designovikova.ru → Ремонт

Аварии паровых котлов из-за превышения давления. Что представляет собой котел паровой высокого давления? Правила эксплуатации паровогокотла Основные виды оборудования

Паровой котёл — устройство, которое используется в быту и промышленности. Оно предназначено для превращения воды в пар. Полученный пар в дальнейшем применяют для обогрева жилья или вращения турбомашин. Какие бывают паровые машины и где они наиболее востребованы?

Паровой котёл — агрегат для производства пара. При этом устройство может давать 2 вида пара: насыщенный и перегретый. Насыщенный пар имеет температуру 100ºC и давление 100 кПа. Перегретый пар отличается повышенной температурой (до 500ºC) и высоким давлением (больше 26 МПа).

Примечание: Насыщенный пар используют в отоплении частных домов, перегретый — в промышленности и энергетике. Он лучше переносит тепло, поэтому использование перегретого пара повышает КПД работы установки.

Где используются паровые котлы:

В отопительной системе — пар является энергоносителем.
В энергетике — используются промышленные паровые машины (парогенераторы) для получения электроэнергии.
В промышленности — перегретый пар может быть использован для преобразования в механическое движение и перемещения транспортных средств.

Паровые котлы: сфера применения

Бытовые паровые устройства используются в качестве источника тепла для отопления дома. Они подогревают ёмкость с водой и гонят образовавшийся пар в трубы отопления. Часто такую систему обустраивают вместе с угольной стационарной печью или котлом. Как правило, бытовые приборы для отопления паром создают только насыщенный, неперегретый пар.

Для промышленного применения пар перегревают. Его продолжают греть после испарения, чтобы ещё больше поднять температуру. Такие установки требуют качественного исполнения, чтобы предупредить взрыв паровой ёмкости.

Перегретый пар из котла может расходоваться на образование электричества или механическое движение. Как это происходит? После испарения пар попадает в паровую турбину. Здесь поток пара вращает вал. Это вращение в дальнейшем перерабатывается в электричество. Так получают электрическую энергию в турбинах электростанций — при вращении вала турбомашин образуется электрический ток.

Кроме образования электрического тока, вращение вала может передаваться непосредственно на двигатель и на колёса. В результате чего паровой транспорт приходит в движение. Известный пример паровой машины — паровоз. В нём при сжигании угля нагревалась вода, образовывался насыщенный пар, который вращал вал двигателя и колёса.

Принцип работы парового котла

Источником тепла для нагрева воды в паровом котле может быть любой вид энергии: солнечная, геотермальная, электрическая, тепло от сгорания твёрдого топлива или газа. Образующийся пар является теплоносителем, он переносит тепло сгорания топлива к месту его применения.

В различных конструкциях паровых котлов используется общая схема подогрева воды и её превращения в пар:

Вода очищается и подаётся в резервуар с помощью электронасоса. Как правило, резервуар расположен в верхней части котла.
Из резервуара по трубам вода стекает вниз в коллектор.
Из коллектора вода поднимается снова вверх через зону нагрева (горения топлива).
Внутри водной трубы образуется пар, который под действием разницы давлений между жидкостью и газом поднимается вверх.
Вверху пар проходит через сепаратор. Здесь он отделяется от воды, остатки которой возвращаются в резервуар. Дальше пар поступает в паропровод.
Если это не простой паровой котёл, а парогенератор, то его трубы вторично проходят через зону горения и нагрева.

Устройство парового котла

Паровой котёл представляет собой ёмкость, внутри которой нагретая вода испаряется и образует пар. Как правило — это труба различного размера.

Кроме трубы с водой, в котлах имеется топочная камера (в ней сгорает топливо). Конструкция топки определяется видом топлива, для которого сконструирован котёл. Если это твёрдый уголь, дрова, то внизу топочной камеры есть колосниковая решётка. На ней располагают уголь и дрова. Снизу через колосники в топочную камеру проходит воздух. Для эффективной тяги (движения воздуха и горения топлива) вверху топки устраивают .

Если энергоноситель — жидкий или газообразный (мазут, газ), то в топочную камеру вводят горелку. Для движения воздуха также делают вход и выход (колосниковую решётку и дымоход).

Горячий газ от сгорания топлива поднимается к ёмкости с водой. Он нагревает воду и выходит через дымоход. Нагретая до температуры кипения вода начинает испаряться. Пар поднимается вверх и поступает в трубы. Так происходит естественная циркуляция пара в системе.

Классификация паровых котлов

Паровые котлы классифицируют по нескольким признакам. По виду топлива, на котором они работают:

газовые;
угольные;
мазутные;
электрические.

По предназначению:

бытовые;
промышленные;
энергетические;
утилизационные.

По конструктивным особенностям:

газотрубные;
водотрубные.

Давайте рассмотрим, чем отличается конструкция газотрубных и водотрубных машин.

Газо- и водотрубные котлы: отличия

Емкость для образования пара часто представляет собой трубу или несколько труб. Воду в трубах обогревают горячие газы, образующиеся при сгорании топлива. Устройства, в которых газы поднимаются к трубам с водой, называют газотрубными котлами. Схема газотрубного агрегата приведена на рисунке.

Схема газотрубного котла: 1- подвод топлива и воды, 2 — топочная камера, 3 и 4 — дымогарные трубы с горячим газом, который выходит дальше через дымоход (позиции 13 и 14 — дымоход), 5 — решётка между трубами, 6 — вход воды, выход обозначен цифрой 11 — её выход, кроме того на выходе есть устройство для измерения количества воды (обозначено цифрой 12), 7 — выход пара, зона его образования обозначено цифрой 10, 8 — сепаратор пара, 9 — наружная поверхность ёмкости, в которой циркулирует вода.

Есть другие конструкции, в которых газ двигается по трубе внутри ёмкости с водой. В таких устройствах водные ёмкости называют барабанами, а сами устройства — водотрубными паровыми котлами. В зависимости от расположения барабанов с водой, водотрубные котлы классифицируют на горизонтальные, вертикальные, радиальные, а также комбинации различных направлений труб. Схема движения воды по водотрубному котлу приведена на рисунке.

Схема водотрубного котла: 1- подвод топлива, 2 — топка, 3 — трубы для движения воды; направление её движения обозначено цифрами 5,6 и 7, место входа воды — 13, место выхода воды — 11 и место слива — 12, 4 — зона, где вода начинает превращаться в пар, 19 — зона, где есть и пар, и вода, 18 — зона пара, 8 — перегородки, которые направляют движение воды, 9 — дымоход и 10 — дымовая труба, 14 — выход пара через сепаратор 15, 16 — наружная поверхность ёмкости для воды (барабан).

Газо- и водотрубные котлы: сравнение

Для сравнения газо- и водотрубных котлов приведём некоторые факты:

Размер труб для воды и пара: у газотрубных котлов трубы — больше, у водотрубных — меньше.
Мощность газотрубного котла ограничена давлением 1 МПа, и теплообразующей способностью — до 360 кВт. Это связано с большим размером труб. В них может образовываться значительное количество пара и высокое давление. Увеличение давления и количества образуемой теплоты требует значительного утолщения стенок. Цена такого котла с толстыми стенками будет неоправданно высока, экономически не выгодна.
Мощность водотрубного котла — выше, чем газотрубного. Здесь используются трубы небольшого диаметра. Поэтому давление и температура пара могут быть больше, чем в газотрубных агрегатах.

Примечание: Водотрубные котлы безопаснее, мощнее, производят высокую температуру и допускают значительные перегрузки. Это даёт им преимущество перед газотрубными агрегатами.

Дополнительные элементы агрегата

В конструкцию парового котла могут входить не только топочная камера и трубы (барабаны) для циркуляции воды и пара. Дополнительно используются устройства, которые увеличивают эффективность работы системы (поднимают температуру пара, его давление, количество):

Пароперегреватель — повышает температуру пара выше +100ºC. Это в свою очередь повышает экономичность и КПД работы машины. Температура перегретого пара может достигать 500 ºC (так работают паровые котлы в атомных станциях). Пар дополнительно нагревается в трубах, в которые он поступает после испарения. При этом он может иметь собственную топочную камеру или быть встроен в общий паровой котёл. Конструктивно различают конвекционные и радиационные пароперегреватели. Радиационные конструкции нагревают пар в 2-3 раза сильнее, чем конвекционные.
Сепаратор пара — удаляет из пара влагу и делает его сухим. Этим увеличивается эффективность работы устройства, его КПД.
Паровой аккумулятор — устройство, которое отбирает из системы пар, когда его много, и добавляет его в систему, когда его недостаточно, мало.
Устройство для подготовки воды — снижает количество растворённого в воде кислорода (что предупреждает коррозию), убирает растворённые в воде минералы (химическими реагентами). Эти меры предупреждают засорение труб накипью, которая ухудшает теплоотдачу и формирует условия для прогорания труб.

Кроме того, есть клапаны для слива конденсата, воздухоподогреватели, и обязательно — система контроля и управления. В неё входят включатель и выключатель горения, автоматические регуляторы расхода воды, топлива.

Парогенератор: мощная паровая машина

Парогенератор — это паровой котёл, который снабжён несколькими дополнительными устройствами. В его конструкцию входят один или несколько промежуточных пароперегревателей, которые увеличивают мощность его работы в десятки раз. Где используются мощные паровые машины?

Главное применение парогенераторы нашли в атомных электростанциях. Здесь с помощью пара энергия распада атома преобразуется в электричество. Опишем два способа подогрева воды и образования пара в реакторе:

Вода омывает корпус реактора снаружи, при этом она нагревается сама и охлаждает реактор. Таким образом, образование пара происходит в отдельном контуре (вода нагревается о стенки реактора и передаёт тепло в испарительный контур). В такой конструкции используется парогенератор — он выполняет роль теплообменника.
Трубы для нагрева воды проходят внутри реактора. При подаче труб в реактор он становится топочной камерой, а пар передаётся непосредственно в электрогенератор. Такая конструкция получила название кипящего реактора. Здесь парогенератор не нужен.

Промышленные паровые агрегаты — мощные машины, которые обеспечивают людей электричеством. Бытовые агрегаты — также работают на службе человека. Паровые котлы позволяют обогревать дом и выполнять различную работу, а также дают львиную долю электрической энергии для металлургических заводов. Паровые котлы — основа промышленности.

Паровой котел - это оборудование, вырабатывающее насыщенный или перегретый пар, который используется для решения различных технологических задач. В зависимости от назначения паровые котлы высокого давления делятся на две группы - энергетические и промышленные.

Энергетические котлы. Агрегаты данного типа нашли широкое применение на ТЭЦ и ТЭС, где работают в связке с турбогенератором. Энергетические котлы вырабатывают перегретый пар, температура которого превышает температуру кипения воды при заданном давлении. Вырабатываемый котлом пар поступает в турбину и используется для увеличения коэффициента полезного действия тепловой машины при производстве электроэнергии.

Промышленные котлы. Оборудование этого типа предназначено для производства технического пара и используется почти во всех отраслях промышленности, в том числе на пищевых, химических, нефтедобывающих, деревообрабатывающих производствах, в сельском хозяйстве, медицине и т.д. Важно отметить, что в отличие от агрегатов предыдущего вида промышленные котлы вырабатывают насыщенный пар, температура которого равна температуре кипения воды.

Что касается других особенностей котлов, то наиболее значимым является тип используемого топлива. Чаще всего на предприятиях используют промышленные паровые котлы на газе (природном и сжиженном), но это не единственный вариант энергоносителя. При подключении специальных горелок оборудование может работать на дизельном топливе, мазуте, нефти и т.д.

Преимущества паровых котлов ICI Caldaie

Итальянская компания ICI Caldaie специализируется на производстве промышленных котлов с середины прошлого века. Сегодня данная марка по праву признана одной из лучших в отрасли, а ее продукция пользуется устойчивым спросом у потребителей.

Планируя купить паровой котел, рассмотрите возможность приобретения оборудования, выпущенного итальянским производителем. Оно обладает множеством преимуществ, в том числе:

КПД до 92%. Более доступные по цене отечественные агрегаты заметно проигрывают по коэффициенту полезного действия, как правило, их КПД не превышает 60%. А это значит, что, установив на предприятии , вы будете экономить до трети топлива;
широкий выбор техники. В ассортименте производителя присутствует все, что необходимо для оборудования котельной «под ключ», включая паровые котлы, а также компактные модели, которые оптимальны для использования в условиях дефицита пространства или там, где нет необходимости в высокопроизводительном агрегате;
отличная производительность. Номенклатурный ряд производителя включает в себя как небольшие котлы, так и мощные промышленные агрегаты, способные производить до 25 000 кг пара в час, при рабочем давлении до 25 бар.

Приобрести промышленные парогенераторы ICI Caldaie в России можно в компании «Альба». Мы являемся официальным дилером производителя, поэтому предлагаем выгодные цены на все оборудование и осуществляем поставки техники в кратчайшие сроки.

Котлы или паровики - закрытые приборы, для изготовления пара, давления выше атмосферного, из воды или иной жидкости, действием горящего топлива. Паровые котлы должны изготовляться из материала плотного, не пропускающего пар, и прочного, способного безопасно выдерживать давление пара. Лучшими материалами для изготовления котлов служат листовое железо, мягкая сталь и красная медь.

Чугун, из которого вначале изготовлялись все котлы, ныне применяется редко, как материал для котлов весьма ненадежный. При расходовании пара из котла убыль пара должна возмещаться вновь образующимся в котле паром; в противном случае давление пара в котле станет весьма быстро понижаться. Поэтому размеры котла и топки для сжигания топлива должны быть хорошо согласованы с количеством пара, требуемого от котла.

О силе или паропроизводительности котла принято в практической жизни судить по силе паровой машины, питаемой паром из котла; поэтому паропроизводительность котла, т. е. весовое количество доставляемого котлом пара в час, определяют числом производимых им П. лошадей (см. П. машины), предполагая, что на каждую П. лошадь требуется 15 кг (36 2/3 русск. фн.) пара в час.

Согласно сказанному, котел в 60 сил должен быть способен доставлять 60 х 15 = 900 кг пара в час. Жар от горения топлива проникает в воду через стенки котла; чем больше поверхность нагрева, т. е. та площадь стенок котла, которая изнутри покрыта водой, а снаружи обогревается огнем или горячими газами от сжигания топлива, тем большая часть теплоты горючего материала передается воде для обращения ее в пар и тем меньшая часть улетает даром в дымовую трубу; но с увеличением поверхности нагрева возрастает также вес и стоимость котла; поэтому наиболее выгоден в экономическом отношении тот котел, для которого стоимость расходуемого в год топлива, сложенная с процентами на погашение капитала, затраченного на котел со всей совокупностью устройства (печью, дымовой трубой и пр.), будет наименьшая.

В котлах фабричных или заводских, от которых требуется большая паропроизводительность, обыкновенно на первый план выступает экономия в топливе, вследствие чего в таких котлах стремятся по возможности увеличивать поверхность нагрева, не обращая особого внимания на стоимость котлов.

И водогрейных котлов

При несоблюдении установленных сроков освидетельствования и правил технической эксплуатации возможны взрывы и аварии.
Правила эксплуатации котлов устанавливает Госгортехнадзор России. С 1 июня 1986 г. действует ОСТ 46.3.2.199 - 85. В соответствии с этими правилами и водогрейные котлы положено устанавливать в отдельном несгораемом здании или в помещениях, прилегающих к производственным зданиям, но отделенных от них капитальной огнестойкой стеной. Внутри производственных помещений допускается установка прямоточных котлов при условии:

(t - 100)V < 100

где t - температура насыщенного пара при рабочем давлении,°С; V - объем воды в котле, м3.
В производственных зданиях, примыкающих к жилым помещениям, но отделенных от них капитальной стеной, разрешается установка котлов, у которых:

(t - 100)V < 5

При этом помещения, в которых установлены паровые и водогрейные котлы, должны отвечать требованиям противопожарного и строительного проектирования промышленных предприятий и населенных мест (СанПиН 11-2-80), Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий (СН-245 - 71) и Правилам устройства и безопасности эксплуатации паровых и водогрейных котлов.
Установленные в помещении котлы должны отстоять от стены на расстоянии 3 м при работе на твердом топливе и на 2 м при работе на жидком топливе или газе. Ширина прохода между котлами допускается не менее 1 м.
Пол в котельной должен быть бетонным. В помещении котельной площадью 200 м2 должна быть одна входная дверь, а площадью более 200 м2 - две двери. Двери должны открываться наружу и не иметь запоров изнутри. Помещение котельной должно вентилироваться, контрольные приборы должны иметь индивидуальное освещение.
Администрация хозяйства обязана принять меры к подготовке квалифицированных кочегаров (обучение на специальных курсах)J Через каждые 12 мес, а также при переходе кочегара с одного предприятия на другое или при переводе на обслуживание котлов других типов следует проводить проверку его знаний.
Кочегар должен внимательно следить за показанием манометра и немедленно принимать меры в случае повышения давления в котле. При обслуживании водогрейных котлов он обязан наблюдать за показанием термометра и не допускать повышения температуры воды сверх 95 °С путем регулирования процесса горения в топке. В целях проверки водоуказательного устройства кочегар за смену должен 2...3 раза продуть водяные трубки, открывая верхний и нижний краники, а также принудительным подъемом предохранительных клапанов и убедиться в их исправности. Особо внимательно нужно следить за уровнем воды в котле.
При возникновении аварийного состояния следует немедленно оповестить администрацию и принять меры к приостановке работы котла.
В последнее время все больше применяют котлы, работающие на жидком топливе или газе. В устройстве для подачи жидкого топлива возможно его подтекание из форсунки, в результате чего топливо скапливается в топке, частично испаряется и при разжигании топки котла может взорваться.
Требуется строго соблюдать правила техники безопасности при газовом питании котлов. В таких установках надо внимательно следить за исправностью вентилей и кранов. При неисправности запорного устройства газ может накопиться в топке и дымоходе и, соединившись с кислородом воздуха, образовать взрывчатую смесь.
При разжигании топки котла сначала следует проверить топку, а затем поднести к горелке факел (запальную горелку) и тогда только открыть запорное устройство в газопроводе. Невыполнение этих правил неизбежно приведет к взрыву.
На каждом паровом котле установлен манометр, сообщающийся с паровым пространством котла, а для контроля воды - один водоуказательный прибор и два пароводопробных крана: один в паровом, другой в водяном пространстве котла. На паровых котлах марки KB установлены два грузовых предохранительных клапана, один из которых контрольный. Предохранительные клапаны отрегулированы таким образом, чтобы выпускать лишний пар при превышении рабочего давления более чем на 9,8 кПа для котлов низкого давления; на 19,6 кПа (контрольный клапан) и на 30 кПа (рабочий клапан) для котлов с рабочим давлением до 1,3 МПа.
Котел-парообразователь низкого давления Д-721А оборудован паровым манометром, водоуказательным стеклом, двумя водопробными кранами, двумя предохранительными клапанами и выбросными трубами, запорной, продувочной и прочей арматурой. Уровень воды в котле изменяют автоматически с помощью регулятора уровня, включающего и выключающего питательный насос. Котел оснащен также автоматом защиты по уровню, который отключает подачу топлива к форсунке при аварийном понижении уровня воды. При внезапном срыве пламени форсунки подача топлива в топку немедленно прекращается автоматом защиты по горению.
Для питания паровых котлов следует устанавливать не менее двух питательных насосов с подачей каждого не менее 120 % номинальной потребности всех одновременно действующих котлов.
В котельной на видном месте должна быть вывешена инструкция по технике безопасности при эксплуатации котлов.
На каждом водогрейном котле или трубопроводе горячей воды между котлом и запорным устройством устанавливается манометр, а на трубопроводах для входа и выхода воды - термометры.
На животноводческих фермах наибольшее распространение получили автоматические электронагреватели ВЭТ-200 и ВЭП-600. Причинами травматизма при эксплуатации этих водонагревателей являются неумелая их эксплуатация, неправильный монтаж, несоблюдение правил техники безопасности, бездействие приборов.
Безопасность работы с электрическими водонагревателями обеспечивается исправностью теплового реле с ртутным переключателем, предохранительного и обратного клапанов и термометра; целостностью многоканальных изоляторов из талькошамота; надежностью запорного вентиля и спускного крана; заземлением корпуса водонагревателя и кожуха пусковых устройств; заключением кабеля (или провода), соединяющего пускатель с нагревающими элементами внутри помещения, в металлическую трубу диаметром 1"; использованием рубильников и предохранителей только закрытого типа.
Для предотвращения выноса электрического потенциала из водонагревателя необходимо между водопроводной трубой и входным патрубком, а также между выходным патрубком водонагревателя и потребителем монтировать резиновую трубку длиной не менее 1 м.
Эксплуатация самодельных водонагревателей категорически запрещается.
Предыдущая Вперед

Какой паровой котел выбрать?

Паровой котел высокого давления Viessmann Vitomax 200-HS с экономайзером

Паровой котел Viessmann Vitomax 200-HS в комплекте с экономайзером (теплообменник отходящих газов/воды) – эффективное решение задачи по обеспечению объектов паром высокого давления.

Использование экономайзера позволяет увеличить КПД до 95%. Подобрать необходимую модель теплообменника возможно только после получения детальных данных о проектируемой инженерной системе. После этого можно будет определить эксплуатационные и конструктивные параметры экономайзера.

Остановимся немного подробнее на принципе работы теплообменника, установленного в парогенератор.

Главная задача экономайзера в паровом котле – повышение температуры питательной воды по, так называемой, «сухой технологии» (без конденсации паров). Для этого охлаждение отходящих газов производится при температурах превышающих точку росы. При этом процессе необходим постоянный контроль температуры уходящих газов, чтобы, в случае необходимости, отправить их в дымовую трубу минуя экономайзер.

Обязательным условием работы парового котла с теплообменником уходящих газов является плавное регулирование уровня воды.

При соблюдении всех правил эксплуатации прирост КПД составляет 4,5-5%. Это значительно сократить время окупаемости отопительного оборудования и снизит затраты на топливо.

В комплект поставки парогенератора с экономайзером входит трубопровод питательной воды с теплоизоляцией и газоотводный колпак для монтажа на месте эксплуатации.
Дополнительная информация о парогенераторе Vitomax 200-HS

Производительность 0,5 – 25т/ч;
Использует жидкое и газообразное топливо;
Котел с большим водяным наполнением;
Потери тепла минимизированы за счет установки круговой теплоизоляции.

Паровые котлы Vitomax 200-HS поставляются со смонтированной проходной площадкой. Это значительно упрощает монтаж и дальнейшее техническое обслуживание парового котла. По желанию заказчика, могут быть установлены площадка котла и лестница.

Правильная эксплуатация и уход за паровым котлом

Цель ухода за котлом состоит в своевременном, безопасном и выгодном (в смысле сбережения топлива и сохранения котла для более продолжительной службы) изготовления пара. Для безопасности от взрыва и предохранения котла от преждевременной порчи необходимо не только не допускать чрезмерного повышения давления пара в котле и поддерживать уровень воды на надлежащей высоте, но и постоянно следить за исправным состоянием стенок котла, так как стенки эти, а также заклепочные швы и головки заклепок, находясь под действием огня и вредных примесей, содержащихся в воде и топливе, подвержены различного рода разъеданиям, как внутри котла, так и снаружи; кроме того не следует допускать слишком сильных или слишком быстро происходящих нагреваний и охлаждений котла; в особенности местных, сильно вредящих его прочности.

Для выгодного изготовления пара необходимо постоянно заботиться о возможно полном и совершенном сжигании топлива, доставлением в топку потребного для горения количества воздуха и надлежащим перемешиванием его с топливом; для сего требуется пропускать воздух снизу, сквозь слой топлива, а не над ним; кроме того следует довольно часто прочищать колосниковую решетку, сквозь которую протекает воздух, от засоряющих ее шлаков и золы, своевременно и умело забрасывать в топку топливо, заботясь о равномерном распределении горючего по всей площади решетки; при заброске топлива и шуровке (прочистке решетки) должно по возможности быстро закрывать топочные дверцы, для устранения излишнего притока холодного воздуха над слоем топлива, так как при этом сильно охлаждаются стенки котла; далее, должно устранять препятствия движению газов в дымоходах, очищая последние от скоплений золы и налетов сажи на стенках, и умело управлять тягой в дымовой трубе, посредством надлежащего подъема или опускания заслонки (задвижки) в боров; необходимо также очищать стенки котла от плотно пристающей к ним накипи или котельного камня, отлагающегося вследствие выпаривания из воды различных растворенных в ней солей, в особенности солей кальция и магния.

Накипь - очень дурной проводник тепла и потому весьма сильно препятствует протеканию теплоты в воду сквозь стенки котла; накипь не только понижает полезное действие котла, но нередко является причиной раскаления его стенок, отчего происходят выпучивания (отдушины) и даже трещины в них (подробнее см. Накипь). Влияние кочегара на полезное действие котла достаточно подтверждается результатами конкурсов или состязаний кочегаров, производившихся за границей и в СПб.

Основываясь на результатах конкурсов, Бельгийское общество владельцев котлов ввело систему обучения кочегаров на месте, посредством посылаемого по заводам опытного странствующего кочегара (chauffeur-instructeur, Lehrheizer); сравнение его работы с работой кочегаров до обучения - нередко обнаруживало сбережение до 25 % в расходе горючего. На состязаниях кочегаров, на которые являются обыкновенно люди опытные в своем деле, выяснилось также, что их ошибки "оказывают тем меньшее влияние на результаты работы, чем лучше система котла, т. е. чем больший он дает коэффициент полезного действия" (Депп, "Результаты состязаний кочегаров").

VI. Взрывы паровых котлов. Под взрывом разумеют обыкновенно внезапное и довольно значительное разрушение всего котла или некоторых его частей; впрочем, точное знание этого термина до сих пор еще не установлено. Взрывы нередко сопровождаются гибелью людей и разрушением котельного помещения, иногда вместе с соседними постройками. Особенной разрушительностью взрывов отличаются котлы с большим содержанием воды.

Хотя появление значительной трещины и производит в них понижение давления пара, но вместе с тем вызывает почти внезапное выделение весьма значительного количества паров из воды вследствие того избытка теплоты в ней, который соответствует разности температур кипения для прежнего и нового, пониженного, давления пара. Каждый кубический метр воды, при понижении давления на одну атмосферу, доставляет показанное в прилагаемой таблице число кубических метров пара (таблица вычислена по данным Цейнера ; искомый объем z = (qo - q)/r ∙ (u + σ)/σ, где σ = 0,001; вычисление по адиабате: z = (τo - τ)T/r ∙ (u + σ)/σ, дает те же результаты).

В котлах цилиндрических, простых и с внутренними (жаровыми) трубами, на каждый погонный метр длины котла приходится примерно от 0,5 до 2 куб. м воды; а длина достигает 7 - 10 и более м. Отсюда видно, как велик может быть объем выделяющегося из воды пара при понижении давления на одну атмосферу; для котла, содержащего 10 куб. м воды, объем выделяющегося пара будет 52 куб. м (около 5 1/3 куб. саж.) при 5 атмосферах и 228 куб. м (около 23,5 куб. саж.) при двух атмосферах давления в котле по манометру. Большое содержание воды является, однако, и по той же причине, огромным достоинством во время исправной службы котла. Большой запас воды служит прекрасным регулятором теплоты, не допуская сколько-нибудь быстрых и значительных колебаний давления пара и неравномерности в его изготовлении, даже при весьма переменном расходовании пара.

При внезапном увеличении расхода недостающий пар тотчас же выделяется из воды, а при уменьшении или прекращении расхода большая часть теплоты огня идет на нагревание воды, не повышая значительно и быстро давления пара в котле. Но когда прежде всего от котла требуется возможно быстрое разведение паров, как например от котлов пожарных насосов (помп), то следует обращаться к типам котлов с очень малым содержанием в них воды. Причины взрывов могут быть весьма разнообразны. На них в настоящее время пролит яркий свет трудами правительственных инженеров и многочисленных заграничных обществ надзора за котлами, из которых первое возникло в Англии в 1855 г., по почину Ферберна (Fairbairn), под наименованием: "Манчестерское общество потребителей пара" (Manchester Steam Users Association).

Постоянно производимые правительствами и упомянутыми обществами исследования над причинами взрывов обнаружили с полной несомненностью, что огромное большинство взрывов происходит от одной или нескольких из следующих причин: дурного устройства котла, чрезмерной его изношенности и плохого ухода за котлом.

Дурное устройство заключается: в непрочности котельных листов, по недостаточности толщины или вследствие плохого материала; в дурной склепке котла и вообще неумелой котельной работе при изготовлении котла; в отсутствии надлежащих скреплений; в ошибочном расположении частей; в недостаточности приспособлений для питания котла водой и проч. Чрезмерная изношенность может происходить или от слишком продолжительной службы котла, или от отсутствия своевременного ремонта (починки) котла, в случаях напр. порчи его стенок от разъедания и других причин.

Плохой уход состоит в допущении: чрезмерного повышения давления пара, чрезмерного понижения уровня воды, значительного образования накипи; в недостаточном надзоре за исправным состоянием стенок котла и дымоходов и проч.

Весьма сомнительны и мало вероятны предположения о возможности взрывов вследствие образования гремучей смеси внутри котла от диссоциации воды, т. е. ее разложения на составные части: водород и кислород, или от случайно происшедшего сфероидального ее состояния, или наконец по причине перегрева воды. Образование гремучей смеси в дымоходах иногда бывало причиной взрыва, равно как и пожар в котельном помещении.

котел паровой высокого давления

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:

Способу сепарации пара – прямоточные (проточные) и циркуляционные;
По устройству пароотделителя – барабанные и прочие (колпаковые, змеевиковые и др;
Способу теплообмена – газотрубные (прежнее название жаротрубные; старое огнетрубные) и водотрубные;
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;
По ходу топочных газов – прямого хода и оборотные;
По гидродинамике – с открытым или замкнутым пароводяным контуром, см. далее;
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):

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

питательный насос;
дымоход;
экономайзер (для котлов данного типа обязателен, иначе пламенный вихрь внизу может сбиться);
воздуховод;
воздуходувка;
вихревая горелка;
паровая зона рубашки;
водяная зона рубашки;
клапан и вентиль аварийного сброса пара;
пароотделитель (как правило абсорбционный);
выход пара;
водомер уровня (водомерное стекло);
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

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