Конструкция паровых котлов высокого давления. Паровой котёл — принцип работы и конструктивные особенности

Для обеспечения технических нужд промышленных предприятий, выработки электричества, а также для возможности функционирования централизованных или автономных систем отопления и вентиляции используются паровые котлы высокого давления. В функцию оборудования входит генерация насыщенного пара в процессе сгорания того или иного типа топлива. На рынке присутствует достаточно много моделей агрегатов, отличающихся габаритами, мощностью и конструктивными особенностями. Паровые котлы ДКВр (или двухбарабанные котлы, вертикально-водотрубные, реконструированные) относятся к высокопроизводительному отопительному оборудованию, работающему на разных видах топлива.

Конструкция ДКВр

Устройство котлов высокого давления является достаточно сложным, что отражается на цене оборудования. Агрегаты состоят из двух барабанов:

• нижнего – короткого;
• верхнего – более длинного.

Оборудование имеет экранированный топочный отсек, камеру догорания (не везде), экранные и конвективные пучки труб. Для возможности их периодической или аварийной чистки днище корпуса оборудуется лазами, которые используются и при осмотре барабанов. Снаружи устанавливаются площадки, предназначенные для техобслуживания, и лестницы – для удобства подъема наверх. В конструкции котла присутствуют, также, питательные трубопроводы и перегородки, обдувочные установки и дымососы. Каждый базовый и дополнительный элемент выполняет свою функцию. Все они имеют определенное установочное место.

Естественная циркуляция в замкнутом контуре топливного водотрубного агрегата высокого давления происходит благодаря разной плотности перемещаемой пароводяной смеси в подъемных и воды в опускных трубах, согнутых определенным образом. Напор создается за счет неодинакового обогрева участков горячими газами. Вертикальными котлы называются потому, что трубы в конструкции размещаются под углом 25 градусов и более относительно горизонта. Подобные агрегаты имеют бо́льшее количество пучков и число труб в них, что отражается на увеличении общей площади нагрева. Такое конструкторское решение позволяет осуществлять выпуск котлов высокого давления без расширения объема барабанов.

Важной составляющей ряда парогенераторов высокого давления (производительностью до 10т/ч) является топочная камера, разделенная на два сегмента посредством кирпичной кладки:

• топку;
• камеру догорания, повышающую КПД.

В зависимости от модели, котлы комплектуются дополнительными элементами:

• различными клапанами – предохраняющими, спускными, отборны́ми, питающими, и т.д.;
• запорными вентилями;
• продувочной арматурой;
• штуцерами;
• указателями уровня воды;
• манометрами и другими измерительными приборами;
• пароперегревателями.

В паровых котлах серии ДКВр имеется возможность работы в водогрейном режиме. Особенности их конструкции и технические характеристики позволяют поднимать давление в три раза – с 1,3 до 3,9МПа. В результате, температура перегретого пара может увеличиваться со 195 до 440 градусов по Цельсию. Оптимальная мощность выпускаемого оборудования находится в пределах 2,5…20т/ч. Цена ДКВр зависит от данного показателя и модели агрегата.

Эксплуатация паровых газовых котлов рассматриваемой модификации может осуществляться в разных климатических зонах, даже на Крайнем Севере.

Подробнее о некоторых комплектующих

Паровые котлы оборудуются:

• защитной автоматикой – отсекает топливо при аварийных и внештатных ситуациях (отсутствие напряжения, угасание пламени, резкое отклонение от нормативного давления в любом из конструктивных узлов);
• аварийной или предупредительной сигнализацией – световой и звуковой;
• автоматической регулировкой уровня воды;
• системой безопасного розжига – проверяет показатель герметичности клапанов;
• контрольной автоматикой – следит за давлением пара и топлива;
• автоматической настройкой соотношения топливо-воздух в топке.

Экранные и конвективные бесшовные трубы изготавливаются диаметром 51мм из стали. С котлом они соединяются посредством вальцованных соединений.

Специальные газо-мазутные горелки применяются в случаях раздельного использования топлива – либо газа, либо мазута. Они выпускаются в пяти типоразмерах, отличаясь мощностью и типом завихрителя – прямоточного или осевого. Каждая горелка комплектуется двумя форсунками – основной и сменной. Дополнительный элемент задействуется лишь в случае чистки или установки новой форсунки.

Твердотопливные агрегаты высокого давления оборудуются золоуловителями:

• механическими циклонного типа – блочными или батарейными;
• работающими на основе ионизации – электрофильтры притягивают заряженные частицы;
• мокрыми – удаление производится посредством воды.

Центробежный дымосос предназначается для твердотопливных котлов. Он устанавливается как внутри помещений, так и под уличными навесами. Оборудование в одностороннем направлении отсасывает из топки угарные газы. В функцию другого элемента – вентилятора – входит обеспечение противоположного действия – он принудительно подает воздух в топку, что содействует более продуктивному сжиганию топлива.

Топка для твердотопливных котлов мощностью до 10т/ч оборудуется ленточными пневмомеханическими питателями топлива, благодаря которым может производиться непрерывная загрузка угля на уже горящий слой. Она, также, комплектуется неподвижными решетками с поворотными колосниками. Для их управления, в конструкции котла предусматриваются специальные приводы, также как и для воздушных заслонок.

Принцип работы

После поступления воды в верхний барабан по входным коллекторам, происходит ее смешивание с находящейся внутри котловой водой, часть которой, в свою очередь, по циркуляционным трубам частично попадает в нижний барабан. Прогреваясь, вода поднимается, вновь оказываясь в верхнем барабане, но уже с паровой составляющей. Процесс происходит циклично.

Образующийся пар проникает в сепарационные механизмы котла, где происходит «отбор» влаги. В результате получается сухой пар, готовый к использованию. Он либо сразу отправляется в технологическую сеть, либо доводится до более высоких температур в пароперегревателе.

Процесс естественной циркуляции подчиняется законам физики. Дело в том, что вода имеет бо́льшую плотность по сравнению с пароводяной смесью. В связи с этим, первая жидкость всегда будет опускаться, а второе соединение – подниматься. В определенный момент пар отделяется и устремляется вверх, тогда как вода, благодаря гравитации, возвращается в исходное технологическое положение. Следует отметить, что в разных моделях число контуров циркуляции бывает различным.

До недавнего времени ДКВр изготавливались практически для любых типов топлива – газа и мазута, угля, древесных опилок и торфа. Но сегодня некоторые их них заменили новыми, более современными моделями:

• КЕ – предназначается для твердого топлива;
• ДЕ – работает на газо-мазутном топливе.

Но на многих предприятиях в эксплуатации до сих пор находятся проверенные годами паровые агрегаты ДКВр. На вторичном рынке можно купить б/у котлы в хорошем состоянии и по доступной цене, которые наверняка прослужат еще достаточно длительный период.

Причины сбоя

Правильная эксплуатация котлов высокого давления серии ДКВр является гарантией его безопасной работы. Поверхность нагрева должна своевременно охлаждаться, так как она принимает на себя максимальное воздействие топочных газов. По этой причине процесс предусматривает постоянную и интенсивно равномерную циркуляцию теплоносителя внутри контура по опускным и подъемным трубам. В противном случае на металлических стенках со временем появятся свищи, а при увеличении давления – разрывы в трубопроводе.

Кроме того, к сбоям может привести:

• неверное распределение теплоносителя по трубам, причиной чему служит накопление на внутренних стенках шлама;
• неравномерный прогрев испаряющих стенок, происходящий в результате загрязнения отдельных участков;
• неграмотная регулировка факела горения, приводящая к технологически неправильному заполнению пространства топочной камеры.

Преимущества ДКВр

Особенность конструкции и технические возможности отопительных агрегатов серии ДКВр позволяет выделить:

• существенный диапазон регулируемой паропроизводительности оборудования;
• поставку в разобранном виде – допускает выполнение установки котлов высокого давления без демонтажа ограждающих конструкций;
• возможность выбора оборудования под определенный вид топлива;
• высокий показатель КПД;
• доступную цену обслуживания;
• ремонтопригодность.

Выбор котлов

При покупке той или иной модели парогенератора высокого давления необходимо обратить внимание на следующие показатели:

• производительность – бесперебойность технологического процесса и отсутствие простоев обеспечит оптимальное количество сгенерированного пара за единицу времени. В данном случае – т/час;
• номинальную мощность (давление пара) – для ДКВр она составляет 1,3МПа;
• габариты – определяются объемом помещения котельной;
• цену – зависит от трех вышеперечисленных факторов и дополнительной комплектации;
• тип используемого топлива.

Следует учитывать и массу парового газового или твердотопливного котла, так как она может доходить до 44 тонн.

Примерная цена

Стоимость паровых котлов зависит от их технических характеристик и набора дополнительных комплектующих. Базовая цена агрегатов российского производства, работающих на газо-мазутном топливе, приблизительно составляет – при производительности:

• 2,5т/ч – 1400-1500тыс.руб.;
• 4т/ч – 1700-1800тыс.руб.;
• 6,5т/ч – 2300-2500тыс.руб.;
• 10т/ч – 3300-3800тыс.руб.;
• 20т/ч – 5500-6000тыс.руб.

Цена паровых котлов высокого давления на твердом топливе находится в пределах 1500-7200тыс.руб. Необходимо отметить, что в базовую стоимость оборудования не входят вентиляторы, дымососы и экономайзеры.

Паровые котлы делятся на два типа: газотрубные и водотрубные.

Газотрубными называются котлы, в которых газообразные продукты горения выходят по дымогарным, а также жаровым трубам, размещенным внутри емкостей с нагревающейся водой.

Они бывают дымогарными, жаротрубными и дымогарожаротрубными. В водотрубных устройствах трубы с нагреваемой водой находятся внутри газопровода.

Котлы паровые газовые или же газотрубные – это агрегаты высокого давления. Их использование в теплоэнергетике допустимо при необходимой мощности в 360 кВт с рабочим давлением в 1 мегапаскаль.

При превышении давления в паровом котле может случиться взрыв с выбросом пара в большом количестве, приводящий к чрезвычайной ситуации. Сегодня такие системы считаются устаревшими и применяются довольно редко. Современные водонагревательные системы рассчитаны на большую .

Потребность в разработке водотрубных котлов появилась вследствие роста производства и необходимости получения пара в большом количестве.

Наличие множества узлов и составляющих в системе считается одним из недостатков данных устройств. Ремонт такого оборудования возможен только в отключенном состоянии.

Промышленные паровые устройства высокого давления или же парогенераторы – это сложнейшая система, состоящая из механических и электрических компонентов. Парогенератор состоит из нескольких частей:

• каркас, куда крепятся все остальные элементы;
• электрическое оснащение – , индикации, релейные переключатели, сигнальные лампы и другая аппаратура;
• датчики давления – выполняют контроль давления в системе;
• котел парогенератора – емкость для воды с установленными датчиками контроля уровня жидкости;
• электронасос – используется для непосредственного закачивания воды в котел.

Для нагрева воды в электропаровых котлах используют 3 метода:
1) Применение ТЭНов разной мощности.
2) Электропроводность воды – при пропускании через воду электрического тока выделяется тепло.
3) Нагрев воды с поддержкой частотного излучения или же индукционного нагрева.

Котлы высокого давления имеют давление пара более 20 атмосфер. Разработка и внедрение аналогичных установок вызваны непосредственным ростом мощности силовых агрегатов. Работа оборудования направлена на получение большого объема пара и горячей воды. Все клапаны и задвижки должны быть выполнены с учетом работы в условиях высокого внутреннего давления.

Использование оборудования низкого давления

На современном рынке представлены Они отличаются по функциональности, дизайну и качеству сборки. Выбор необходимой модели должен происходить с учетом требуемой мощности и производительности.

Паровые котлы низкого давления предназначены для выработки насыщенного пара, давление которого не выше 0,07 МПа, а его температура составляет 115 °С. Данное оборудование способно производить 140-3000 кг пара в час. Эти агрегаты применяются для технологических процессов в сельскохозяйственных организациях, на предприятиях пищевой, деревообрабатывающей индустрии и для обогрева помещений различной площади.

Паровое оборудование низкого давления устроено так, что вода в процессе сгорания топлива забирает все тепло. Газы, в процессе выхода из топливной части, попадают прямо в трубный пучок, который объединяет две части водяной базы.

Эти продукты нагревают воду, в результате чего она начинает испаряться. Пар сервируется через паропровод и используется в технологических процессах. Благодаря большому количеству воды, формируется устойчивое давление в паровом котле, которое сохраняется даже при неравномерной подаче пара. Впрочем, не стоит игнорировать ситуации, когда давление быстро падает и может спровоцировать взрыв.

Котел низкого давления – это система, которая состоит из двух и более цилиндров разных размеров, вставленных один в другой. В жаровой трубе расположена топка, в ее заднем отсеке имеется конвективный пучок труб. Угольное паровое оборудование оснащается плитой, которая крепится к фронтальной стороне. На плите размещаются крепления для вентилятора. Благодаря этому, процесс горения улучшается, а значит, улучшается и производительность оборудования.

Газовые и жидкотопливные установки оснащаются особыми горелками. Насыщенный пар, вырабатываемый устройством, осушается, благодаря особому внутрикотловому сепарационному устройству. При этом, отходы горения удаляются через дымопровод.

Паровые котлы делятся на устройства высокого и низкого давления. В зависимости от необходимой мощности используется тот или иной тип оборудования. Данные устройства характеризуется надежностью, высокой производительностью и безопасностью применения.

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

© 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

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.