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.

Устройство парового котла

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.

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:

• барабанные;
• прямоточные.

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 агрегатыустроены 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.

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.

Недостатки:

• 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

Итог

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

Это разновидность агрегата для передачи тепловой энергии, давление пара в котором превышает уровень в 22 атмосферы. Создание и применение подобных устройств связано с эксплуатацией на заводах силовых агрегатов значительной мощности, имеющих повышенные требования, а также с необходимостью оптимизации расхода топлива.

Высокий уровень давления позволяет получать больший полезный объем пара, нежели в стандартных моделях промышленных котлов.

Наращивание удельной мощности пара стало возможным в 20-х годах ХХ столетия. Новые технологии, развитие машиностроения и металлургии позволили реализовать весь потенциал паровых систем в сфере повышения мощности, производительности и рационализации расхода топлива.

Сферы применения:

• металлургические заводы;
• предприятия горнодобывающей промышленности;
• производство разнообразных железобетонных изделий и прочих стройматериалов;
• заводы, занимающиеся переработкой нефтепродуктов (прогрев нефтепродуктов, обеспечение трубопроводной транспортировки и т. д.);
• деревообработка (сушка древесины);
• изготовление комбикормов и кормовых добавок.

Преимущества использования пара высокого давления

Использование водяного пара под значительным давлением связано с некоторыми особенностями:

• чем выше температура жидкости, тем выше давление пара;
• уровень давления пара обратно пропорционален температуре испарения;
• прямая зависимость давления насыщенного сухого пара и его температуры работает вплоть до 40 атмосфер, после чего температура начинает снижаться;
• температура перегретого пара постоянно растет при повышении давления.

Все это в совокупности означает, что при показателях давления до 40 атмосфер и при использовании насыщенного сухого пара можно снизить потребление топлива (в расчете на единицу пара). При работе с перегретым паром непрерывное повышение давления позволяет непрерывно же снижать расход топлива, однако уровень экономии незначителен.

Наибольшую продуктивность пар высокого давления показывает при эксплуатации паровых турбин и машин на различных заводах.

Промежуточный (вторичный) перегрев пара высокого давления

По совокупности параметров именно отработанный (перегретый) пар является наилучшим выбором для задач отопления и нагревания. При давлении в 80 атмосфер коэффициент полезного использования производимого тепла может достигать показателя в 70 %. Именно поэтому отработанный пар находит самое широкое применение в агрегатах повышенного давления.

Вторичный перегрев дает возможность нивелировать значительную влажность пара, проявляющуюся на последних этапах процесса отработки. Таким образом, можно достичь практически полного применения всего затраченного тепла.

Средняя экономия топлива при задействовании промежуточного перегрева составляет 1-3 %. Если осуществить дополнительную настройку регенеративных процессов, ответственных за подогрев подпитывающей воды при помощи пара, можно достичь 8-процентной экономии.

Конструкции и схемы промышленных паровых котлов высокого давления

Паровые котлы, использующие пар под значительным давлением, представлены двумя основными категориями:

1. Сравнительно старые модели промышленных котлов (секционные, вертикально-водотрубные), переконструированные с учетом эксплуатационных требований к системам со значительным давлением; как правило, используются при отсутствии более современной альтернативы, не отличаются большой эффективностью.
2. Варианты котлов высокого давления, изначально сконструированные для функционирования в таких условиях.

Наиболее распространенные системы, относящиеся ко второй категории:

• Атмос - несколько труб (роторов), расположенных горизонтально в топочном пространстве и вращающихся со скоростью около 300 оборотов в минуту; паропроизводительность зависит от числа оборотов роторов. Верхняя граница паропроизводительности систем Атмос - 300--350 кг/м 2 . Основные преимущества - простая схема циркуляции воды, отсутствие дорогостоящих деталей (барабанов); недостатки - высокая сложность устройства вращения роторов, необходимость постоянного ухода за установкой.
• Лефлера - такой котел позволяет получать пар под давлением за счет впуска перегретого пара в испаритель (барабан) одновременно с кипящей водой. Основные преимущества - значительный объем жидкости в испарители, нет необходимости в умягчении воды, отсутствие кипятильных труб. Недостатки - сложность насоса, ответственного за вывод пара, риск пережога труб при внезапной остановке насоса, а также неэкономичность всей установки при давлении меньше 100 атмосфер.
• Бенсона - агрегат использует оригинальную схему, при которой вода переходит в пар без дополнительных затрат тепла. Преимущества такого парового котла высокого давления - малый водяной объем, высокая безопасность и относительная дешевизна конструкции.
• Шмидта-Гартмана - котел, использующий барабан с интегрированной системой змеевиков. Преимущества - безопасность, хороший коэффициент теплоотдачи, горячие газы не оказывают прямое воздействие на барабан. Недостатки - сравнительно высокая цена, некоторые конструктивные особенности (необходимость обеспечивать для змеевиков больший уровень давления, нежели для рабочего пара).

Общие черты любых конструкций, рассчитанных на пар высокого давления, - повышенная прочность узлов, в особенности задвижек и клапанов, а также использование в качестве основных конструкционных материалов легированной стали, мартеновского литья, электростали.

Для предупреждения аварий паровых котлов из-за пре­вышения давления Правилами по котлам предусматри­вается установка предохранительных клапанов.

: Назначение предохранительных клапанов состоит в пре­дупреждении увеличения давления в паровых котлах и тру­бопроводах выше установленных пределов.

Превышение рабочего давления в котле может привести к разрыву кипятильных экранных и экономайзерных труб и стенок барабана.

Причинами повышенного давления в котле являются внезапное уменьшение или прекращение расхода пара (от­ключение потребителей) и чрезмерная форсировка топки,

Особенно при работе на мазуте или газообразном топливе.

Поэтому чтобы давление в котле не могло подняться вы­ше допустимого, эксплуатация котлов с неисправными или неотрегулированными клапанами категорически запреща­ется.

Мерами предупреждения повышения давления в паро­вом котле являются: регулярная проверка исправности предохранительных клапанов и манометров, устройство сиг­нализации от потребителей пара для получения информа­ции о предстоящих расходах пара, обученность персонала и хорошее знание и исполнение ими производственных ин­струкций и противоаварийных циркуляров. -

Для проверки исправности действия предохранительных клапанов котла, пароперегревателя и экономайзера произ­водят их продувку, принудительно открывая вручную:

При рабочем давлении в котле до 2,4 МПа включитель­но- каждый клапан не реже 1 раза в сутки;

При рабочем давлении от 2,4 до 3,9 МПа включительно- поочередно по одному клапану каждого котла, пароперегре­вателя и экономайзера не реже одного раза в сутки, а так­же при каждом пуске котла, а при давлении выше 3,9 МПа- в сроки, установленные инструкцией.

В практике эксплуатации котлов все еще бывают ава­рии, связанные с превышением давления в котле выше до­пустимого. Основной причиной этих аварий является рабо­та котлов с неисправными или неотрегулированными пре­дохранительными клапанами и неисправными манометрами. В отдельных случаях аварии происходят из-за того, что котлы вводят в эксплуатацию с предохранительными кла­панами, отключенными с помощью заглушек или заклинен­ными, либо допускают произвольное изменение регулиров­ки клапанов, накладывая дополнительный груз на рычаги клапанов при неисправности или отсутствии средств авто­матики и безопасности.

В котельной произошла авария парового котла Е-1/9-1Т из-за пре­вышения давления, в результате чего частично разрушено помещение котельной. Котел Е-1/9-IT изготовлен Таганрогским домостроительным заводом для работы на твердом топливе. По согласованию с заводом - изготовителем котел был переоборудован на жидкое топливо, при этом установлено горелочное устройство АР-90 и смонтированы авто­матические устройства для отключения подачи топлива в котел в двух случаях - при понижении уровня воды ниже допустимого и повыше­нии давления выше установленного. Перед вводом в эксплуатацию котла оказавшийся неисправным питательный насос НД-1600/10 с по­дачей 1,6 м3/ч и давлением на нагнетании 0,98 МПа был заменен цен - тробежно-вихревым насосом с подачей 14,4 м3/ч и давлением на нагне­тании 0,82 МПа. Большая мощность двигателя этого насоса не позво­лила включить его в электрическую схему автоматического регулиро­вания питания котла водой, поэтому оно осуществлялось вручную. Автоматика защиты от снижения уровня воды была отключена, а автоматика защиты от превышения давления не работала из-за не­исправности датчика. Оператор, обнаружив упуск воды, включил пи­тательный насос. Сразу же была вырвана крышка люка верхнего ба­рабана и разрушен нижний левый коллектор в месте приварки к нему колосниковой балки. Авария произошла из-за резкого повышения дав­ления в котле из-за глубокого упуска воды и последующей подпитки его. Расчеты показали, что давление в котле в этом случае могло по­выситься до 2,94 МПа.

Толщина крышки люка в ряде мест была менее 8 мм, и крышка была деформирована.

В связи с этой аварией Госгортехнадзор СССР предло­жил владельцам, эксплуатирующим паровые котлы : не до­пускать эксплуатацию котлов при отсутствии или неисправ­ности средств автоматики безопасности и контрольно-изме­рительных приборов; обеспечить обслуживание, наладку и ремонт средств автоматики безопасности квалифициро­ванными специалистами.

В соответствии с письмом Госгортехнадзора СССР № 06-1-40/98 от 14.05.87 «Об обеспечении надежной экс­плуатации паровых котлов Е-1,0-9» владельцы котлов ука­занного типа обязаны снизить разрешенное в эксплуатации давление для котлов, которые имеют толщину крышки лю­ка 8 мм с креплением крышки люка шпильками до 0,6 МПа, так как заводами Минэнергомаша барабаны котлов Е-1,0-9 паропроизводительностью 1 т/ч выпускались с крышка­ми люка толщиной 8 мм и толщина крышки люка была уве­личена до 10 мм.

В котельной произошла авария с котлом Е-1/9Т йз-за превыше­ния давления.

В результате отрыва днища нижнего барабана котел был отброшен с места установки в сторону другого котла и, ударившись, сорвал об­шивку," разрушил обмуровку, деформировал 9 труб бокового экрана. Предохранительные клапаны при ударе были вырваны из своих гнезд. При испытании на стенде на давление 1,1 МПа клапаны не сработа­ли. При разборке клапанов установлено, что его подвижные части кла­пана прикипели.

Расследованием установлено, что днище котла 0 600X8 мм было изготовлено кустарным способом из стали, не имеющей сертификата.

После" приварки днища работниками котельной было проведено гидравлическое испытание давлением 0,6 МПа, при этом днище де­формировалось. Через несколько1 дней работы котла в сварном шве появились трещины, которые были заварены.

Из-за изменения конструкции крышки люка нижнего барабана (без согласования завода-изготовителя), неудовлетворительного проведения ремонта, стала возможной авария с тяжелыми последствиями.

Неисправности предохранительных клапанов

Для предупреждения аварий паровых и водогрейных котлов из-за превышения давления в них Правилами Гос-

Гортехнадзора СССР предусматривается установка не ме­нее двух предохранительных клапанов на каждый котел па­ропроизводительностью более 100 кг/ч.

На паровых котлах с давлением выше 3,9 МПа уста­навливаются только импульсно-предохранительные кла­паны.

Из-за неправильной эксплуатации предохранительных клапанов или дефектов их имели место аварии в котельных промышленных предприятий и на электростанциях. Так, на одной электростанции при резком сбросе нагрузки из-за не­исправности предохранительных клапанов давление пара в котле повысилось с 11,0 до 16,0 МПа. Это нарушило цир­куляцию, и произошел разрыв экранной трубы.

На другой электростанции в тех же условиях эксплуа­тации давление повысилось с 11,0 до 14,0 МПа, в резуль­тате чего произошел разрыв двух экранных труб.

Расследованием установлено, что некоторые предохра­нительные клапаны не работали, так как импульсные ли­нии были перекрыты клапанами, а остальные клапаны не обеспечили необходимого сброса пара из-за применения у импульсных предохранительных клапанов некалиброван - ных пружин и вследствие этого поломка части их.

Разрушение пружин наблюдалось у импульсных клапа­нов после каждого их открытия. Это происходило в резуль­тате больших динамических усилий от струи выходящего пара в момент открытия клапана, имеющего диаметр про­ходного сечения седла 70 мм.

Основные неисправности в работе рычажно-грузовых и пружинных предохранительных клапанов приведены в табл. 2.4.

Предохранительные клапаны должны защищать котлы и пароперегреватели от превышения в них давления более чем на 10% расчетного. Превышение давления при пол­ном открытии предохранительных клапанов выше чем на 10 % расчетного может быть допущено лишь в том случае, если при расчете на прочность котла и пароперегревателя учтено это возможное повышение давления.

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.

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.

Типы паровых котлов

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

• жидкотопливные;
• газовые;
• угольные;
• электрические;
• газомазутные.

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:

1. Газотрубные.
2. Водотрубные.
3. Прямоточные.
4. Чугунные секционированные.
5. 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.

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.

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:

1. Приборы прямого действия. В них вода используется в качестве проводника электрического тока, которая нагревается согласно закону Джоуля-Ленца.
2. 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:

1. Определитесь с габаритами будущего котла и его функциональной нагрузкой.
2. Найдите готовые чертежи такого устройства, которое полностью соответствует вашим исходным данным.
3. Тщательно изучите всю документацию и разберитесь в нюансах создания котла.
4. 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.
5. 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.
6. Дымогарные и жаровые трубы вставляются в специальные отверстия соответствующего диаметра, которые выполняются на стенках котла.
7. После этого концы дымогарных трубок необходимо развальцевать и приварить к основанию котла, воспользовавшись аргоновой сваркой.
8. 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!
9. Утеплите готовый котел для увеличения его КПД с помощью асбеста листового типа.
10. Готовую установку по производству пара закрепите с помощью разнообразных хомутов.
11. 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.

Особенности эксплуатации

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

1. 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.
2. Удаление золы на наружных стенках топки должно выполняться периодически (по мере накопления).
3. 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!

© При использовании материалов сайта (цитат, изображений) указание источника обязательно.

Паровой котел предназначен для получения рабочего (или сильного) пара, способного выполнить механическую работу или выделить эквивалентное ей количество теплоты. Устройства, образующие пар, силы определенной величины от которого не требуется, называются парогенераторами. Они широко применяются в промышленности (напр., для пропаривания бетона), в пищевых технологиях (паровые варочные котлы), медицине (ингаляторы, стерилизаторы) и в быту (для отпаривания и чистки, в бане и др.), но парогенератор это далеко не паровой котел.

Зачем нужен сильный пар?

В век, когда «на подходе» квантовые компьютеры и коммуникационные устройства, способный самостоятельно мыслить искусственный интеллект и космические аппараты для межзвездных полетов, потребность в рабочем паре остается высокой. В промышленности прежде всего для передачи на расстояние больших количеств готовой к употреблению теплоты и привода технологического оборудования: прессов, молотов, сваезабивателей и др. На водном транспорте и в энергетике это выработка рабочего тела для паровых турбин и др. механических двигателей большой мощности: начиная где-то с 5-10 МВт на валу стоимость единицы механической работы пара оказывается ниже, чем любого другого рабочего тела.

Примечание: у пары паровой цилиндр – поршень есть замечательное свойство – наибольшее усилие на штоке развивается при нулевой скорости хода поршня. Иными словами, внешняя характеристика паровой машины идеальна, а ее КПД почти не зависит от режима работы; КПП паровому двигателю не нужна.

В быту паровые котлы также находят применение; более всего в паровых и двухконтурных системах отопления (СО). Паровые СО требуют более тщательной герметизации, чем с жидким теплоносителем, но позволяют в разгар отопительного сезона отключать и вновь подключать к системе отдельные ветви, не рискуя разладить все отопление. Это, в свою очередь, дает возможность отапливать хорошо изолированные по теплу подсобные помещения импульсами, что в местах с суровым климатом экономит до 30% и более расходов на обогрев за сезон.

Двухконтурные СО, наоборот, оказываются экономичнее в краях с затяжным межсезоньем и мягкой неустойчивой зимой. Температура обратки одноконтурной СО не должна падать ниже прим. +45 градусов по Цельсию, иначе в отопительном котле выпадет кислотный конденсат, отчего вся система может выйти из строя. Потери тепла в магистральных трубах немалы, поэтому в домах и/или распределительных теплопунктах ставят т. наз. элеваторные узлы, в которых часть теплоносителя из подачи подсасывается в обратку, подогревая ее. Однако при этом водогрейный котел гоняет добрую часть теплоносителя по кругу, расходуя лишнее топливо, платить за которое приходится абонентам. Чем выше наружная температура и меньший требуется обогрев, тем большая часть вырабатываемой котлом теплоты тратится не на обогрев пользователей, а на поддержание самого себя в режиме. Который при этом еще и не оптимален.

В 2-контурной СО паровой котел выдает пар, который через теплообменник греет теплоноситель СО. Температуру подачи теперь можно понизить, что уменьшит потери в магистралях: они тем больше, чем горячее теплоноситель. Температура обратки может быть сколь угодно низкой, лишь бы система не разморозилась: в теплообменнике ничего не горит и не образуется кислотных радикалов, способных выпасть кислым дождем. Паровому котлу тоже ничего не угрожает: магистральных потерь нет, т.к. теплообменник рядом; подача пара в него регулируется автоматическим вентилем по температуре 2-го контура, и обратный пар в котел остается сильно нагретым.

А что в нем плохо?

Главный недостаток паровых котлов – большое время готовности. Лучшие из современных выходят на рабочий режим за 3-5 мин, а в обычном котле пары разводятся около часа. Поэтому наземного парового транспорта уже практически нет, хотя КПД современных керамических паровых машин не хуже чем ДВС. Но глушить ДВС можно, а останавливать котел нет.

Не менее существенный – взрывоопасность. Если запас энергии в топливном баке автомобиля измеряется десятками кг тротилового эквивалента, то в паровом котле центнерами и тоннами. Бензин и солярка могут и просто так сгореть, а котел при аварии взрывается. Современные – исключительно редко, но их взрывоопасность все-таки не нулевая.

Из 2-го недостатка вытекает еще один: питать паровой котел нужно очень качественной хорошо подготовленной водой. Накипь – страшный враг котла, она резко уменьшает его тепловую эффективность и повышает взрывоопасность.

Как следствие 2-го и 3-го – 4-й серьезный недостаток: паровые котлы нуждаются в регулярном квалифицированном осмотре и обслуживании с остановом котла. Представьте себе, что вам обязательно нужно раз в полгода загонять машину на СТО и заказывать переборку движка, иначе она перестанет слушаться руля и сама врежется в столб.

Немного истории

Мысли использовать силу пара в практических целях тысячелетия. Считается, что первый паровой котел, бывший одновременно и реактивной паровой турбиной, придумал Герон Александрийский. Есть сведения, что в XVI в. капитан испанского флота Бласко де Гарай построил и продемонстрировал королю… пароход, который плавал. Но если это и правда, то единичная случайная находка – термодинамики как науки тогда еще не было, а без нее рассчитать паровую машину и котел для нее невозможно. Эдисон, из практиков практик, сказал как-то: «Нет ничего практичнее хорошей теории».

Патент на шахтный водоподъемник, работающий от котла с паром, впервые получил англичанин Т. Севери в 1698 г. На практике его идею реализовал тоже англичанин Т. Ньюкомен тогда же, к конце XVII в. Но котел Ньюкомена в принципе не отличался от бытового чайника и вырабатывал очень слабый пар, поэтому машины Ньюкомена широкого распространения не получили и переворота в технике не произвели.

Первыми поняли, как должен действовать котел, дающий сильный пар (power steam) во второй половине XVIII в. независимо друг от друга также английский конструктор Дж. Уатт (его именем названа единица мощности Ватт) и русский механик-самоучка И. И. Ползунов. Он не смог закончить свою паровую машину – умер от болезни, но котел завершил в 1765 г. Конструкции паровых котлов Уатта и Ползунова (на рис. справа) практически идентичны, да иного технического решения в то время и быть не могло.

Тепловая эффективность и паропроизводительность (см. далее) котлов Уатта и Ползунова позволяли запустить машины, выполняющие рентабельную полезную работу, но были далеки от возможных при тогдашней технологии. Улучшили технические показатели паровых котлов и сделали их компактнее изобретатели первых паровозов Р. Тревитик и Дж. Стефенсон. В дальнейшем большой вклад в развитие котлостроения внесли английские инженеры Дж. Торникрофт и Э. Ярроу, а затем русский ученый В. Г. Шухов, тот самый, что построил телебашню на Шаболовке.

Примечание: на первом паровозе Стефенсона «Блюхер» (в центре на рис.) значится №2, но это потому, что его опытный предшественник оказался непригоден для длительной эксплуатации.

Немного теории

В этом разделе не будет формул из школьных и вузовских учебников. Предполагается, что вы их помните. А если забыли, то знаете, где искать. Здесь речь пойдет о сути происходящих в паровом котле процессов и важных для практики их деталях и выводах из них. А математика дело наживное. Без понимания сущности от выкладок толку все равно не бывает.

Главный принцип работы парового котла, о котором и догадались Уатт с Ползуновым – вода в нем не кипит. Кипение процесс со стороны плавно не управляемый: достигла вода температуры кипения и получила скрытую теплоту испарения – вскипает; нет – нет. При нормальном давлении кипение воды относительно безопасно, но работоспособность отходящего пара ничтожна; он, как говорят, низкопотенциальный. И мгновенно начинается его конденсация, отчего пар полностью лишается силы.

Пар работает своим давлением. Допустим, его превышение над атмосферным всего 1 МПа. Тогда на поршень площадью 500 кв. см пар надавит с силой ок. полутонны. Неплохо для начала.

Давление насыщенного водяного пара с повышением его температуры растет по степенному закону, т.е. очень быстро, слева на рис. Одновременно растет также температура кипения воды и выход пара с единицы площади зеркала паробразования (ЗП). Но скрытая теплота испарения остается неизменной, и часть расхода топлива, не придающая пару силы, все уменьшается и уменьшается. Итак, во всех отношениях выгодно повышать давление в котле, но от этого увеличивается его взрывоопасность (см. далее). И до определенного предела, выше которого в ход процесса начинают вмешиваться силы не термодинамические.

Таблица параметров перегретого насыщенного водяного пара дана справа на рис. Обратите внимание на выделенные зеленым столбцы (частично или полностью). По ним видно, что максимум работоспособности пара приходится на диапазон температур 200-260 градусов. Давление пара в нем, от которого зависит усилие, создаваемое исполнительным механизмом возрастает втрое. Полная теплоемкость (с учетом скрытой теплоты) в этом диапазоне непрерывно растет. Это выгодно для парожидкостных СО с частичной или полной конденсацией теплоносителя.

В желтых строках начинаются плохие новости: пар становится химически очень активным – разъедает паропроводы и механизмы из обычной стали, а на «химию» уходит часть его силы несмотря на повышение давления. Красные строки – новости еще хуже: в пару становится заметной термическая диссоциация воды, и котел становится чрезвычайно опасным.

Об обозначениях

В эпоху паровых машин пользовались единицами давления атмосфера (ат) и атмосфера избыточная (ати). 1 ат = 1 кгс*кв. см. p(ати) = p(ат) –1, т.к. давление воздуха 1 ат. Сейчас давление измеряют в паскалях (Па). 1 ат = 1,05 МПа. Это правильно, т.к. режим работы котла заметно зависит от давления окружающего воздуха. Но избыточных паскалей нет, поэтому для определения силы пара нужно от давления в котле отнять 1 МПа. Напр., при 240 градусах давление в котле 3,348 МПа. Для работы можно использовать не более 2,298 МПа, но на каждый кв. см поверхности деталей внутри котла будут давить более 30 кг*кв. см. Для расчета мощности котла нужно пользоваться также его паропроизводительностью в кг*с или кг*ч. Еще одна величина, которую надо знать – тепловая эффективность котла, равная отношению запасенной в единице массы пара тепловой энергии к теплоте сгорания потребного на ее производство топлива. Тепловую эффективность часто называют КПД котла, но нужно иметь в виду, что КПД силового и отопительного котлов одной и той же конструкции различны: в последнем случае возможен возврат скрытой теплоты парообразования в виде скрытой теплоты конденсации, а в первом нет.

Примечание: иногда избыточное над атмосферным давление пара выражают в барах (бар). Напр., в спецификации на котел пишут – давление 1,5 бар, что равно прим. 1,5 ати. Но бар тоже внесистемная единица, ее употребление не регламентировано. Поэтому в той же спецификации надо найти температуру воды в котле и свериться по ней.

Потенциал пара

Вместе с температурой в котле так же быстро растет его взрывоопасность. При температуре выше прим. 200 градусов даже понижение давления вследствие превышения отбора пара может привести к вскипанию всей массы воды в котле и его взрыву. В рассказе Новикова-Прибоя «Бухта Отрада» со всеми техническими подробностями описано, как сочувствующий красным кочегар взорвал котел на военном пароходе белых, в команду которого был принудительно зачислен. Исходя из этих соображений, пар по величине рабочего потенциала делят на:

• Низкопотенциальный – температура до 113 градусов Цельсия, давление до 1,7 МПа. Взрыв котла практически невозможен вследствие малого запаса энергии в нем.
• Малопотенциальный – температура 113-132 градуса, давление 1,7-3 МПа. Взрыв котла возможен при внезапном разрушении его корпуса.
• Среднепотенциальный – температура 132-280 градусов, давление 3-6,42 МПа. Взрыв возможен при разрушении корпуса котла или отказе автоматики.
• Высокопотенциальный – температура 280-340 градусов, давление 6,42-14,61 МПа. Взрыв возможен, кроме указанных выше причин, вследствие нарушений правил эксплуатации котла (см. далее) и разгерметизации паропроводов.
• Сверхвысокопотенциальный – температура выше 340 градусов, давление больше 14,61 МПа. Взрыв, кроме описанных причин, возможен вследствие случайного стечения обстоятельств.

Тонкости парообразования

Для практических целей удобно пользоваться величиной выхода пара с единицы площади ЗП, но самом деле парообразование в котле происходит в объеме воды: она насыщена микропузырьками пара. Представление об этом дает белый кипяток, которым по правилам восточной кулинарии положено заваривать чай. Но в белом кипятке выделяется растворенный в воде воздух, а в нормально работающем котле вода на вид прозрачна. Если в водомерном стекле помутнела – котел на грани взрыва. Упомянутый выше красный кочегар был специалистом экстра-класса: он по виду воды определил, как скоро взорвется котел и сумел спастись. Пароход был старый со среднепотенциальным котлом; в нем от побеления водомера до взрыва проходит несколько минут. Высокопотенциальный котел взрывается сразу чуть водомер помутнел.

Второй важный момент – с ЗП выделяется т. наз. мокрый пар, в котором присутствуют тоже невидимые микрокапли воды. Мокрый пар враг котла не менее страшный, чем накипь: микрокапли влаги – естественные центры конденсации пара. Если в каком-то месте парового контура температура начнет падать быстрее давления, может начаться лавинообразная конденсация пара. Давление во всей системе резко упадет, и тогда способен вскипеть и взорваться даже малопотенциальный котел. Что до приводимых паром от котла механизмов, то конденсация также резко ухудшает их техпараметры (давление в рабочих органах сильно падает) и вызывает усиленный износ: микрокапли перегретой воды химически агрессивны. Единственно, где кондесация рабочего пара полезна, так это в парожидкостных СО (см. выше), т.к. при этом на обогрев выделяется скрытая теплота конденсации.

Идеальный котел

Зная указанные особенности, можно с позиций нынешнего дня представить себе, как должен быть устроен некий идеальный паровой котел. На самом деле он получится очень дорогим и сложным в обслуживании, а в «золотой век» пара такой котел был технически нереализуем. Вся эволюция котлостроения шла по пути упрощения оборудования (обвязки) котла и совмещения функций его систем. Но разобраться, что котлу для нормальной работы нужно, эта схема поможет.

Обобщенная схема устройства парового котла дана на рис.:

Парообразователь представляет собой канальный (трубчатый) газоводяной теплообменник. Увеличение площади контакта теплоносителя с нагревателем усиливает образование микропузырьков пара в его массе и отделение пара с единицы площади ЗП при той же температуре. В сухопарнике разделяются чистый пар и водяная микровзвесь гравитационным или абсорбционным способом без выделения скрытой теплоты конденсации. Горячий конденсат стекает обратно в парообразователь или, в циркуляционных котлах (см. далее) перекачивается в него циркуляционным насосом.

Очень важна роль пароперегревателя. Без падения давления по длине паропровода не будет потока пара по нему, но при этом падает сила пара и растет вероятность его бурной конденсации. Пароперегреватель «подкачивает» уходящий пар энергией задарма – за счет остаточной теплоты дымовых газов.

Еще более увеличивает тепловую эффективность котла экономайзер. Это тоже канальный теплообменник, в котором тоже дымовыми газами подогревается питательная вода. На самом малом ходу котла экономайзер может переохлаждаться и обрастать сажей, а при форсировании котла перегреться и даже вскипеть. Поэтому иногда в состав экономайзера вводят отдельный контур циркуляции воды с водяным элеватором наподобие тех, что применяются в одноконтурных СО (см. выше). В штатном режиме работы котла собственная циркуляция экономайзера отсекается запорным клапаном.

Последнее, что позволяет «вытянуть» тепловую эффективность котла до теоретического предела – подогрев поступающего в топку воздуха. В мощных тепловых устройствах это очень эффективная мера. В свое время подогрев воздуха в кауперах позволил сократить расход топлива на доменную плавку почти втрое. Что до блока (или устройства) управления всем этим хозяйством, то сейчас это коробочка или шкафчик с микропроцессором и его электромеханической обвязкой, а в прежние времена – бригада из машиниста и кочегара.

Конструкции паровых котлов

В зависимости от назначения, условий эксплуатации и требований к параметрам пара устройство парового котла может быть различным. Конструктивно паровые котлы различаются по:

1. Способу сепарации пара – прямоточные (проточные) и циркуляционные;
2. По устройству пароотделителя – барабанные и прочие (колпаковые, змеевиковые и др;
3. Способу теплообмена – газотрубные (прежнее название жаротрубные; старое огнетрубные) и водотрубные;
4. По ориентации и конфигурации каналов парообразователя – горизонтальные, вертикальные, комбинированные (вход топочных газов горизонтальный, выход вертикальный; каналы изогнутые), наклонные, многоколлекторные, змеевиковые, рубашечные вихревого горения и др;
5. По ходу топочных газов – прямого хода и оборотные;
6. По гидродинамике – с открытым или замкнутым пароводяным контуром, см. далее;
7. По способу нагрева – пламенные (топливные), электрические, косвенного нагрева, гелиокотлы и др.

Что касается способа нагрева, то электрические паровые котлы позволяют получать только низко- и малопотенциальный пар – ТЭН не выдерживает более жестких условий работы в котле. Котлы косвенного нагрева используются преим. на АЭС. Когда пишут, что температура теплоносителя в них доходит до 500 градусов и выше, это относится к первому контуру, который посредством теплообменника греет обычный высокопотенциальный котел, дающий пар на турбину. Солнечные котлы (гелиокотлы) т.п. экзотика предмет отдельного рассмотрения. Их мы коснемся вскользь в конце, а займемся в основном пламенными паровыми котлами – единица работоспособности пара от них самая дешевая и доступная.

Примечание: моряки-подводники иногда разыгрывают сухопутных «чайников» россказнями как они, якобы смывшись с вахты, спали на первом контуре реактора АПЛ. Это чистой воды прикол – на первом контуре не только температура выше 400 градусов, но и убийственная радиация, а самовольный уход с вахты тяжкое преступление. Первый контур ядерных реакторов проектируется так, чтобы выделения пара из теплоносителя в нем не было.

Прямоток или циркуляция

В прямоточных паровых котлах (поз. А на рис.) мокрый пар поступает в змеевик, трубчатый коллектор или под колпак, где из него выпадает водяная взвесь, самотоком стекающая в парообразователь.

Прямоточные котлы проще конструктивно, а из автоматики им достаточно в общем опытного кочегара. Прямоточные котлы могут быть энергонезависимыми – обходиться без питательного насоса, получая воду самотоком из питательного бака. Но они намного взрывоопаснее циркуляционных, а их тепловая эффективность и паропроизводительность невысоки. Наиболее интенсивно пар выделяется из самых верхних слоев воды в бойлере. Освободившись от микропузырьков пара, вода опускается вниз и снова поднимается вверх по мере насыщения паром. В прямоточном котле обновление вод происходит путем гравитационной конвекции (выделившая пар вода тяжелее), на которую тратится топливо. Его нужно много, т.к. конвективные потоки беспорядочные, с завихрениями и больше рассеивают полученную энергию, чем переносят воду вверх. Тепловая эффективность прямоточного котла составляет ок. 35-40% Умножив эту величину на КПД паровой машины 25-30% (у современных до 45%), как раз и получим пресловутый «паровозный» КПД в 8-16%

В циркуляционном котле общий ток воды направляется вверх отдельным циркуляционным насосом, откачивающим из сухопарника конденсат; потери на внутреннее трение в воде минимальны и мощность циркуляционного насоса требуется небольшая. Элементарный объем воды, прежде чем полностью испариться, проделывает от 5 до 30 и более оборотов, что еще более увеличивает тепловую эффективность и паропроизводительность котла. Допустим, за один оборот порции воды испаряется всего 10% ее. На следующий оборот останется 90%, из которых испарится 10%, т.е. еще 9% от исходного объема и воды останется 81% Подсчитывая подобным образом далее (математики такие расчеты называют рекуррентными соотношениями), получим за 5 оборотов КПД котла 63%, а за 30 – 92,6%. Эффективная площадь ЗП при этом увеличивается против геометрической прим. в 1,5 и 2 раза.

Барабанные котлы

Циркуляционный котел должен в обвязке иметь не только насосы, но и регулятор уровня конденсата в пароотделителе. Если его окажется слишком много, техпараметры котла резко ухудшатся. Если мало, это грозит вообще бедой: мокрый пар быстро сконденсируется, давление в котле также резко упадет – вскипание – взрыв. Избежать подобной ситуации позволяют котлы барабанного типа. В них пароотделитель – отрезок широкой трубы (барабан), в который поступает насыщенная паром вода из бойлера (нагревателя), который в дааном случае не является парообразователем; таким образом, нагрев воды и выделение из нее пара разделены. Нагреватель вскипеть в принципе не способен, а вскипание барабана не так опасно, т.к. большая часть выделяющейся при этом энергии тратится на выдавливание воды обратно в нагреватель и питающий бак.

Мокрый пар из пароотделителя поступает в «свободный» конденсатор небольшого объема, тоже круглый в поперечном сечении. Подающий патрубок возвышается над дном конденсатора, гарантируя постоянный уровень конденсата в нем. Для нормальной работы барабанного котла необходимо, чтобы давления столбов воды в барабане и конденсаторе были равны друг другу. Для обеспечения последнего условия конденсатор не сажают вплотную на барабан, а возвышают над ним. В результате режим барабанного котла четко выдерживается энергонезависимой автоматикой (см. рис. выше): много воды в барабане, давление на выходе больше нормы – дифференциальный регулятор парообразования отсекает питание; наоборот – включает его. В барабане при этом поддерживается в допустимых пределах стандартный уровень воды. Барабанный паровой котел может работать и на естественной циркуляции, см. видео ниже:

Видео: об устройстве барабанного котла

Слово о воде для барабана

Поскольку вода в барабанных котлах циркулирует многократно, она должна быть чистейшей; практически – дистиллятом. Питание барабанных котлов от источников водоснабжения, как котлов гидродинамически открытых, недопустимо. Барабанные котлы строятся только гидродинамически закрытыми: питательная вода в них оборачивается по схеме: питательный бак – котел – пароводяной конденсатор (на судах омывается забортной водой) – обратно в питательный бак и т.д.

Газотрубные и водотрубные

Газотрубные и водотрубные котлы это, можно сказать, одно навыворот от другого. В парообразователе газотрубного емкость с водой пронизывает пучок труб, по которым текут горячие газы из топки. В водотрубном, наоборот, пучок труб с теплоносителем омывается током топочных газов. Разница получается очень и очень существенная.

Для передачи энергии топочных газов воде необходим большой градиент (разность) температур. Теплопроводность металла труб парообразователя в сотни раз больше таковой топочных газов. Поэтому внутри жаровых труб может быть свыше 1000 градусов, а их наружная поверхность охлаждается водой не выше 350-400 градусов. В стенках труб возникают огромные термические напряжения, а вокруг – большой объем перегретой воды, вскипающей по всей массе при понижении давления. Порыв всего одной трубы газотрубного котла неизбежно приводит к его взрыву. Поэтому регламент проверки и профилактической замены газовых труб должен соблюдаться неукоснительно, а работа эта сложная, довольно долгая и дорогая.

Температура внешней поверхности труб парообразователя водотрубного котла в силу указанных причин почти равна температуре воды в них. Термические напряжения в материале водяных труб на порядки меньше, чем в газовых. Надежность котла много выше, сроки между остановами на профилактику больше. Порыв одной трубы не приводит к взрыву котла: прежде чем кипение распространится на всю массу воды (которой в водотрубном котле в несколько раз меньше, чем в газотрубном), мощный поток пароводяной смеси погасит топку и охладит остальные трубы. Недостаток водотрубных котлов – теоретические меньшие, чем у газотрубных, тепловая эффективность и паропроизводительность. Но конструктивные усовершенствования водотрубных котлов позволили им занять доминирующее в отрасли положение – на сегодняшний день газотрубные котлы не строятся, а единицы оставшихся классической конструкции дорабатывают свой ресурс.

Примечание: барабанные паровые котлы могут быть выполнены только водотрубными.

Эволюция конструкций

Устройство самого архаичного (и оказавшегося очень живучим) горизонтального газотрубного парового котла удобно рассмотреть на примере паровозного котла, см. рис.:

Сухапарник – простейший колпаковый. Автоматика – один лишь предохранительный клапан. Питательного насоса нет, вода идет из цистерны идет самотоком. Тепловая эффективность ок. 40%., но «дубовость» выверенной веками конструкции исключительная. Некоторые паровозные котлы служат по сей день. Поезда они уже не водят, дают пар на производство.

Водотрубные котлы, рабочий стаж которых более 100 лет, тоже есть. Но в целом этот тип паровых котлов далек от пенсии. На флоте водотрубные котлы и сегодня широко используются в силовых установках. На судах довольно остро стоит проблема компактности котла. Гражданским пароходам нужно место для грузовых трюмов и пассажирских помещений. На военных кораблях необходимо жизненно важные и самые уязвимые агрегаты прикрыть понадежнее от вражеских боеприпасов.

Естественным выходом здесь кажется использование вертикального котла, но «вертикалки» с пучками труб теоретически малоэффективны: слишком много топочных газов зря проскакивает парообразователь и площадь ЗП мала. Поэтому в судовых силовых установках применяются преим. барабанные паровые котлы с наклонным расположением труб (см. рис; Б – барабан, П – пароперегреватель):

1. С естественной циркуляцией, малой и частично средней мощности;
2. С принудительной циркуляцией – до большой мощности включительно;
3. Многоколлекторные симметричные (с 2-3 водяными коллекторами и теплообменниками, работающими на один барабан) – от средней до сверхбольшой мощности;
4. То же, асимметричные – на мощности от большой до уникальной.

На суше тоже требуются компактные котлы – содержание производственных площадей стоит недешево. Но на гражданке стоимость, конструктивная простота и удобство обслуживания техники нередко превалируют над техническим совершенством. Поэтому сухопутные компактные котлы часто делаются по принципу: не только вывернуть наизнанку, но и перегнуть пополам. Конкретно: обернуть ход топочных газов. От этого немного ухудшаются качественные показатели котла, но места под него нужно почти вдвое меньше, чем для такой же мощности паровозного, и обслуживать котел много удобнее, т.к. корень дымохода, зев топки и зольник (если котел твердотопливный) находятся в одном помещении.

Оборотным проще сделать газотрубный котел. Горизонтальный полноразмерный (слева на рис.) в таком исполнении оказывается почти таким же эффективным, долговечным и безопасным, как водотрубный: практически все выделяющееся в топке тепло идет на подогрев воды, а газовые трубы изнутри греются меньше, т.к. топочные газы входят в них уже порядком остывшими. Котел с укороченным парообразователем (в центре; такие котлы иногда неправильно называют вертикальными) предельно компактен, но неэкономичен. Довести его показатели до приемлемых позволяют щитки в жаровой камере, хорошо отражающие тепловое (инфракрасное, ИК) излучение.

Современные достижения

Снабдить паровой котел ИК-отражателями это вообще плодотворная идея. Современные водотрубные котлы, кроме наружной теплоизоляции, изнутри обшиваются отражающим ИК материалом. Это позволяет пучки каналов их парообразователей сделать из одинаковых прямых труб, см. рис.. Что, в свою очередь, дает возможность отказаться от барабана и питать котел со стороны. Насколько он сам и его эксплуатация от этого удешевляются, представить нетрудно.

Примечание: паровые котлы со встроенными ИК отражателями в спецлитературе называются радиационными. Никакой радиоактивности в них, конечно, нет. Имеется в виду тепловое излучение (ИК радиация).

Одно из последних достижений большого котлостроения – газотопливные котлы из жаростойких спецсталей с топкой двойного действия на встречных факелах, см. рис. справа. КПД котла, как и любой тепловой машины, теоретически определяется отношением температур в начале и конце рабочего цикла к начальной температуре (формула Карно, помните?) В котлах на встречных факелах температура в топке доходит до 1800-1900 градусов против 1100-1200 и прочих, а температура дымовых газов остается той же, 140-200 градусов. Итого КПД котла на встречных может превышать 90% без сложных дополнительных мер, а с ними быть более 95%.

Примечание: как устроены и работают современные паровые котлы массового применения, см. след. ролик:

Видео: как работает паровой котел

И в быту тоже

Прогресс теплотехники коснулся и бытовых паровых котлов. Они должны давать низкопотенциальный пар для систем отопления и кулинарного оборудования, но к требования к безопасности бытовых паровых жесточайшие, и они должны допускать текущее обслуживание неквалифицированным персоналом. Дополнительное требование – бытовой паровой котел должен быть как можно компактнее, легче (не требовать под себя фундамента) и дешевле. Еще одно – предельно малое время запуска. Тратить до часу и более рабочей смены на то, чтобы развести пары это недопустимое расточительство и в обществе развитого социализма.

Классическое решение такого рода – змеевиковый котел. Он предельно безопасен для данного класса устройств: вероятность выброса при аварии перегретого пара за пределы внешнего кожуха (такой случай считается взрывом котла) у него во столько же раз меньше, сколько было бы труб в пучке водотрубного котла той же мощности. Причина – труб всего одна, длинная, свернутая в спираль. Паропроизводительность и паровая эффективность змеевиковых котлов невелики, но первая в данном случае несущественна, а вторая увеличивается компьютерным проектированием пространственного змеевика и установкой ИК отражателя, см. рис.. Зато змеевиковый котел рекордсмен по времени запуска: дает рабочий пар в течение 3 мин после включения горелки. Автоматики змеевиковому котлу достаточно термомеханической энергонезависимой, переводящей горелку в минимальный режим.

Новейшее достижение в конструировании низкопотенциальных паровых котлов малой мощности – вихревой рубашечный котел. Его, образно выражаясь, вывернули наизнанку вместе со всеми потрохами. А технически – закрутили вихрем пламя горелки и вместо не очень-то технологичного пучка труб или змеевика поставили обычную рубашку котла, но не водогрейную, а пароводяную.

Устройство и схема включения парового котла с вихревой горелкой показаны на рис.:

Обозначения на схеме:

1. питательный насос;
2. дымоход;
3. экономайзер (для котлов данного типа обязателен, иначе пламенный вихрь внизу может сбиться);
4. воздуховод;
5. воздуходувка;
6. вихревая горелка;
7. паровая зона рубашки;
8. водяная зона рубашки;
9. клапан и вентиль аварийного сброса пара;
10. пароотделитель (как правило абсорбционный);
11. выход пара;
12. водомер уровня (водомерное стекло);
13. сливной вентиль.

Паровые котлы вихревого горения предельно компактны, т.к. принципиально вертикальные. Их тепловая эффективность не хуже, чем у барабанных. Пар могут давать до среднепотенциального включительно. Время запуска – ок. 5 мин. Недостатки – сложность, дороговизна и полная энергозависимость: без наддува воздуха в горелку котел вообще не работает.

Эксплуатация паровых котлов

О правилах использования паровых котлов пишут не статьи, а тома нормативных документов. И пренебрежение любым из их пунктов может привести к аварии. А ожоги перегретым паром гораздо опаснее обычных термических: на теле и окаченных паром предметах выделяется большая скрытая теплота конденсации и степень поражения оказывается много больше. Практически если паровой ожог тела составляет более 10-15% его площади, медицина часто оказывается бессильной. Поэтому мы просто сообщаем читателям, что старый свод правил безопасности для котлов и сосудов под давлением давно недействителен. Нужно руководствоваться федеральным имеющим силу закона сводом документов «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением», принятым в 2003 г, опубликованным в открытых широко доступных источниках в 2013 г, введенным в действие в конце 2014 г и полностью актуализированным (т.е. исключающим применение прежних Правил) в 2017 г. Изучить новые Правила эксплуатации паровых котлов и скачать в формате.pdf для свободного использования можно .

Примечание: просмотреть курс видеоуроков по эксплуатации распространенных паровых котлов ДВКР можно ниже:

Видео: серия уроков по паровым котлам ДВКР

На заметку самодельщикам

Вообще-то котлостроение дело не для мастерской в гараже. Но совесть инженера не позволяет огульно разубеждать читателей заниматься им: слишком широко в этой отрасли непаханое поле деятельности. Напр., использование в быту силовых паровых котлов. Схема, скажем, такова: гелиоконцентратор греет гидродинамически замкнутый котел, пар от которого приводит в действие мини-турбину, вращающую электрогенератор. Инсоляция стабильнее ветра, а в южных регионах и достигает значительной величины. Срок службы паровых механизмов более 100 лет не диковина, а солнечная батарея деградирует через 3-10 лет. Специалисты давно бьются над установками такого типа, но толку пока нет. А тот же Эдисон сказал еще: «Все знают, что этого сделать нельзя. Находится дурак, который этого не знает. Он-то и делает изобретение».

Однако не торопитесь хвататься за резку, гнутье, сварку. Первое, не забывайте: вы имеете дело со взрывоопасным устройством. Паровых котлов с нулевой взрывоопасностью нет и в принципе быть не может. Поэтому прибавьте к прочитанному дополнительные популярные материалы, напр. отсюда: (ru.teplowiki.org/wiki/Паровой_котел ). Они вместе с содержанием настоящей публикации помогут вам разобраться в специальной литературе. Затем изучите внимательно указанные выше Правила безопасности.

Далее – помните, что эффективности малого котла такой же, как большого, конструкции вам не добиться. Причина – хорошо известный в технике закон квадрата-куба. С уменьшением размеров котла объем теплоносителя и запас теплоты в нем падают по кубу линейных размеров, а площадь поверхности, дающей теплопотери, по квадрату, т.е. медленнее.

И наконец, осознайте вполне, чего вы хотите добиться. После этого тщательно продумайте конструкцию в уме (или промоделируйте на компьютере, если умеете). И только теперь можете приступать к экспериментам, см. напр. видео

Видео: эксперименты с самодельным паровым котлом