Паровой котел: теория, правила эксплуатации, конструкция и типы, применение

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.

Современные промышленный и бытовой паровые котлы

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.

Паровой котел И. И. Ползунова

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.

Первые паровозы Тревитика, Стефенсона и Черепановых

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.

Зависимость параметров насыщенного водяного пара от температуры

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.:

Обобщенная схема устройства парового котла

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

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

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

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

Конструкции паровых котлов

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

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

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

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

Прямоток или циркуляция

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

Принципиальные схемы устройства прямоточного и циркуляционного паровых котлов

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.

Принцип действия автоматики барабанного парового котла

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.:

Устройство горизонтального газотрубного (паровозного) парового котла

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):

Устройство водотрубных барабанных паровых котлов

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

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

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

Устройство паровых котлов с оборотом топочных газов

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.

Конструкция современного радиационного парового котла с тепловым отражателем внутри

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

Устройство парового котла с топкой на встречных факелах

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.

Устройство современного змеевикового парового котла

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.:

Устройство и схема включения парового котла с вихревой горелкой

Обозначения на схеме:

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

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

Эксплуатация паровых котлов

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

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

рекомендуем:

Твердотопливный котел Пиролизный котел Печь Бубафоня / котел Stropuva

(Пока оценок нет)

Загрузка...

Ниже Вы можете поделиться своими мыслями и результатами с нашими читателями и постоянными посетителями.

Также можно задать вопросы автору*, он постарается на них ответить.