежи такого устройства, которое полностью соответствует вашим исходным данным.
Тщательно изучите всю документацию и разберитесь в нюансах создания котла.
Приобретите необходимые расходные материалы: стальной лист толщиной 1 мм; трубы из нержавеющей стали, диаметр которых лежит в пределах от 100 мм до 120 мм; трубки из нержавеющей стали диаметром от 10 мм до 30 мм.
Из стальной трубы диаметром 100 мм необходимо нарезать двенадцать штук кусков трубы, которые будут использованы, как дымогарные. Из 120 мм трубы необходимо изготовить жаровую трубу. Длина всех трубок напрямую зависит от габаритов котла. Стальной лист вам пригодится для изготовления стенок и переборок.
Дымогарные и жаровые трубы вставляются в специальные отверстия соответствующего диаметра, которые выполняются на стенках котла.
После этого концы дымогарных трубок необходимо развальцевать и приварить к основанию котла, воспользовавшись аргоновой сваркой.
Сваркой же фиксируете на корпусе котла коллектор для забора пара и предохранительный клапан для автоматического сброса избыточного давления в котле. Ваш котел может работать с максимальным давлением от 4 до 6 кг/см2!
Утеплите готовый котел для увеличения его КПД с помощью асбеста листового типа.
Готовую установку по производству пара закрепите с помощью разнообразных хомутов.
Основанием парового котла может быть небольшой кусок стальной трубы диаметром 120 мм. Однако толщина стенок такой трубы должна быть не менее 2,5 мм.

Исходя из этого, я не думаю, что у вас что-нибудь получится. Поэтому не тратьте зря свое время и средства, а просто посетите специализированный магазин и приобретите готовый отопительный прибор, который вас устроит по цене, виду используемого топлива и функциональному назначению.

В заключительной части хотелось бы уделить немного внимания особенностям эксплуатации котлов.

Котел своими руками, принцип устройства и расчет оборудования

Особенности эксплуатации

Эксплуатация паровых котлов требует тщательной водоподготовки, регулярной очистки топки и управления работой устройства.

Подготовка воды, используемой в работе котлов. В каждой воде в большей или меньшей степени присутствуют минеральные соли, которые в результате нагревания образуют накипь на поверхностях котла. В результате не только ухудшается теплоотдача сгорающего топлива воде (резко снижается КПД котла), но и может произойти разгерметизация труб в результате их прогорания. Поэтому перед подачей воды в котел ее очищают от солей, добавляя специальные реагенты, например, натриевый цеолит. Необходимо удалять и кислород, растворенный в воде, поскольку он способствует коррозии труб.
Удаление золы на наружных стенках топки должно выполняться периодически (по мере накопления).
В настоящее время управление работой паровых котлов занимаются автоматические системы, построенные на полупроводниковых электронных схемах. В домашних условиях управление работой котла (его пуск, выключение и регулировка расхода топлива) осуществляются вручную.

Таким образом, паровые котлы способны обеспечивать теплом, горячей водой и электричеством (речь идет о ТЭЦ) целые кварталы жилых домов, а могут работать и в индивидуальных хозяйствах. В последнем случае вы сможете самостоятельно, поскольку не зависите от системы централизованного отопления и подачи горячей воды, устанавливать время работы котла и температурный режим.

Это позволит вам существенно снизить затраты на обогрев и горячую воду. При этом данные устройства просты в эксплуатации и требуют минимального вмешательства со стороны человека. А еще котлы являются очень безопасными устройствами, поскольку оснащаются специальными системами, предотвращающими аварийные ситуации!

Принцип работы и устройство парового котла

Паровой котел — это такое устройство, в котором размещена топка. В ней происходит сгорание твердого или подвижного топлива с последующим выделением тепла. Благодаря этому теплу вода в котле нагревается и из нее генерируется пар (насыщенный или перегретый). Выходящий пар имеет давление выше атмосферного и используется в промышленных нуждах.

Для того чтобы паровой котел эффективно выполнял свою основную функцию, необходимо подобрать его по размеру площади обогрева жилых помещений.

В общем виде устройство котла выглядит следующим образом. Находящийся в верхней части котла барабан соединяется с коллекторами, расположенными в его нижней части, при помощи опускных труб (они сами не обогреваются). С помощью подъемных труб коллекторы замыкаются на барабане. Подъемные трубы расположены в зоне сгорания топлива. По трубам вверх поднимается смесь пара и воды, в сепараторе происходит разделение этой смеси на составляющие. Пар поступает в паропровод, а вода возвращается в барабан и снова участвует в процессе выработки пара.
Составные части и устройство парового котла

нагревательные приборы (трубы, радиаторы, батареи, регистры);
магистральные трубопроводы;
регулирующая и запорная арматура;
насосы;
средства управления;
автоматика.

Пример организации парового отопления.

Устройство парового котла предполагает наличие различных труб и сосудов. Трубы и сосуды различного диаметра соединяются между собой методом вальцовки либо сварки. В котлах есть специальные люки, которые обеспечивают возможность очистки и осмотра коллекторов и барабана. Внутри котла есть два пространства: водное и паровое. Водное заполнено водой, а паровое — паром. В паровом пространстве котла располагается сепаратор, который отделяет пар от влаги. Устройство разделяет эти два пространства зеркалом испарения.

Главной составляющей парового котла является топка. В ней происходит процесс горения. Это клетка из вертикальных труб, которые присоединены выходными отверстиями ко включенным в циркуляцию котла барабанам коллектора. Снаружи топка обшита огнеупорными и теплоизолирующими материалами. Между трубами и их обшивкой располагаются специальные кирпичи. Эти кирпичи открывают передние поверхности труб, но закрывают задние, в результате чего на стенах топки не задерживаются шлак и зола.

При использовании твердого топлива оно располагается на колосниковой решетке. Через воздушные отверстия в само измельченное топливо проникает воздух. При коксовании угля его надо периодически перемешивать, чтобы подача воздуха не прекращалась.

При использовании подвижного топлива (угольной пыли, мазута, топливного газа) оно вводится с помощью горелки в топку. В этой горелке сильно закрученные потоки воздуха перемешиваются с поступающей струей топлива.

Средства управления обеспечивают автоматическое включение и выключение парогенераторов по заложенной программе, запоминание первоначальной причины аварии, регулировку уровня воды в барабане и давления пара. Эта система автоматически оповещает о возникновении аварийной ситуации. Так, к примеру, при перенасыщении котла водой либо при сильном повышении давления пара, при пропуске котлом воды и других аварийных ситуациях система автоматически включит сигнализацию.

Разновидности и устройство паровых котлов, их КПД
Для того чтобы понять устройство котла, надо знать принципы, по которым их разделяют между собой:

По способу движения пароводяной смеси. Выделяют по этому принципу два вида котлов: с естественной и принудительной циркуляцией.
По способу возврата конденсата котлов два типа: замкнутые и разомкнутые.
По принципу движения среды, принимающей участие в теплообмене (пар, вода, дымовые газы) бывают водотрубные и жаротрубные котлы.

Схема устройства парового котла.

Котлы бывают двух типов: водотрубные и газотрубные. У них разное устройство и КПД. Газотрубными называются такие котлы, в которых газы перемещаются внутри дымогарных и жаровых труб, нагревая воду. Они опираются на стенки топки сбоку. В водотрубных котлах вода движется по трубам, а газы омывают их с наружной стороны. Крепятся водотрубные котлы к каркасу здания или котла.

Сейчас в основном выпускают паровые котлы серии ДЕ, КЕ, МЕ. Они имеют не только разное устройство, ни и работают на разном топливе. Котлы серии ДЕ имеют высокий КПД, работают на газовом топливе и мазуте, серии КЕ — на твердом топливе.

Принцип действия и устройство парового котла
Полученное в топке тепло, выделяемое топочными газами, поступает к поверхностям нагрева (паронагреватель и кипятильные трубы). Поверхности нагрева бывают двух видов: радиационные и конвективные. Конвективные поверхности нагрева включают следующие элементы: контактные теплообменники, водяные экономайзеры, воздухоподогреватели. Они предназначаются для увеличения КПД установки, уменьшения потерь тепла с выходящими газами, уменьшения топливного расхода.

Принцип действия парового котла.

Огромное значение в работе паровых котлов имеет качество воды. В них может использоваться только чистая вода без примесей. Поэтому перед подачей в котел вода должна проходить химическую очистку и деаэрацию (из воды удаляются газы). Только после этого вода становится питательной.

После этого питательная вода закачивается питательным насосом в водяной экономайзер. Там она нагревается топочными газами и поступает в верхнюю часть барабана, там же происходит перемешивание питательной воды и котловой.

Часть воды котла из верхнего барабана опускается в нижний по трубам, которые называются кипятильными. В верхней части барабана у топочных газов температуры низкие, а в нижней части — высокие. Таким образом вода нагревается и вместе с пароводяной смесью поднимается в верхний барабан по подъемным трубам.

Вторая часть воды котла из верхнего барабана проходит по опускным трубам, которые находятся снаружи топки, затем отправляется на перераспределение по коллекторам. После этого котловая вода в экранных трубах нагревается, в результате чего образуется пароводяная смесь и пузырьки пара, которые отправляются в верхний барабан.

Путь перемещения теплоносителя имеет название циркуляционного контура.

Схема двухтрубной разводки системы отопления.

В верхнем барабане парового котла полученный в испарительных поверхностях нагрева пар проходит через сепаратор, где происходит выделение капелек воды из него. Так получается сухой насыщенный пар и увеличивается КПД. Этот пар поступает по паропроводу к потребителю. Этот пар может и отправиться по тому же паропроводу в пароперегреватель, где нагревается до более высокой температуры при сохранении давления.

Во время работы паровых котлов в верхнем барабане постоянно происходит колебание уровня воды между высшим и нижним положениями. Это предусмотрено для увеличения КПД паровых котлов. Тот объем воды, который находится между этими двумя уровнями, является резервным для бесперебойной работы котла во время отсутствия поступления в него воды. Чтобы увеличить КПД парового котла, устанавливают воздухопрогреватели.

Определение положения максимального или так называемого высшего допускаемого уровня воды в барабане парового котла осуществляется с тем расчетом, чтобы предупредить попадание воды в пароперегреватель.

Медные трубы — прочные, надежные, практичные. Такой трубопровод способен выдержать высокие температуры теплоносителя.

Определение положения минимального или низшего допускаемого уровня воды в барабане парового котла осуществляется с тем расчетом, чтобы исключить перегревание металлической поверхности кипятильного пучка и верхнего барабана, а также для того, чтобы обеспечить стабильное поступление воды в опускные трубы.

Устройство паровых котлов предусматривает циркуляцию воды. Она может быть естественная и принудительная. Естественная циркуляция в паровых котлах, которую предусматривает их устройство, обеспечивается за счет различной плотности пара и воды. Плотность пароводяной смеси в подъемных трубах ниже плотности воды в опускных трубах. Но при этом температура и давление одинаковые на протяжении всей трубы. К тому же пар — это газ, который всегда стремится вверх.

Принудительная циркуляция в паровых котлах осуществляется с помощью специальных насосов.

Нарушение циркуляции может происходить:

в результате неравномерного прогрева поверхности испарения в результате зашлаковывания труб;
в результате неравномерного распределения воды по коллекторным и экранным трубам из-за загрязнения их шламом и т. д.

Условия безопасной работы паровых котлов
Главным условием для безопасной работы парового котла и увеличения его КПД является поддержание температуры металлических поверхностей нагрева на заданном уровне. Это достигается благодаря непрерывной работе теплоносителя внутри нагреваемых труб, которую обеспечивает его устройство (происходит интенсивное охлаждение этих поверхностей нагрева). Это необходимо, поскольку топочные газы на выходе имеют очень высокие температуры. Теплоноситель должен постоянно отводить тепло от стенок труб, которые нагреваются от тепла дымовых топочных печей. В случае недостаточного отвода тепла от труб металл перегревается, теряет свою прочность, снижается КПД. Могут появляться свищи и отдулины. Самый худший вариант — это разрыв труб и аварийная остановка котла.

Недопустимо халатное отношение персонала к работе котельного оборудования. В результате может произойти не только снижение коэффициента полезного действия, но выпуск воды из барабана. В опускные трубы попадет пар, образуется кавитация, перегреются верхний барабан и трубы. В конечном счете произойдет авария.

Устройство и принцип работы паровых котлов

Котельные установки, генерирующие пар из воды, заслуживают особого внимания. Они редко применяются для обогрева зданий, обычно отопление – их вторичная функция. Главной задачей подобных агрегатов является производство пара для различных технологических процессов. В зависимости от требуемых параметров пара на выходе подбирается устройство парового котла, обеспечивающее эти параметры.

Принцип действия и виды паровых котлов

Если целью отопительных установок есть нагрев воды для обогрева дома при недопущении ее закипания в котловом баке, то работа парового котла решает противоположную задачу. Она состоит в том, чтобы направить всю тепловую энергию сжигания топлива на кипячение воды и ее испарение. Некоторые технологические процессы требуют повышенной температуры пара, поэтому третьей стадией работы агрегата становится его подогревание до этой температуры (перегрев). Главными рабочими показателями парогенераторов являются давление и производительность, которая выражается в тоннах за 1 час.

Конструкции данного вида теплосилового оборудования бывают разные, но принцип работы парового котла остается неизменным: сжигая жидкое топливо или природный газ в топке, передать всю теплоту сгорания воде, проходящей через теплообменник с целью испарить ее и направить потребителям. По способу передачи тепла в парогенераторах используются теплообменники:

жаротрубные (дымогарные);
водотрубные.

У них есть одна общая особенность: это трубы, изготавливаемые в различных установках разного сечения и формы. Внутри труб перемещается одна из сред – участниц процесса передачи тепла, а снаружи они омываются второй средой. В жаротрубных теплообменниках внутри проходят раскаленные продукты горения, нагревающие воду в котловом баке до состояния парообразования. Все происходит наоборот в водотрубном агрегате, где по змеевикам циркулирует вода, а прогревается она снаружи пламенем горелки и дымовыми газами.

Жаротрубные установки

На рисунке представлена конструкция парового котла с жаротрубным трехходовым теплообменником. Трехходовой – это значит, что дымовые газы перед выбросом наружу совершат три хода по трубкам, омываемым водой. Первый ход – это сама камера сгорания, в ней температура наиболее высокая. В ее конце газы меняют направление движения, попадая в трубы второго, а затем и третьего хода. К такому движению продукты горения побуждает работа вентилятора плюс естественная тяга дымовой трубы.

Уровень воды в котловом баке этой конструкции нестабилен, поскольку в процессе нагрева ее часть закипает и в виде пара поступает в аппарат, отделяющий мелкие капли, - сепаратор. Отделение жидкости надо делать обязательно, иначе в паропроводах, ведущих к потребителям, будут возникать гидроудары, результатом станет их разрушение. Недостаток воды в рубашке необходимо постоянно пополнять, для этого задействован питательный насос для парового котла.

Важно! Особенность любых парогенераторов заключается в том, что в них нельзя подавать холодную воду, минимальную ее температуру каждый производитель указывает индивидуально для своего изделия.

Подогрев питательной воды осуществляется двумя способами:

1. С помощью дополнительного пластинчатого теплообменника, отнимающего для подогрева энергию у производимого пара.

2. Посредством экономайзера, установленного на выходе дымовых газов из агрегата. Экономайзер еще больше понижает температуру продуктов горения, за счет этого подогревая питательную воду. Метод повышает общую эффективность работы генератора на 3-6%.

Водотрубные агрегаты

Другая схема парового котла – с водотрубным спиралевидным теплообменником. Здесь дымовые газы тоже делают несколько ходов, перед тем как покинуть агрегат. Горелочное устройство помещено по центру, внутри змеевика с водой. При такой организации нагрева парообразование в змеевике происходит достаточно быстро и производительность установки в целом выше. Но тут кроется и недостаток: малейшая задержка с подпиткой змеевика вызовет прогорание труб и аварийную ситуацию. Жаротрубные схемы лишены этого недостатка, но они более инерционны и обладают большими габаритами.

Отдельно следует отметить требования к качеству подпиточной воды. Технология процесса и устройство паровых котлов таковы, что она должна пройти несколько этапов подготовки:

Очистка и доведение до питьевого качества.
Обессоливание химическим способом.
Удаление пузырьков воздуха термическим либо химическим способом (деаэрация).

Примечание: при выборе деаэрации термическим способом одновременно решается вопрос с подогревом питательной воды, поскольку в деаэраторе она нагревается до 70-80 ºС

Невзирая на мероприятия по водоподготовке, паровой котел требует периодической очистки от накипи, которая все равно появляется на поверхностях обмена. Операция носит название «продувка», производится различными способами и заключается в промывке труб теплообменника под давлением.

Заключение

Парогенераторы – это достаточно сложные и энергоемкие устройства, применяющиеся в промышленном производстве. Во избежание аварийных ситуаций их монтаж, пусконаладочные работы и эксплуатация должны проводиться хорошо обученным высококвалифицированным персоналом.

Стоит ли делать паровое отопление в частном доме Обзор котлов большой мощности Как сделать паровую турбину

В чем заключается принцип работы паровых котлов

Паровые котлы являются специализированным оборудование для производства пара из жидкостей, в основном из воды. Пар применяется в различных сферах производства, энергетике и в отопительных системах, например для отопления промышленных зданий, учреждений, находящихся в тяжелых климатических условиях. Использование пара оправдано при дезинфекционных мероприятиях в медицинских учреждениях. В зависимости от поставленных задач, существуют промышленные парогенераторные установки, и котлы, предназначенные для бытовых задач. Эти агрегаты могут работать на различных источниках тепловой энергии. Существуют устройства, которые генерируют пар при помощи утилизации излишков тепла, полученного от крупных промышленных установок. Выбор необходимого парогенераторного оборудования должен происходить на основе знаний принципов работы данных устройств и их классификации.

Паровой котел, для чего он нужен?

Паровые котлы, в зависимости от назначения применяются в определенных областях, где использование пара необходимо для соблюдения технологического цикла производства или в некоторых проектах отопительных систем.

Оборудование, генерирующее пар подразделяется на следующие виды:

паровые котлы энергетического назначения (используются на электростанциях, для привода турбин, генерирующих электроэнергию);
паровые котлы промышленного типа (выработка пара для осуществления технологических операций в производстве);
паровое котельное оборудование, предназначенное для отопления, прачечных, эксплуатации дезинфекционных установок;
утилизационные котлы, производящие пар при помощи отбора тепла у перегретых дымовых газов, образующихся в результате производства в металлургии и химической промышленности.

Паровой котел промышленного типа

В энергетике используются самые мощные устройства, вырабатывающие до 5000 т пара в час при давлении около 280 кгс/см2. Пар получают перегретым до температуры 500 С. после чего он поступает в турбинные агрегаты, где происходит превращение тепловой энергии в механическую.

Паровые котлы для отопительных систем производят пар низкого давления, чаще всего в насыщенном состоянии. Отопление такое типа целесообразно использовать в очень холодных климатических зонах, для предупреждения замерзания теплосистемы, в частности, ее оборотного цикла.

В некоторых учреждениях выгодно эксплуатировать паровой котел, который обеспечивает отопление здания и служит для подачи пара в прачечные. Иногда паровые генераторы устанавливают там, где возможна утилизация высокотемпературных газов, данное решение позволяет экономить существенные суммы в отопительный период.

Паровые котлы и принцип работы имеют значительные отличия от водогрейных систем. Работа парообразующих агрегатов основана на нагреве воды и последующего ее превращения в пар. Нагрев ведется при помощи выделения тепла от сжигания горючих материалов, чаще всего используется природный газ или уголь. Выдача пара котлом всегда происходит под избыточным давлением и в зависимости от назн ачения его величина колеблется в широких пределах и может меняться от1 кгс/см2 до нескольких сотен кгс/см2.

Схема работы парового котла

Эксплуатация подобных устройств связана с некоторой опасность, так как пар является сжимаемой средой и в котлах определенного типа он находится в больших объемах в сжатом состоянии, в связи с этим надежность оборудования регламентируется специальными ГОСТами. Главный фактор надежности обусловлен отсутствием разгерметизации и высвобождением большой массы разогретого пара в близлежащее пространство.

Узнай, как можно изготовить пиролизный котел своими руками.

Как разобраться, какая лучше чугунная печь камин длительного горения? Все можно тут.

Современное оборудование более безопасно, по причине применения таких схем конструкции котла, при которых образование пара происходит в малых объемах, но с высокой скоростью, то есть не происходит аккумуляция значительных масс парообразного состояния воды. Тем не менее, безопасность паровых установок зависит от контроля параметров давления и температуры и от уровня автоматики, осуществляющей сброс излишков пара и отключения нагрева в случае аварийной ситуации .

Различия и виды парового оборудования

Несмотря на то, что принцип действия всех котлов основан на передаче теплоты сгорания горючих веществ воде для ее перехода в парообразное состояние, конструктивный подход в парогенерирующих агрегатах разный.

Основные виды оборудования:

с газотрубным методом получения пара;
с водотрубным методом.

Газотрубные котлы предусматривают получение пара следующим способом . В цилиндрический корпус котла встроены трубы, в которых происходит горение или проходят разогретые дымовые газы. От этих труб происходит передача тепла воде, которая затем превращается в пар. Эти агрегаты подразделяются на котлы с жаровыми или дымогарными трубами.Жаровой тип предполагает процесс сгорания топлива непосредственно в самой трубе, для этого на входе в нее устанавливается горелка с наддувом, которая позволяет равномерно сгорать топливу по всей длине трубы. В дымогарных трубах, горения не происходит, а теплота воде передается за счет подачи в них разогретого газа (продуктов сгорания) . То есть теоретически происходит процесс утилизации избыточного тепла продуктов сгорания. Процесс испарения происходит в верхней части цилиндра и накопленный пар постепенно сбрасывается в магистраль через перепускной клапан, рассчитанный под требуемое давление.

Котел с газотрубным методом получения пара

Утилизационные схемы котлов с дымогарным способом передачи тепла, проектируются таким образом, чтобы температура газов на выходе была не менее 150 С, для обеспечения последующей тяги в дымовых трубах.

В газотрубных котлах происходит образование пара непосредственно в самом корпусе устройства, из-за этого емкость котла является накопителем большой массы пара под избыточным давлением. Этот факт ограничивает мощностные характеристики агрегатов, так как в случае генерации пара под высоким давлением возможен разрыв сосуда агрегата и мгновенное высвобождение большой массы парообразного вещества. Мощность газотрубных котлов ограничена и составляет приблизительно 400 кВт, рабочее давление не выше 10 кгс/см2.

Водотрубные парогенераторы имеют противоположный принцип работы. В них теплота сгорания топлива передается трубам, к которых находится вода, вследствие чего происходит закипание и переход ее в парообразное состояние. Расположение кипятильных труб и способ циркуляции воды по ним зависит от конструктивных особенностей.

Наиболее распространенные схемы водотрубных генераторов пара:

Барабанная схема

Барабанные устройства бывают горизонтальными или вертикальными . состоят из топки, сверху которой расположены обвязки из труб, выходящие в барабан, накапливающий готовый пар. Теплота сгорания топлива передается трубам, в них образуется насыщенный пар, в барабане происходит отделение неиспарившейся воды, которая возвращается обратно в трубы. Прогон жидкости по ним может происходить до 30 раз и зависит от типа агрегатов. Котлы с естественной циркуляцией воды работают по принципу поднятия разогретых водных слоев и считаются менее производительными. В циркуляционных водотрубных генераторах количество прогонов сокращается и повышается выход готового пара, при этом требуется большее количество топлива для обеспечения скорости парообразования. Исполнение котлов может быть горизонтальное или вертикальное. В горизонтальных конструкциях используется один барабан для приема пара, а в вертикальных решениях допускается несколько барабанов.

Барабанный котел с водотрубным методом получения пара

Современные конструкции предусматривают установку радиационных экранов в топке, позволяющих отбирать лучистый тип энергии при сгорании и дополнительно производить пар. Геометрическое расположение труб в кожухе котла напрямую влияет на скорость нагрева и парообразования, при этом происходит экономия топлива.

Так же как и в газотрубных котлах температура газов не должна быть менее 150 С, для избегания ухудшения тяги. В больших промышленных установках применяются дымоотсосы для удаления продуктов сгорания.

Для того чтобы производить перегретый пар с нужной температурой, устанавливается пароперегреватель. Его конструкция напоминает пучковое соединение труб, только в них подается насыщенный пар, а на выходе он выходит в перегретом состоянии. Нагрев ведется также дымовыми газами.

Прямоточная схема

Прямоточные агрегаты устроены таким образом, что подаваемая вода в трубы проходит без циркуляции и за это время успевает перейти в парообразное состояние. Такой тип котлов является наиболее производительным.

Комплексная парогенерирующая установка содержит специальный сепаратор, задача которого состоит в удалении жидкой составляющей парообразной смеси. Это критично для потребителей, требующих подачу сухого пара. Содержание жидкой фазы воды ухудшает теплоотдачу и может привести к конденсационным эффектам в узлах магистрали, в результате возникает риск гидроудара в системе.

Схема прямоточного котла с водотрубным методом получения пара

Водотрубные котлы, в отличие от газотрубных нуждаются в тщательной водоподготовке, так как при парообразовании может происходить отложение солей на внутренней поверхности труб. Это приводит к снижению производительности или к аварийным ситуациям из-за прогара. Водоподготовка включает удаление растворенного кислорода и смягчение воды специальными химическими веществами. При эксплуатации котла в замкнутом контуре, например в отопительной системе, водоподготовка проводится один раз. Если предусматривается постоянный забор готового пара, то подпитка ведется только подготовленной водой.

Топливом для паровых котлов может служить:

природный газ;
уголь;
дизельное топливо;
электроэнергия;
мазут;
атомная энергия.

Паровые котлы с низкой производительностью, применяемые для отопления различных площадей, чаще всего используют природный газ, уголь или дизельное топливо.

Для каких помещений подходит паровое отопление?

Паровое отопление применяется в определенных случаях, в основном, когда целесообразно утилизировать энергию дымовых газов от какого-либо производства. Как правило, чаще всего отапливаются производственные площади (цеха, мастерские, подсобные помещения, гаражи).

В настоящее время отопление паровым способом жилых помещений применяется редко, так как сложно регулировать температурный режим и существует опасность ожога паром при повреждении отопительной системы.

Паровые котлы, работающие на угле, газе или дизельном топливе устанавливают в тех помещениях, в которых нужно установить определенную температуру за короткий период времени. Объясняется это малой инерционностью паровых систем и большой отдачей тепловой энергии. Пар, кроме передачи своего тепла, передает скрытый тип тепловой энергии во время своей конденсации, которая была получена в процессе испарения. То есть тепловая энергия передается не только за счет охлаждения массы пара, но и за счет его конденсации.

Разбираемся, как выгодно печи для гаража купить и не ошибиться при выборе.

Для каких целей, какие нормы и прочее можно узнать в статье печь буржуйка для гаража.

Схема парового отопления дома

Достоинства парового отопления:

можно применять радиаторы меньшей площади, за счет большой ∆t;
быстрое достижение требуемой температуры в помещении;
малый объем сконденсированной воды на возвратном трубопроводе, позволяет применять трубы небольшого диаметра;
возможность сократить расходы на отопление при возможности утилизации дымовых газов в парогенераторе.

невозможность регулировки температуры радиаторов;
вероятность ожога при прикосновении к элементам отопительной системы (температура 120-130 С);
высокий уровень шума работы паровых котлов;
потери тепла в магистралях.
Паровые котлы, спецификации по их эксплуатации, должны подбираться в зависимости от поставленных задач и финансовой целесообразности их использования.

Котел паровой, цена зависит от объема

Парогенерирующее оборудование, специфично и кроме промышленного и энергетического применения может использоваться в качестве альтернативы водяному отоплению в нежилых помещениях при проектных требованиях данной системы.

Принцип работы парового котла (видео)

В данном видео вы узнаете как происходит процесс работы парового котла

Получаемый пар может использоваться по-разному. Например, он может крутить паровые турбины. Теплоносителем в паровом котле являются газы, которые образуются при сжигании топлива. Паровые котлы имеют очень интересный принцип работы, который и будет рассмотрен в данной статье.

Конструктивно котлы могут достаточно сильно различаться между собой, однако отечественные производители в основном выпускают котлы П-образной формы, о них и пойдет речь. Такой котел представляет собой две призматические шахты, которые соединены вверху газоходом. Топочной камерой является шахта большего размера, причем размер зависит от мощности котла и типа применяемого топлива, при этом стены топочной камеры покрыты специальными трубами (топочными экранами), которые нагреваются путем прямого излучения. Вторая шахта меньше в размерах и является конвективным газоходом, в котором и происходит теплообмен.

Топливо, сгорает в топке при температуре до 1900 градусов Цельсия. Но до конвективной шахты газы доходят имея значительно меньшую температуру — порядка 800 градусов, остальная энергия уже поглотилась топочными экранами. После прохода через дымоход температура дыма опускается примерно до 100 градусов, и продукты сгорания выводятся из котла, ведь дальнейшее использование становится уже экономически невыгодным.

В целом принцип работы парового котла заключается в следующем. При сгорании топлива образуется тепло, которое при помощи теплообменников передается воде. При этом вода сразу нагревается практически до точки кипения, затем во второй фазе происходит парообразование, после чего происходит дополнительный нагрев пара. Все это происходит в отдельных устройствах нагрева внутри котла. Дополнительный нагрев пара происходит в теплообменнике, расположенном в топке котла. Пароперегреватель — это очень важная часть котла, ведь он постоянно находится в условиях очень высокой температуры, а значит, он должен быть очень качественным и надежным. Это был рассмотрен водотрубный вариант парового котла, в котором вода течет по трубам и поглощает тепло из окружающего пространства.

Но существуют также и газотрубные паровые котлы. Здесь уже принцип работы происходит наоборот — по трубам проходят раскаленные газы и отдают тепло воде, расположенной снаружи труб. Но такой вид паровых котлов встречается достаточно редко, к тому же такие котлы не способны вырабатывать достаточную мощность.

Часто наблюдается необходимость одновременно с получением пара еще и нагревать воду, для этих целей применяются водогрейные котлы.

Паровой котел представляет собой конструкцию закрытого типа, которая под воздействием сгорания топлива превращает вещество из жидкого состояния в газообразное состояние высокого давления.

Паровой котел – это конструкция, в которой вещество из жидкого состояния превращается в газообразное.

В качестве материала для парового котла необходимо выбирать такой, который характеризуется плотностью, прочностью, не пропускает газы. Лучше всего для этих целей использовать листы железа, красный купрум и мягкую сталь. Раньше паровые котлы было принято делать с использованием чугуна, но сегодня решили отказаться от этого материала, поскольку он не является надежным для работы подобных конструкций.

Принцип действия паровых котлов

Устройство парового котла должно соответствовать принципу его действия: потеря пара из аппарата должна компенсироваться заново образующимся паром.

Если это условие не соблюдается, то паровое давление в приборе начнет стремительно снижаться. По этой причине объем котла и камеры для горения топлива необходимо сопоставлять с объемом пара, который производит котел.

Схема принципа действия парового котла.

Паропроизводительность (количество вырабатываемого пара котлом за 1 час работы) парового котла определяется силой парового механизма, который работает благодаря пару, вырабатываемому котлом. Сквозь корпус котла проходит тепло от сгораемого топлива в воду; от величины нагреваемой площади (стенки парового котла, покрытые с внутренней стороны водой и обдаваемые жаром с внешней стороны) напрямую зависит количество полученного «полезного» пара и его потеря вследствие улетучивания в трубу дымохода.

Пропорционально росту нагреваемой площади растет вес и цена парового устройства. Наиболее экономичным и практичным является паровой котел, цена топлива для которого в сумме с затратами на саму конструкцию и ее комплектующие будет самой низкой. При эксплуатации промышленных паровых котлов, характеризующихся высоким уровнем паропроизводительности, одной из задач является экономия средств на топливо, поэтому в паровых агрегатах такого значения стараются по максимуму увеличить нагреваемую площадь устройства, не жалея больших денежных вложений в сами котлы.

Разновидности паровых котлов

Плюсом котла цилиндрической формы является простота использования, а минусом – громоздкость.

Самой простой моделью парового агрегата является цилиндрическая конструкция, похожая на трубу из железа, в диаметре 90-150 см и длиной 20 м и более. Цилиндр имеет на концах изогнутые или плоские крышки, которые именуются днищем парового котла. Материалов для производства устройства являются листы железа от 7 мм толщиной, которые тщательно крепятся друг к другу. Днища котла делаются также из листов железа той же толщины. Такая форма устройства является очень выгодной с точки зрения прочности.

Положительными сторонами цилиндрической формы парового котла считаются ее простота и удобство в обслуживании; минусы заключаются в небольшой нагреваемой площади или чрезмерной громоздкости. Чтобы сделать большей площадь нагрева, не увеличивая при этом длину самого котла, его требуется дополнительно оснащать одним или парой вспомогательных цилиндрических паровых котлов меньших размеров. Эти вспомогательные агрегаты можно подразделить на 2 типа: так называемые кипятильники (пламя направлено непосредственно на котел) и подогреватели (подвергаются воздействию огня после основного прибора). Такое вспомогательное оборудование соединяется с основным агрегатом посредством одного или нескольких патрубков.

Под котлом на решетке из колосников (брусьев из железа или чугуна) горит топливо. Пламя и горячий газ в первую очередь затрагивают нижнюю часть парового котла, переходя по первой дымоходной трубе во второй конец устройства. После, опускаясь ниже и возвращаясь по второй дымовой трубе, огонь воздействует на верхнюю часть дополнительного котла и, в конечном итоге, проходит по третьей трубе, воздействуя на нижнюю часть вспомогательного агрегата.

Парообразование в установке с дополнительными котлами проходит в основном приборе, а в подогревателях осуществляется нагрев воды до температуры, близкой к температуре кипения. Подогреватель в диаметре составляет приблизительно 50 см. Зачастую в одной печи проводят установку более 3-х горизонтальных паровых агрегатов, каждый из которых имеет некоторое количество вспомогательных приборов более малого диаметра. Такую котловую систему именуют батарейным котлом.

Конструкция паровых котлов английского типа

Принцип работы корнуэльского парового котла.

В Великобритании были созданы паровые котлы с особой конструкцией, в которых увеличение нагреваемой площади произвели за счет трансформации топочных камер в так называемые жаровые, или пламенные, трубы. Эти трубы оснащены решеткой из колосников, на которой происходит сгорание топлива. Английский паровой агрегат, оснащенный одной жаровой трубой, называется корнуэльским паровым котлом, с парой труб – ланкаширским. Самой небезопасной частью английских паровых конструкций считаются гладкие пламенные трубы, поскольку они с легкостью деформируются под действием высокого внешнего парового давления, поэтому их требуется скреплять особым образом. Намного надежнее волнистый тип труб, поскольку они характеризуются намного большим сопротивлением, нежели гладкие, и их не нужно скреплять как-то особенно.

Ланкаширский паровой котел – это котел с двумя трубами.

Днище английской конструкции паровых котлов выпускается выпуклой формы с наружными и внутренними флянцами, предназначенными для соединения с топочными трубами и собственно котлом. В этих устройствах, по аналогии с другими, огонь сгораемого топлива идет сперва над кирпичным порогом, который служит в качестве ограждения топливного слоя и для более благоприятного смешивания поступающего воздуха с дымом. Перемещаясь по топливным трубам, огонь нагревает ее поверхность и окружающую воду, затем нагревают боковую и нижнюю поверхность парового котла, передвигаясь по второй дымоходной трубе к третьей.

Первоначальный пар, вырабатываемый котлом, в составе имеет большое количество влаги и именуется влажным. Чтобы осушать влажный пар, на паровой установке монтируется специальный паровой колпак, который через латеральные патрубки и паропроводящие трубочки отводит пар к месту его транспортирования. Осмотр начинки парового агрегата, а также удаление с его деталей и стенок накипи и пыли выполняется через особые отверстия, оснащенные крышками, которые именуются горловинами либо лазами.

Английские котлы производятся до 230 см в диаметре при длине в 8-10 м. Топочные трубы составляют не менее 70 см в диаметре, но лучше всего функционируют трубы диаметром 0,9 м.

Морской (пароходный) тип парового агрегата снабжен парой топочных труб (в некоторых случаях и больше) в нижней части конструкции и большим количеством дымогарных трубочек в верхней части. Такие котлы выпускаются в диаметре от 400 см и более, толщина их стенок может достигать 3 см. Дымогарные трубки по своей функции никак не соответствуют своему названию, так как они необходимо только для увеличения нагреваемой площади и никак для горения дыма. Скорее даже напротив, они стимулируют выработку дыма, поскольку охлаждают находящийся в середине их горячий газ. Эти трубки, материалом для которых служит железо или латунь, устанавливаются в тех ограниченных местах, в которых требуется добиться максимальной нагреваемой площади. Их часто можно встретить в конструкции промышленных паровых котлов и в паровозном котле.

Если заменить 1 большую топливную трубу на 100 маленьких трубочек с диаметром, в 10 раз меньше от диаметра обычной трубы, то суммарная площадь поперечного разреза маленьких трубочек будет аналогичной большой пламенной трубе, но суммарная нагревающаяся поверхность всех трубочек составит величину в 10 раз больше по сравнению с площадью большой жаровой трубы.

Устройство водотрубного типа котлов

Схема водотрубного котла вертикального типа.

Непрерывно растущее использование все более высокого парового давления привело к обращению к нового типа водотрубным котлам, имеющих различие от трубных в том, что в их состав входят трубочки с малым диаметром, которые заполняются водой и размещаются непосредственно над пламенем, а не в середине большого парового котла. Котлы водотрубного типа могут работать с высоким давлением пара (10-15 атм. и более) благодаря трубкам с малым диаметром и не толстыми стенками. Паровой котел водотрубного типа имеет меньший диаметр по сравнению с трубчатыми и английскими котлами, он не подвержен прямому воздействию пламени.

Примером водотрубного типа котлов является паровой агрегат Дюрра. Его конструкция заключается в размещенных под наклоном относительно горизонта трубочек, запаенных с одной стороны и установленных другой стороной в наводненную плоскостенную камеру (коллектор), образующиеся пары в которой направляется в верхний паровой колпак. В каждой водяной трубке находится еще меньшая трубочка. Между трубочками происходит нагрев воды и она в виде пара направляется в коллектор, стимулируя при этом возврат воды из него обратно во внутреннюю трубочку. В такой способ вода усиленно циркулирует, не позволяя грязи скапливаться на внутренней поверхности трубок. На территории Российской Федерации водотрубные паровые котлы Дюрра не стали популярными.

Схема принципа работы водотрубных котлов.

Образец водотрубного котла Рута характеризуется тем, что в его конструкции трубки соединяются посредством специальных соединительных ящиков, выполненных из чугуна. Эта модель парового агрегата вырабатывает пар с большим процентом влаги из-за небольших размеров парового объема в верхней трубе, которая является паросборником.

Очень популярны на территории России водотрубные установки американского производства Бабкок и Вилькокс. В их конструкции трубочки размещены в шахматном порядке.

Консервация паровых котлов

Схема консервации парового котла.

Если произвести остановку парового устройства без консервации с дальнейшим падением давления до уровня атмосферного и предполагаемым поступлением в котел воздушного кислорода и накоплением воды, начнут развиваться коррозионные процессы. При температурном режиме 20°С средняя скорость распространения коррозии составляет 0,05 г/м 2 / ч. Котел с суммарной нагреваемой площадью в 30000 м 2 , не прошедший мероприятия консервации, вследствие суточного простоя подвержен образованию около 50 кг оксида ферума в корпусе.

Чтобы избежать процессов коррозии, при любой остановке работы парового котла необходима консервация. Консервация на срок до суток заключается в способе излишка давления, мероприятия консервации на время до 5 дней включают в себя сухой останов. При остановке от пяти до 60 дней проводится гидразинно-аммиачный тип консервации либо применение ингибиторов контактных. Если остановка работы котла планируется на срок более 2-х месяцев, для консервации используются контактные ингибиторы.

Можно также использовать сухой тип консервации, заключающийся в заполнении конструкции азотом. Но должно выполняться условие: необходимо целиком выпустить из корпуса воздух.

Самые популярные статьи блога за неделю

Развитие конструкций котлов. Исторически развитие паровых котлов шло в направлении повышения паропроизводительности, параметров производимого пара (давления и температуры), надежности и безопасности в эксплуатации, увеличения экономичности (КПД) и снижения массы металлоконструкций, приходящейся на 1 т вырабатываемого пара.

Исходным типом современных котлов был простой цилиндрический котел (рис. 18.1, а), выполненный в виде горизонтального барабана с топкой под ним. Стенки барабана были одновременно и поверхностью нагрева. В дальнейшем увеличение поверхности нагрева шло по двум направлениям. В одном случае непосредственно в водяном пространстве барабана размещались большие и малые трубы; при этом большие одновременно являлись топкой (котлы с жаровыми трубами), а по малым пропускались продукты сгорания (котлы с дымогарными трубами). В другом случае к барабану присоединялись дополнительные наружные трубные поверхности нагрева - кипятильные пучки, заполненные водой и обогреваемые топочными газами (водотрубные котлы).

Уменьшение диаметра труб этих поверхностей и увеличение их количества вели к росту удельной поверхности нагрева (м 2 /м 3 объема газохода). В котлах этого типа движение среды через кипятильный пучок труб обеспечивалось за счет естественной циркуляции: пароводяная смесь в трубах кипятильного (испарительного) пучка, которая, естественно, легче воды, поднималась вверх, вытесняемая водой, поступающей из барабана по опускным трубам. Чтобы предотвратить образование пароводяной смеси в опускных трубах и уменьшить их сопротивление, увеличивали их диаметр по сравнению с подъемными - кипятильными (рис. 18.1,6) и уменьшали обогрев, располагая их в зоне более низких температур продуктов сгорания (рис. 18.1, в). В дальнейшем опускные трубы вынесли за изоляционную стенку (обмуровку) котла (рис. 18.2). Использование вертикальных трубок в качестве кипятильного пучка (см. рис. 18.1, в) повысило надежность циркуляции пароводяной смеси в них. Котлы этого типа получили название вертикально-водотрубных. Впоследствии вертикальные (подъемные) трубы испарительной поверхности нагрева стали располагать и на стенах топки. Так появились экранные поверхности нагрева. (Название связано с тем, что они, выполняя свою основную функцию в качестве испарительной поверхности, еще и экранируют стены топки от излучения топочного объема, препятствуя налипанию на них размягченного шлака и золы.) Вместо нижних барабанов в качестве коллекторов (рис. 18.2, 18.1,6), объединяющих трубы поверхностей нагрева и являющихся переходными элементами между ними и опускными трубами, в котлах высокого давления используются цилиндрические камеры (трубы) относительно небольшого диаметра. Барабан постепенно перестал играть роль поверхности нагрева. Более того, стремление повысить надежность работы котла явилось причиной выноса барабана из зоны обогрева.

Целесообразность перегрева пара для энергетических установок (см. § 6.4) потребовала размещения специальных поверхностей нагрева - пароперегревателей. Так, к середине XX века оформилась принципиальная схема конструкции барабанного вертикально-водотрубного котла с многократной естественной циркуляцией, имеющего экранированную топку (рис. 18.2).

Устройство современного парового котла. Одна из схем котла с естественной циркуляцией приведена на рис. 18.2. Барабанный паровой котел состоит из топочной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара), воздухоподогревателя, соединительных трубопроводов и воздуховодов.

Топливо подается к горелкам 7 (рис. 18.2). К горелкам подводится также воздух, предварительно нагретый уходящими из котла газами в воздухоподогревателе 5. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную камеру (топку) 8 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500 °С) факел, излучающий теплоту на трубы 1, расположенные на внутренней поверхности стен топки. Это испарительные поверхности нагрева - экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого здесь разведены в два-три ряда, и омывают пароперегреватель 3. Затем продукты сгорания движутся через водяной экономайзер, воздухоподогреватель и покидают котел с температурой около 110-150°С.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогревается в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходящих газов), экономя тем самым теплоту сожженого топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах 1. Испарительные поверхности подключены к барабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 3, перегретый пар направляется к потребителю.

Все поверхности нагрева котла, в том числе и воздухоподогреватель, как правило, трубчатые. Лишь некоторые мощные паровые котлы имеют воздухоподогреватели иной конструкции.

Нижнюю трапециевидную часть топки котельного агрегата называют холодной воронкой - в ней охлаждается выпадающий из факела частично спекшийся зольный остаток, который в виде шлака проваливается в специальное приемное устройство. Газомазутные котлы не имеют холодной воронки.

Газоход, в котором расположены водяной экономайзер и воздухоподогреватель, называют конвективным (конвективная шахта), в нем теплота передается воде и воздуху в основном конвекцией. Поверхности нагрева, встроенные в этот газоход и называемые также хвостовыми, позволяют снизить температуру продуктов сгорания от 500-700 °С после пароперегревателя почти до 100 ° С, т. е. полнее использовать теплоту сжигаемого топлива.

Вся трубная система и барабан котла поддерживаются каркасом, состоящим из колонн и поперечных балок. Топка и газоходы защищены от наружных теплопотерь обмуровкой - слоем огнеупорных и изоляционных материалов. С наружной стороны обмуровки стенки котла имеют газоплотную обшивку стальным листом с целью предотвращения присосов в топку избыточного воздуха и выбивания наружу запыленных горячих продуктов сгорания, содержащих токсичные компоненты. Для повышения надежности работы котла в ряде случаев движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре (барабан - опускные трубы - нижний коллектор - подъемные трубы - барабан) осуществляется принудительно (насосом). Это - котлы с многократной принудительной циркуляцией.

Одними из последних являются конструкции прямоточных котлов с принудительным - при помощи питательного насоса - движением воды, пароводяной смеси и перегретого пара. Для этих агрегатов необходимость в барабане отпадает, и он не устанавливается. По прямоточной схеме работают также практически все водогрейные котлы, не имеющие ни испарительных, ни перегревающих поверхностей. Основные схемы движения потока вода - пароводяная смесь - пар в современных котельных агрегатах показаны на рис. 18.3.

В газоходах и топке котла за счет тяги специально устанавливаемого дымососа поддерживается разрежение. Оно не позволяет продуктам сгорания выбиваться в атмосферу котельного цеха через возможные неплотности обмуровки, через лючки и лазы.

Паровые котлы оснащаются системами дистанционного управления и автоматизации, обеспечивающими надежную, безопасную и экономичную их работу.

На предприятиях страны установлены изготовленные отечественными заводами паровые котлы различных конструкций. Размеры паровых котлов также различны. Некоторые в собранном виде можно перевозить автомобильным транспортом; в то же время крупнейшие котлы тепловых электрических станций имеют высоту до 100 м.

Наиболее крупными из выпускаемых в настоящее время котлов являются энергетические. Их паропроизводительность достигает 4000 т/ч, а мощность питающейся от них турбины может доходить до 1200 МВт, давление пара - до 25 МПа, температура перегретого пара - до 560 °С.