Котлы различают по следующим признакам:

По назначению:

Энергетически е - вырабатывающие пар для паровых турбин; их отличает высокая производительность, повышенные параметры пара.

Промышленные - вырабатывающие пар как для паровых турбин, так и для технологических нужд предприятия.

Отопительные - производящие пар для отопления промышленных,жилых и общественных зданий. К ним относятся и водогрейные котлы. Водогрейный котел - устройство, предназначенное для получения горячей воды с давлением выше атмосферного.

Котлы-утилизаторы - предназначены для получения пара или горячей воды за счет использования тепла вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) при переработке отходов химических производств, бытового мусора и т.д.

Энерготехнологические - предназначены для получения пара за счет ВЭР и являющиеся неотъемлемой частью технологического процесса (например, содорегенерационные агрегаты).

По конструкции топочного устройства (рис. 7):

Рис. 7. Общая классификация топочных устройств

Различают топки слоевые - для сжигания кускового топлива и камерные - для сжигания газового и жидкого топлива, а также твердого топлива в пылевидном (или мелкодробленом) состоянии.

Слоевые топки подразделяются на топки с плотным и кипящим слоем, а камерные - на факельные прямоточные и циклонные (вихревые).

Камерные топки для пылевидного топлива подразделяют на топки с твердым и жидким шлакоудалением. Кроме того, по конструкции они могут быть однокамерными и многокамерными, а по аэродинамическому режиму - под разрежением и под наддувом .

В основном используется схема под разряжением, когда в газоходах котла дымососом создается давление меньше атмосферного, то есть разряжение. Но в некоторых случаях при сжигании газа и мазута или твердого топлива с жидким шлакоудалением может использоваться схема под наддувом.

Схема котла под наддувом. В этих котлахвысоконапорная дутьевая установка обеспечивает избыточное давление в топочной камере 4 - 5 кПа, которое позволяет преодолеть аэродинамическое сопротивление газового тракта (рис. 8). Поэтому в этой схеме отсутствует дымосос. Газоплотность газового тракта обеспечивается установкой мембранных экранов в топочной камере и на стенах газоходов котла.

Достоинства данной схемы:

Сравнительно низкие капитальные затраты на обмуровку;

Более низкий по сравнению с котлом, работающим под разряжением, расход электроэнергии на собственные нужды;

Более высокий КПД за счет снижения потерь с уходящими газами из-за отсутствия присосов воздуха в газовый тракт котла.

Недостаток - сложность конструкции и технологии изготовления мембранных поверхностей нагрева.

По виду теплоносителя , генерируемого котлом: паровые и водогрейные .

По перемещению газов и воды (пара):

Газотрубные (жаротрубные и с дымогарными трубами);

Водотрубные;

Комбинированные.

Схема жаротрубного котла. Котлы предназначены для замкнутых систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и выпускаются для работы при допустимом рабочем давлении 6 бар и допустимой температуре воды до 115°С. Котлы предназначены для работы на газообразном и жидком топливе, в том числе на мазуте и сырой нефти, и обеспечивают КПД при работе на газе - 92 % и на мазуте - 87 %.

Стальные водогрейные котлы имеют горизонтальную реверсивную камеру сгорания с концентрическим расположением дымогарных труб (рис. 9). Для оптимизации тепловой нагрузки, давления в камере сгорания и температуры отходящих газов дымогарные трубы оснащены турбулизаторами из нержавеющей стали.

Рис. 8. Схема котла под «наддувом»:

1 - воздухозаборная шахта; 2 - высоконапорный вентилятор; 3 - воздухоподогреватель 1-й ступени; 4 - водяной экономайзер 1-й ступени; 5 - воздухоподогреватель 2-й ступени; 6 - воздуховоды горячего воздуха; 7 - горелочное устройство; 8 - газоплотные экраны, выполненные из мембранных труб; 9 - газоход

Рис. 9. Схема топочной камеры жаротрубных котлов:

1 - передняя крышка;

2 - топка котла;

3 - дымогарные трубы;

4 - трубные доски;

5- каминная часть котла;

6 - люк каминной части;

7 - горелочное устройство

По способу циркуляции воды все разнообразие конструкций паровых котлов на весь диапазон рабочих давлений можно свести к трем типам:

- с естественной циркуляцией - рис. 10а;

- с многократной принудительной циркуляцией - рис. 10б;

- прямоточные - рис. 10в.

Рис. 10. Способы циркуляции воды

В котлах с естественной циркуляцией движение рабочего тела по испарительному контуру осуществляется за счет разности плотностей столбов рабочей среды: воды в опускной питательной системе и пароводяной смеси в подъемной испарительной части циркуляцион-ного контура (рис. 10а). Движущий напор циркуляции в контуре можно выразить формулой

, Па,

где h - высота контура, g - ускорение свободного падения, , - плотность воды и пароводяной смеси.

При критическом давлении рабочая среда является однофазной и ее плотность зависит только от температуры, а так как последние близки между собой в опускной и подъемной системах, то движущий напор циркуляции будет очень мал. Поэтому на практике естественная циркуляция применяется для котлов только до высоких давлений, обычно не выше 14 МПа.

Движение рабочего тела по испарительному контуру характери-зуется кратностью циркуляции К, которая представляет собой отношение часового массового расхода рабочего тела через испарительную систему котла к его часовой паропроизводительности. Для современных котлов сверхвысокого давления К=5-10, для котлов низких и средних давлений К составляет от 10 до 25.

Особенностью котлов с естественной циркуляцией является способ компоновки поверхностей нагрева, заключающийся в следующем:

· опускные трубы не должны обогреваться для сохранения на достаточно высоком уровне ;

· подъемные трубы должны иметь такую конструкцию, чтобы исключить образование паровых пробок при движении по ним пароводяной смеси;

· скорости воды и смеси во всех трубах должны быть умеренными для получения невысоких гидравлических сопротивлений, что достигается выбором труб поверхностей нагрева достаточно большого диаметра (60 - 83 мм).

В котлах с многократной принудительной циркуляцией движение рабочего тела по испарительному контуру осуществляется за счет работы циркуляционного насоса, включаемого в опускной поток рабочей жидкости (рис. 10б). Кратность циркуляции поддерживается невысокой (К=4-8), поскольку циркуляционный насос гарантирует ее сохранение при всех колебаниях нагрузки. Котлы с многократной принудительной циркуляцией позволяют экономить металл для поверхностей нагрева, так как допускаются повышенные скорости воды и рабочей смеси, частично улучшая, таким образом, охлаждение стенки труб. Габариты агрегата при этом несколько снижаются, так как диаметр трубок можно выбирать меньшим, чем для котлов с естественной циркуляцией. Эти котлы могут применяться вплоть до критических давлений 22,5 МПа, наличие барабана дает возможность хорошо осушать пар и продувать загрязненную котловую воду.

В прямоточных котлах (рис. 10в) кратность циркуляции равна единице и движение рабочего тела от входа в экономайзер и до выхода из агрегата перегретого пара принудительное, осуществляемое питательным насосом. Барабан (достаточно дорогой элемент) отсутствует, что дает при сверхвысоком давлении известное преимущество прямоточным агрегатам; однако это обстоятельство вызывает при сверхкритическом давлении удорожание станционной водоподготовки, поскольку повышаются требования к чистоте питательной воды, которая должна в этом случае содержать примесей не больше, чем выдаваемый котлом пар. Прямоточные котла универсальны по рабочему давлению, а на закритическом давлении вообще являются единственными генераторами пара и находят широкое применение в современной электроэнергетике.

Существует разновидность циркуляции воды в прямоточных парогенераторах - комбинированная циркуляция, осуществляемая за счет особого насоса или дополнительного параллельного циркуляционного контура естественной циркуляции в испарительной части прямоточного котла, позволяющая улучшить охлаждение экранных труб при малых нагрузках котла за счет увеличения на 20-30 % массы циркулируемой через них рабочей среды.

Схема котла с многократной принудительной циркуляцией на докритическое давление представлена на рис. 11.

Рис. 11. Конструктивная схема котла с многократной принудительной циркуляцией:

1 - экономайзер; 2 - барабан;

3 - опускная питательная труба; 4 - циркуляционный насос; 5 - раздача воды по циркуляционным контурам;

6 - испарительные радиационные поверхности нагрева;

7 - фестон; 8 - пароперегреватель;

9 - воздухоподогреватель

Циркуляционный насос 4 работает с перепадом давления 0,3 МПа и позволяет применять трубы малого диаметра, что дает экономию металла. Малый диаметр труб и невысокая кратность циркуляции (4 - 8) вызывают относительное снижение водяного объема агрегата, следовательно, снижение габаритов барабана, уменьшение сверлений в нем, а отсюда общее снижение стоимости котла.

Малый объем и независимость полезного напора циркуляции от нагрузки позволяют быстро растапливать и останавливать агрегат, т.е. работать в регулировочно-пусковом режиме. Область применения котлов с многократной принудительной циркуляцией ограничивается сравнительно невысокими давлениями, при которых можно получать наибольший экономический эффект за счет удешевления развитых конвективных испарительных поверхностей нагрева. Котлы с многократной принуди-тельной циркуляцией нашли распространение в теплоутилизационных и парогазовых установках.

Прямоточные котлы. Прямоточные котлы не имеют зафиксированной границы между экономайзером и испарительной частью, между испарительной поверхностью нагрева и пароперегревателем. При изменении температуры питательной воды, рабочего давления в агрегате, воздушного режима топки, влажности топлива и других факторов соотношения между поверхностями нагрева экономайзера, испарительной части и перегревателя меняются. Так, при понижении давления в котле снижается теплота жидкости, повышается теплота испарения и снижается теплота перегрева, поэтому уменьшается зона, занимаемая экономайзером (зона подогрева), растет зона испарений и уменьшается зона перегрева.

В прямоточных агрегатах все примеси, поступающие с питательной водой, не могут удаляться с продувкой подобно барабанным котлам и откладываются на стенках поверхностей нагрева или уносятся с паром в турбину. Поэтому прямоточные котлы предъявляют высокие требования к качеству питательной воды. Для уменьшения опасности пережога труб из-за отложения солей в них зону, в которой испаряются последние капли влаги и начинается перегрев пара, на докритических давлениях выносят из топки в конвективный газоход (так называемая вынесенная переходная зона ).

В переходной зоне идет энергичное выпадение и отложение примесей, а так как температура стенки металла труб в переходной зоне ниже, чем в топке, то опасность пережога труб значительно снижается и толщину отложений можно допускать большей. Соответственно удлиняется межпромывочная рабочая кампания котла.

Для агрегатов закритических давлений переходная зона, т.е. зона усиленного выпадения солей, также имеется, но она сильно растянута. Так, если для высоких давлений ее энтальпия измеряется величиной 200-250 кДж/кг, то для закритических давлений возрастает до 800 кДж/кг, и тогда выполнение вынесенной переходной зоны становится нецелесообразным, тем более, что содержание солей в питательной воде здесь так мало, что практически равно их растворимости в паре. Поэтому, если котел, спроектированный на закритическое давление, имеет вынесенную переходную зону, то делается это только из соображений обычного охлаждения дымовых газов.

Из-за малого аккумулирующего объема воды у прямоточных котлов важную роль играет синхронность подачи воды, топлива и воздуха. При нарушении этого соответствия в турбину можно подать влажный или чрезмерно перегретый пар, в связи с чем для прямоточных агрегатов автоматизация регулирования всех процессов является просто обязательной. Прямоточные котлы конструкции профессора Л.К. Рамзина. Особенностью котла является компоновка радиационных поверхностей нагрева в виде горизонтально-подъемной навивки трубок по стенам топки с минимумом коллекторов (рис. 12).

Рис. 12. Конструктивная схема прямоточного котла Рамзина:

1 - экономайзер; 2 - перепускные необогреваемые трубы; 3 - нижний распределительный коллектор воды; 4 - экранные трубы; 5 - верхний сборный коллектор смеси; 6 - вынесенная переходная зона; 7 - настенная часть перегревателя; 8 - конвективная часть перегревателя; 9 -воздухоподогреватель; 10 - горелка

Как в дальнейшем показала практика, такое экранирование имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Позитивным является равномерный обогрев отдельных трубок, включенных в ленту, так как трубки проходят по высоте топки все температурные зоны в одинаковых условиях. Негативным - невозможность выполнения радиационных поверхностей заводскими крупными блоками, а также повышенная склонность к теплогидравлическим разверкам (неравномерное распределение температуры и давления в трубах по ширине газохода) при сверхвысоком и сверхкритическом давлении из-за большого приращения энтальпии в длинном змеевике.

Для всех систем прямоточных агрегатов соблюдаются некоторые общие требования. Так, в конвективном экономайзере питательная вода до поступления в топочные экраны не догревается до кипения примерно на 30 °С, что устраняет образование пароводяной смеси и неравномерное ее распределение по параллельным трубкам экранов. Далее, в зоне активного горения топлива, в экранах обеспечивается достаточно высокая массовая скорость ρω ≥ 1500 кг/(м 2 ·с) при номинальной паропроизводительности D н, что гарантирует надежное охлаждение трубок экранов. Около 70 - 80 % воды превращается в пар в экранах топки, а в переходной зоне испаряется оставшаяся влага и весь пар перегревается на 10-15 °С во избежание отложения солей в верхней радиационной части перегревателя.

Кроме того, паровые котлы классифицируются по давлению пара и по паропроизводительности.

По давлению пара:

Низкого - до 1 МПа;

Среднего от 1 до 10 МПа;

Высокого - 14 МПа;

Сверхвысокого - 18-20 МПа;

Сверхкритического - 22,5 МПа и выше.

По производительности:

Малая -до 50 т/ч;

Средняя - 50-240 т/ч;

Большая (энергетическая) - свыше 400 т/ч.

Маркировка котлов

Для маркировки котлов установлены следующие индексы:

- вид топлива : К - каменный уголь; Б - бурый уголь; С - сланцы; М - мазут; Г - газ (при сжигании мазута и газа в камерной топке индекс типа топки не указывается); О - отходы, мусор; Д - другие виды топлива;

- тип топки: Т - камерная топка с твердым шлакоудалением; Ж - камерная топка с жидким шлакоудалением; Р - слоевая топка (индекс вида топлива, сжигаемого в слоевой топке, в обозначении не указывается); В - вихревая топка; Ц - циклонная топка; Ф - топка с кипящим слоем; в обозначение котлов с наддувом вводится индекс Н ; при сейсмически стойком исполнении - индекс С .

- способ циркляции: Е - естественная; Пр - многократная принудительная;

Пп - прямоточные котлы.

Цифрами указывается:

- для паровых котлов - паропроизводительность (т/ч), давление перегретого пара (бар), температура перегретого пара (°С);

- для водогрейных - теплопроизводительность (МВт).

Например: Пп1600-255-570 Ж . Прямоточный котел паропроизводи-тельностью 1600 т/ч, давление перегретого пара - 255 бар, температура пара - 570 °С, топка с жидким шлакоудалением.

Компоновка котлов

Под компоновкой котла подра-зумевается взаимное расположение газохо-дов и поверхностей нагрева (рис. 13).

Рис. 13. Схемы компоновки котлов:

а --- П-образная компоновка; б - двухходовая компоновка; в - компоновка с двумя конвективными шахтами (Т-образная); г - компоновка с U-образными конвективными шахтами; д - компоновка с инверторной топкой; е - башенная компоновка

Наиболее распространена П-образная компоновка (рис.13а - одноходовая , 13б - двухходовая ). Преимуществами ее являются подача топлива в нижнюю часть топки и вывод продуктов сгорания из нижней части конвективной шахты. Недостатки этой компоновки — неравномерное заполнение газами топочной камеры и неравномерное омы-вание продуктами сгорания поверхностей на-грева, расположенных в верхней части агре-гата, а также неравномерная концентрация золы по сечению конвективной шахты.

Т-образная компоновка с двумя конвек-тивными шахтами, расположенными по обе стороны топки с подъемным движением газов в топке (рис. 13в), позволяет уменьшить глубину конвективной шахты и высоту гори-зонтального газохода, но наличие двух кон-вективных шахт усложняет отвод газов.

Трехходовая компоновка агрегата с дву-мя конвективными шахтами (рис. 13г) иногда применяется при верхнем распо-ложении дымососов.

Четырехходовая компоновка (Т-образная двухходовая) с двумя вертикальными пе-реходными газоходами, заполненными разря-женными поверхностями нагрева, применяет-ся при работе агрегата на зольном топливе с легкоплавкой золой.

Башенная компоновка (рис. 13е) используется для пиковых парогенераторов, работающих на газе и мазуте в целях ис-пользования самотяги газоходов. При этом возникают затруднения, связанные с креплением конвек-тивных поверхностей нагрева.

U - образная компоновка с инверторной топкой с нисходящим в ней потоком продуктов сгорания и подъемным их движением в конвективной шахте (рис. 13д) обеспечивает хорошее заполнение топки факелом, низкое расположение пароперегревателей и минимальное сопротивление воздушного тракта вследствие малой длины воздуховодов. Недостаток такой компоновки - ухудшенная аэродинамика переходного газохода, обусловленная расположением горелок, дымососов и вентиляторов на большой высоте. Такая компоновка может оказаться целесообразной при работе котла на газе и мазуте.

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:

1. В отопительной системе — пар является энергоносителем.
2. В энергетике — используются промышленные паровые машины (парогенераторы) для получения электроэнергии.
3. 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:

1. Размер труб для воды и пара: у газотрубных котлов трубы — больше, у водотрубных — меньше.
2. 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.
3. 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):

1. 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.
2. Сепаратор пара — удаляет из пара влагу и делает его сухим. Этим увеличивается эффективность работы устройства, его КПД.
3. Паровой аккумулятор — устройство, которое отбирает из системы пар, когда его много, и добавляет его в систему, когда его недостаточно, мало.
4. 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:

1. 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.
2. 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.

Элемент стационарного котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, объединяющий группу труб, называют коллектором.

Элемент котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, для отделения пара от воды, очистки пара и для запаса воды в котле, называют барабаном .

Элемент котла, предназначенный для передачи теплоты к рабочей среде или воздуху, называют поверхностью нагрева .

Поверхность нагрева котла, получающую теплоту в основном излучением, называют радиационной поверхностью нагрева .

Поверхность нагрева котла, получающую теплоту в основном конвекцией, называют конвективной поверхностью нагрева .

Поверхность нагрева стационарного котла, расположенную на стенах топки и газоходов и ограждающую их от воздействия высоких температур, называют экраном .

Группу труб конвективной парообразующей поверхности стационарного котла, соединенных общими коллекторами или барабанами, называют котельным пучком .

Трубу котла, по которой циркулирующая вода поступает в раздающий коллектор подъемных труб или нижний барабан, называют опускной трубой .

Трубу котла, по которой пароводяная смесь отводится из коллектора экрана в барабан или выносной циклон, называют отводящей трубой экрана .

Необогреваемую трубу, по которой рабочая среда перепускается из одного элемента поверхности нагрева в другой, называют перепускной трубой .

Трубу, по которой производится продувка или удаление воды и пара из элементов поверхностей нагрева котла, называют продувочной трубой .

Устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле, называют пароперегревателем.

Устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для подогрева или частичного парообразования воды, поступающей в котел, называют экономайзером.

Устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей в топку котла, называют воздухоподогревателем .

Устройство котла, предназначенное для отделения воды от пара, называют сепарационным устройством.

Устройство для понижения температуры перегретого пара называют пароохладителем.

Несущую металлическую конструкцию, воспринимающую нагрузку от массы котла, с учетом временных и особых нагрузок и обеспечивающую требуемое взаимное расположение элементов котла, называют каркасом .

Устройство котла, предназначенное для сжигания органического топлива, частичного охлаждения продуктов сгорания и выделения золы, называют топкой.

Топку котла, предназначенную для сжигания твердого кускового органического топлива в слое, называют слоевой топкой .

Слоевую топку котла, в которой загрузка топлива и удаление шлака и золы частично механизированы, называют полумеханической топкой.

Слоевую топку котла, в которой загрузка топлива и удаление шлака и золы производятся вручную, называют ручной тропкой .

Слоевую топку котла, в которой загрузка топлива и удаление шлака и золы полностью механизированы, называют механической топкой .

Топку котла, в которой пылевидное, жидкое или газообразное топливо сжигается в факеле, называют камерной топкой .

Камерную топку котла с многократной циркуляцией топливовоздушной смеси, которая достигается специальной формой стен топки, компоновкой горелок и способом подачи топлива и воздуха, называют вихревой топкой .

Камерную топку котла, в которой основная масса топлива сжигается во вращающемся топливно-воздушном потоке, называют циклонной топкой .

Топку котла, в которой часть твердого топлива сжигается в слое, а мелкие фракции и горючие газы – в струе воздуха над слоем, называют факельно-слоевой топкой .

Часть топки котла, в которой происходит воспламенение и горение основной массы топлива, называют камерой горения .

Часть топки котла, в которой происходит догорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания, называют камерой охлаждения .

Местное сужение поперечного сечения топки котла, называют пережимом топки .

Часть топки, в которой происходит подогрев, подсушка топлива, а иногда его воспламенение и горение, называют предтопок .

Нижнюю часть камерной топки котла, предназначенную для отвода твердого шлака, называют холодной воронкой .

Нижнюю часть топки котла, образованную горизонтальными и слабонаклонными поверхностями или экранами, называют подом.

Канал, предназначенный для направления продуктов сгорания топлива и размещения поверхностей нагрева котла, называют газоходом .

Нижнюю часть газохода котла, предназначенную для сбора золы, выпадающей из потока продуктов сгорания топлива, называют золовым бункером .

Бункер для сбора твердого шлака, расположенный под холодной воронкой стационарного котла, называют шлаковым бункером .

Устройство для сбора и удаления расплавленного шлака, расположенное под топкой стационарного котла, называют шлаковой ванной.

Здравствуйте! В зависимости от конструктивных особенностей парообразующих поверхностей нагрева различают газотрубные и водотрубные котельные агрегаты.

Газотрубный котлоагрегат представляет собой цилиндрический барабан, внутри которого параллельно оси размещаются 1-2 трубы диаметром d = 0,6-1 м (жаротрубные котлы) или большое количество труб малого диаметра d = 50-60 мм (котлы с дымогарными трубками). Дымовые газы из топки поступают внутрь труб, которые снаружи омываются кипящей водой. Образующийся водяной пар из верхней части барабана направляется в пароперегреватель или непосредственно потребителю. Эти котлоагрегаты имеют ряд существенных недостатков (большой удельный расход металла, ограниченная производительность, низкие параметры пара), поэтому применяются относительно редко.

Водотрубные котлы представляют собой водотрубные теплообменники с естественной или принудительной циркуляцией. Процесс парообразования в них происходит внутри труб, которые снаружи обогреваются дымовыми газами. Котлы с естественной циркуляцией выполняются главным образом в виде вертикально — водотрубных конструкций.

Особенностью этих установок является наличие одного или нескольких барабанов, к которым присоединяют вертикальные изогнутые трубы, образующие испарительные поверхности нагрева. Эти котлы имеют небольшой расход металла на единицу паропроизводительности и высокие параметры пара. На рис. 1. показан двухбарабанный вертикально — водотрубный котел ДКВР-2,5-13 с камерной топкой для сжигания природного газа.

Паропроизводительность котла 2,5 т/ч, давление пара 1,3 МПа, температура перегретого пара 350 °С.

Котлы этого типа имеют производительность от 2,5 до 35 т/ч, их устанавливают в котельных промышленных предприятий. Котел имеет верхний барабан 1 и нижний барабан 3, которые соединены вертикальными кипятильными трубами 2. В топочной камере 5 расположены два боковых экрана, которые образованы кипятильными трубами 6, соединяющими верхний барабан с нижними боковыми коллекторами 4.

Котельный агрегат высокого давления ПК-19 (паропроизводительность 120 т/ч, давление пара 10 МПа, температура пара 510 °С) предназначен для работы на антрацитовом штыбе и каменных углях (рис. 2.).

Особенность этого типа котлов состоит в том, что они имеют лишь один барабан с выносными циклонами для разделения воды и пара. Стены топки полностью покрыты экранными трубами.

Вода из барабана 1 и из выносных циклонов 2 опускается по трубам, расположенным снаружи обмуровки, в нижние коллекторы экранов. В конвективной шахте котельного агрегата, кроме двух ступеней водяного экономайзера 6, помещаются также две ступени воздухоподогревателя 7. Подаваемый вентилятором воздух проходит между трубами воздухоподогревателя последовательно через первую и вторую ступени, а газы - сверху вниз внутри труб. Подогретый воздух подается к горелкам, расположенным на боковых стенках топочной камеры. Сюда же вместе с первичным воздухом подается пыль из системы пылеприготовления.

Пароперегреватель котельного агрегата помещается в горизонтальном газоходе, соединяющем топку с конвективной шахтой. Пар из барабана котельного агрегата по трубам, идущим под потолочным перекрытием, направляется в пароохладитель 4 пароперегревателя 5, в котором за счет частичной конденсации пара питательной водой осуществляется регулирование температуры перегретого пара. Из пароохладителя пар поступает в змеевиковые трубы перегревателя и затем в выходной коллектор 3.

На рис. 3. представлена схема прямоточного двухкорпусного парогенератора сверхкритического давления марки ТПП-110 для блоков 300 тыс. кВт производительностью 950 т/ч с давлением пара 25 МПа, температурой перегретого пара 585 °С и промежуточным перегревом пара до 570 °С.

Котельный агрегат имеет П-образную компоновку и состоит из двух рядом стоящих корпусов, идентичных по размерам и конфигурации. Они отличаются один от другого только тем, что в одном корпусе размещена большая часть первичного пароперегревателя, а в другом- меньшая его часть и весь вторичный пароперегреватель.

Общая высота котлоагрегата составляет 50 м. Топка этого агрегата состоит из камеры горения 1 с жидким шлакоудалением и с футерованными экранами и из камеры догорания 2 с открытыми вертикальными экранами 3. Выйдя из топки, дымовые газы проходят через пароперегреватель, состоящий из радиационной части 4 и конвективной части 6, и далее через конвективные поверхности нагрева котла (переходную зону 7, водяной экономайзер 8 и воздухоподогреватель 9).

Пар, подлежащий вторичному перегреву, из турбины поступает в радиационную часть 4 вторичного пароперегревателя, расположенного во втором корпусе котлоагрегата, затем направляется в обогреваемый первичным паром теплообменник 5, предназначенный для регулирования температуры пара, далее в конвективную часть пароперегревателя 6 и в турбину. Дополнительное регулирование температуры перегретого пара осуществляется впрыскивающими пароохладителями, а также изменением распределения количества сжигаемого топлива по топкам обоих корпусов.

Крупным парогенератором является котельный агрегат типа ТПП-200 (таганрогский, прямоточный, пылеугольный, модель 200) паропроизводительностью 700 кг/с (2500 т/ч), спроектированный для сжигания пыли АШ или природного газа. Парогенератор предназначен для обеспечения паром турбоагрегата мощностью 800 МВт.

Основные данные технической характеристики котельного агрегата ТПП-200 (рис. 4.) следующие: давление пара 25 МПа, температура первичного перегрева пара 565 °С, вторичного - 570 °С, температура питательной воды 271 °С, расход топлива 75,5 кг/с.

Котлоагрегат выполнен из двух симметричных корпусов. Топочная камера каждого корпуса имеет призматическую форму и разделена по высоте пережимом, образованным трубами фронтового и заднего экранов, на две части: предтопок 1 и камеру охлаждения 3.

В нижней части - предтопке сжигается топливо, в верхней охлаждаются дымовые газы. На фронтовой и задней стенах предтопка в два ряда установлены 24 пылегазовые горелки 2. Объемное тепловое напряжение предтопка 460 кВт/м3, а всей топки - 160 кВт/м3. Все стены пред-топка и камеры охлаждения экранированы. В верхней части камеры охлаждения расположен ширмовой пароперегреватель высокого давления 5.

В каждом корпусе имеются четыре пароводяных потока. По ходу воды включены водяной экономайзер 4, разделительная стенка, подвесная система конвективной шахты и топочные экраны. Последние в свою очередь состоят из последовательно включенных поверхностей: подовых панелей, панелей нижней радиационной части, двухсветных топочных экранов и панелей верхней радиационной части.

Особенность данного парогенератора состоит в газовом регулировании температуры промежуточного перегрева пара с помощью байпасного газохода и последовательно-параллельном включении воздухоподогревателей. Конвективная шахта каждого корпуса в плане разделена на три параллельных газохода. В центральном газоходе (байпасном) расположены два пакета водяного экономайзера, а в боковых газоходах - последовательно по ходу газов конвективный пакет пароперегревателя высокого давления 6 и два пакета пароперегревателя низкого давления (промежуточного перегрева) 7.

В котлоагрегате предусмотрено жидкое шлакоудаление. Предварительная очистка газов от летучей золы производится в батарейных прямоточных циклонах, а окончательная - в электрофильтрах. Каркас котлоагрегата металлический. Обмуровка стен топочной камеры и конвективной шахты облегченная, многослойная.

Конструкция котельного агрегата разработана в блочном исполнении. Это означает, что на монтажную площадку поставляются заводские блоки, количество которых только для поверхностей нагрева составляет 856 штук при максимальной массе одного блока 24,7 т. Исп. литература: 1) Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий. –М.: Энергия, 1978. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.

Котел – одна из составных частей любой системы отопления. Он предназначен для превращения энергии сгорания топлива (в случае газового котла таким топливом является газ) в теплоту для нагрева жидкости, которая подается затем в батареи отопления. Внутреннее устройство современных газовых котлов подчинено решению главной задачи – обеспечить максимальные удобства и безопасность использования при минимизации обязательного контроля со стороны человека.

Прежде чем приступить к детальному описанию основных комплектующих газовых котлов, необходимо уделить некоторое внимание их классификации. Несмотря на то, что все котлы устроены примерно одинаково, каждая разновидность имеет свои специфические особенности, для поддержки которых нужны определенные модификации используемых деталей. Итак, котлы бывают:

• Настенные и напольные . Настенный вариант более компактен и удобен и применяется обычно в частных домах. Преимуществом напольного котла является возможность обогрева значительных площадей за счет гораздо большей мощности. Поэтому такие агрегаты чаще всего устанавливаются в производственных помещениях.
• Атмосферные и турбированные . Принцип работы атмосферного котла такой же, как и у обычной печки: воздух забирается из помещения и отводится в специально построенный дымоход за счет естественной тяги. В турбированных моделях тягу создает встроенный вентилятор, камера сгорания полностью закрыта, а забор воздуха производится с улицы.
• Одноконтурные и двухконтурные . Аппарат с одним контуром предназначен только для обогрева помещений, задача двухконтурного котла – еще и обеспечить жильцов горячей водой.
• С обычной или модулируемой горелкой . Устройство котлов с модулированной горелкой предполагает автоматическую регулировку мощности, за счет чего достигается значительная экономия расхода газа.
• С электронным или пьезокерамическим поджигом. Электронный поджиг более удобен – воспламенение газовых паров в камере сгорания происходит без участия человека, в то время как в системах с пьезорозжигом требуется каждый раз нажимать соответствующую кнопку.

Основные элементы газового котла

Как мы уже отмечали выше, устройство газового котла примерно одинаково для всех вариантов его исполнения. Это означает, что основные узлы, из которых собираются котлы, одни и те же:

• Газовая горелка . Представляет собой перфорированную конструкцию прямоугольной формы. Внутри нее находятся форсунки, через которые в камеру сгорания подается газ. Форсунки обеспечивают равномерное распределение пламени по всей горелке, создавая таким образом условия для наиболее эффективного нагрева теплоносителя внутри газового котла.
• Теплообменник - металлический короб со встроенным радиатором, внутри которого находятся трубы с теплоносителем. За счет энергии сгорающего газа теплообменник нагревается и передает тепло жидкости. Одноконтурный котел всегда имеет один теплообменник, у двухконтурного котла их может быть два – первичный и вторичный.
• Циркуляционный насос . Обеспечивает давление в магистрали газового отопления с принудительной циркуляцией. Присутствует не во всех моделях газовых котлов.
• Расширительный бачок . Служит для временного отвода теплоносителя при его интенсивном нагреве и расширении. Имеет емкость, достаточную для среднестатистических условий . Для отопления больших площадей в систему часто устанавливают дополнительный бак.
• Устройство отвода продуктов горения . У атмосферных котлов выходной патрубок должен подключаться к отдельному дымоходу с естественной тягой, турбированные модели имеют в комплекте двойную коаксиальную трубу для вывода газовых отходов, тягу в которой создает встроенный вентилятор.
• Система автоматики . Это блок управления работой котла, который включает в себя электронную схему, задающую режим функционирования системы в зависимости от показания подключенных и встроенных датчиков.

Конкретная модификация газового котла может привносить в его устройство некоторые особенности. Так, например, для одноконтурного агрегата может применяться внешний бойлер для подогрева сантехнической воды, а устройство двухконтурного газового котла может включать совмещенный теплообменник, в котором приготавливается теплоноситель для обоих контуров.

Теперь рассмотрим основные компоненты газовых котлов более подробно.

Газовая горелка

В зависимости от типа котла горелка может быть атмосферной или наддувной. Котлы с атмосферными горелками дешевле, меньше шумят, но имеют небольшую производительность. Наддувные горелки, в особенности в составе напольного газового котла, могут обеспечить мощность до нескольких тысяч киловатт.

Кроме этого, горелки подразделяются на:

• одноступенчатые;
• двухступенчатые;
• модулированные.

Самыми эффективными являются модулированные горелки. Они позволяют плавно регулировать высоту пламени и степень нагрева теплоносителя в зависимости от температуры в помещении и обеспечивают значительную экономию газового топлива.

Теплообменник

Главным показателем качества теплообменника является материал, из которого он изготовлен.

Самым надежным и долговечным является чугун. Чугунные теплообменники могут работать несколько десятков лет, определяя тем самым большой срок службы всего газового котла. Этот материал хорошо держит тепло, поэтому он отлично подходит для двухконтурного варианта системы отопления. К недостаткам чугуна можно отнести его хрупкость и большой вес.

Стальные теплообменники не трескаются и не ломаются от неожиданных ударов или резких перепадов температур. Но они гораздо быстрее прогорают и подвержены коррозии. В дорогих моделях газовых котлов применяются теплообменники из специальных сортов стали, которые по своей долговечности сравнимы с чугунными. Часто для продления срока службы стальные теплообменники изнутри покрывают слоем меди, а снаружи – специальной термостойкой краской.

Циркуляционный насос и гидравлическая группа

Параметры насоса обычно подбираются производителем, исходя из мощности котла. Поэтому большого влияния на качество изделия в целом насос не оказывается. Стоит обратить внимание на материал труб, по которым внутри газового котла проходит теплоноситель и вода (в случае двухконтурного агрегата). Лучше всего, если они сделаны из меди или качественного пластика. Можно также поинтересоваться производителем насоса – хорошо, если это известная фирма, такая как Grundfos, Джилекс, Vortex и другие.

Расширительный бачок

Это важная составная часть газовых котлов. Система отопления должна иметь расширительную емкость, куда отводится излишек теплоносителя при его нагревании. Размер этой емкости рассчитывается по специальным методикам, грубо его можно оценить, как 10% от объема всей жидкости в системе. Поэтому при выборе котла желательно знать протяженность магистрали отопления и требуемый объем бачка.

Важно отметить, что объем расширительного бака рассчитывается только по количеству теплоносителя для системы отопления. Поэтому как для одноконтурного, так и для двухконтурного котла требуется одинаковый объем расширительного бачка.

Системы автоматики

Встроенная автоматика управляет работой котла во всех его режимах и включает в себя:

Знание принципов устройства газового котла сделает процесс его выбора более простым и понятным и поможет сэкономить средства как при покупке теплового агрегата, так и при его эксплуатации.