ПАРОВОЙ КОТЁЛ • Большая российская энциклопедия – электронная версия

Основные виды

Классифицируют паровые котлы по виду используемого топлива, назначению, конструкции топки.

По типу топлива:

• газовый паровой котел;
• на твердом топливе (уголь, кокс, дрова);
• электрический паровой котел;
• жидкотопливный.

По конструкции можно выделить газотрубные и водотрубные агрегаты.

По назначению:

• бытовые используют в горячем водоснабжении, отопительных системах;
• промышленный паровой котел применяется для работы производства;
• утилизационные способны на вторичную переработку тепла — с помощью экономайзера паровой котел может повысить производительность до 95% (в этом случае предварительный нагрев воды происходит за счет отходящих из топки газов);
• энергетические используются для генерации электроэнергии.

Некоторое парогенерирующее оборудование может иметь несколько вариантов исполнения, в зависимости от которых будет отличаться тип используемого топлива или назначение, например, паровые котлы на газе. Существуют универсальные модели. Например, паровой котел ДКВР может работать на газе, угле, растительном топливе.

Различают также два вида агрегатов, которые отличаются устройством топочной емкости: камерные для пылевидного топлива и слоевые (котлы на твердом топливе).

Что это такое

Паровые котлы — комплексы, перерабатывающие питательную воду в пар, который применяется в системе отопления для дома. Перегретый пар получают и используют исключительно в промышленных целях на металлургических, нефтехимических, строительных и других производствах.

Перегретый пар является лучшим переносчиком тепла, его использование повышает КПД тепловых установок.

Варочные котлы с паровой рубашкой предназначены для варки продуктов. Они представляют собой две емкости, одна из которых помещена в другую. Конструкция способствует равномерному нагреванию котла, в котором находится пища. Процесс приготовления становится не таким трудоемким и затратным по времени, а главное преимущество — такой способ приготовления пищи полностью исключает пригорание. Широко применяется на пищевых предприятиях.

В аппаратах, отличающихся по конструкции, может вырабатываться пар различного давления:

• низкого — до 1,0 Мпа;
• среднего — 1,0-10,0 Мпа;
• более 14,0 Мпа — высокого давления;
• сверхвысокого — 18,0-20,0 Мпа;
• сверхкритического — выше 22,5 Мпа.

По соображениям безопасности в быту могут применяться только аппараты низкого, реже среднего давления.

Основные узлы

Горелка. Прямоугольная конструкция оборудована форсунками. Через них газ попадает в горелку и распределяется. Так поверхность радиатора равномерно прогревается по всей поверхности.

Существует две разновидности горелки:

• Атмосферная. Устанавливается возле дымохода. Принцип работы прост: воздух для поддержания пламени забирается из помещения. В этом случае обязательно наличие окна и нормальной вентиляции. Преимущество атмосферного типа — независимость от электроэнергии. Чаще встречается в моделях напольного типа.

• Турбированная. Работа такого котла не зависит от наличия тяги в дымоходе и вентиляции, так как встроенный вентилятор принудительно выводит продукты сгорания через коаксиальный дымоход. Вывод может быть сделан в стене. Встречается в котлах настенного размещения. Основной недостаток – энергозависимость.

Теплообменник представляет собой короб, внутри которого расположены трубки. По ним циркулирует вода. Узел может состоять из разных сплавов, что сказывается на сроке его эксплуатации. Двухконтурный прибор оснащен двумя радиаторами, одноконтурный — одним. Разновидности:

• Стальной. Самый простой и дешевый вариант. Материал устойчив к перепадам температур, однако обладает низкой теплопроводностью и недолговечностью.

• Медный. Это стойкий к коррозии и перепадам температур сплав. Медь в семь раз лучше стали проводит тепло, поэтому радиатор обходится дороже. Имеет ограниченную температуру нагрева.

• Чугунный. Устойчив к коррозии и высоким температурам. Хорошо проводит тепло, но обладает большим весом. Поэтому чаще используется для напольных котлов в виде разборной конструкции.

Циркуляционный насос создает давление в системе для постоянной циркуляции воды. Не во всех моделях есть насос. Но если вы выбираете технику для газового отопления, он должен присутствовать в конструкции.

Расширительный бак. При нагреве теплоноситель расширяется, поэтому бак принимает его излишки во избежание аварийной ситуации.

Дымоотвод. В атмосферных моделях труба соединяется с патрубком корпуса и выводится к дымоходу. В турбированных типах котлов создается коаксиальный дымоотвод, другой конец которого присоединяется к отверстию в стене.

Электроника и модуль управления включает датчики, проводки, схемы: все, что позволяет устройству стабильно функционировать.

Автоматика безопасности. Это сенсоры, которые защищают прибор от таких неполадок:

• отсутствие тяги;
• перегрев;
• отсутствие пламени в горелке.

Если система дает сбой, датчики посылают сигнал модулю управления и работа изделия прекращается.

В каких сферах применяются

Сферы применения паровых котлов могут быть самыми разнообразными:

1. В быту для обустройства отопления используются котлы низкого давления, которые образуют насыщенный неперегретый пар. Для нужд ЖКХ применяются парогенераторы низкого и среднего давления. Пар поступает в тепловые сети. Промышленные водогрейные и паровые котлы позволяют получить горячую воду, поступающую в трубы водоснабжения.
2. На различных предприятиях и заводах с помощью перегретого пара обеспечивается движение оборудования.
3. Выработка электроэнергии при помощи вращающегося вала (под действием перегретого пара). Этот способ получения электричества используется в турбинах тепло-электростанций.
4. Паровые варочные котлы широко применяются в пищевой промышленности. Благодаря равномерному распределению горячей воды, превращающейся в пар, емкость для приготовления еды равномерно прогревается, что позволяет одновременно готовить большие объемы продукта.

От сферы применения размер парового котла будет значительно отличаться. Для котельных в частных домах применяются компактные установки 2-3 кв.м. В промышленности парогенераторы могут занимать целые комнаты.

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.

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.

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.

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..

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

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

Обозначения на схеме:

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

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

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.

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.

Как это работает

Принцип работы парогенератора основан на превращении воды из жидкого состояния в парообразное путем нагревания. Котел для парового отопления может функционировать от разных источников энергии, например солнечный свет, тепло от горения газов или твердых материалов, геотермальные источники.

Перед поступлением в прибор вода сначала проходит стадию очистки, затем насосом перекачивается в рабочую емкость. Жидкость поступает в котел до тех пор, пока не сработает датчик уровня воды. При испарении он вновь опускается до нижнего рабочего, и резервуар снова наполняется. Так насос может функционировать в циклическом режиме, реагируя на показания датчиков.

Если по какой-то причине датчики не сработали или источник воды отключился, то при испарении всей жидкости возможно повышения давления в приборе до критических значений. При поднятии воды выше верхнего аварийного уровня произойдет заброс пара вместе с водой в паропровод, который повлечет за собой разрушающий гидравлический удар. Чтобы избежать опасных ситуаций, на парогенераторах устанавливаются предохранительные клапаны.

В паровых котлах с естественной циркуляцией пар поднимается по тепловым трубкам. Это происходит благодаря разному удельному весу между ним и водой. Новая порция жидкости наполняет резервуар и не дает испарившейся конденсироваться.

В резервуаре вода перетекает в коллектор, идет вверх, проходя зону нагрева. На этом этапе образуется пар, перемешанный с водой, который из-за разницы давлений идет вверх к сепаратору, где отделяется от жидкости. Отсюда он идет в паропровод и поступает к потребителю.

Конструкция паровых котлов

Осн. кон­ст­рук­тив­ные эле­мен­ты П. к.: то­поч­ная ка­ме­ра (топ­ка), где сжи­га­ет­ся то­п­ли­во и об­ра­зу­ют­ся ды­мо­вые га­зы (про­дук­ты сго­ра­ния), а так­же час­тич­ное их ох­ла­ж­де­ние за счёт на­гре­ва эк­ран­ных труб; га­зо­хо­ды с вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ны­ми га­за­ми; по­верх­но­сти на­гре­ва из труб (то­поч­ные на­стен­ные эк­ра­ны, па­ро­пе­регре­ва­тель­, во­дя­ной эко­но­май­зер, воз­ду­хо­по­дог­ре­ва­тель); об­му­ров­ка, от­де­ляю­щая по­то­ки вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных га­зов от ок­ру­жаю­щей сре­ды и сни­жаю­щая те­п­ло­вые по­те­ри от на­руж­но­го ох­ла­ж­де­ния; ме­тал­лич. кар­кас, вос­при­ни­маю­щий на­груз­ку от всех эле­мен­тов П. к. Вы­со­та П. к. дос­ти­га­ет 100 м.

П. к. вме­сте с со­во­куп­но­стью обо­ру­до­ва­ния, обес­пе­чи­ваю­ще­го его ра­бо­ту, на­зы­ва­ет­ся ко­тель­ной ус­та­нов­кой. В её со­став, кро­ме са­мо­го П. к., вхо­дят: обо­ру­до­ва­ние то­п­ли­во­при­го­тов­ле­ния; тя­го­дуть­е­вая ус­та­нов­ка; уст­рой­ст­ва уда­ле­ния шла­ка из П. к. и зо­ло­улав­ли­ва­ния в га­зо­вом трак­те; пи­тат. на­со­сы, ре­гу­ли­рую­щие уст­рой­ст­ва во­до­па­ро­во­го трак­та, сис­те­мы управ­ле­ния и за­щи­ты П. к.; изо­ля­ция кол­лек­то­ров, труб и др. эле­мен­тов ко­тель­ной ус­та­нов­ки (за пре­де­ла­ми стен кот­ла) с вы­со­кой темп-рой. Пи­тат. во­да про­хо­дит хи­мич. и тер­мич. очи­ст­ку в сис­те­ме во­до­под­го­тов­ки, где уда­ля­ет­ся осн. мас­са при­ме­сей. Ос­тав­шее­ся ко­ли­че­ст­во при­ме­си (10^–6 г/дм³ во­ды) и про­дук­ты кор­ро­зии ме­тал­ла по­сту­па­ют в П. к., где об­ра­зу­ют твёр­дые от­ло­же­ния внут­ри эк­ран­ных труб, что мо­жет при­вес­ти к ава­рии П. к. (напр., к рез­ко­му рос­ту темп-ры стен­ки тру­бы вплоть до её раз­ры­ва). Часть при­ме­си уно­сит­ся па­ром даль­ше по трак­ту (напр., в па­ро­вую тур­би­ну).

В ба­ра­бан­ном П. к. (рис. 1) об­ра­зо­ва­ние на­сы­щен­но­го па­ра про­ис­хо­дит в кон­ту­ре ес­теств. или при­ну­дит. цир­ку­ля­ции (ба­ра­бан – опу­ск­ные тру­бы – обог­ре­вае­мые подъ­ём­ные тру­бы – ба­ра­бан). По­лу­чен­ный на­сы­щен­ный пар от­де­ля­ет­ся от во­ды в верх­нем ба­ра­ба­не-се­па­ра­то­ре и на­прав­ля­ет­ся в па­ро­пе­ре­гре­ва­тель, в ко­то­ром об­ра­зу­ет­ся пе­ре­гре­тый пар. Пи­тат. во­да в ба­ра­бан по­сту­па­ет из эко­но­май­зе­ра, по­дог­ре­тая до темп-ры, близ­кой к темп-ре ки­пе­ния. Воз­ду­хо­по­до­гре­ва­тель обес­пе­чи­ва­ет на­грев воз­ду­ха до 250–350 °C пе­ред по­сту­п­ле­ни­ем его в зо­ну го­ре­ния. В кон­ту­ре цир­ку­ля­ции за счёт не­пре­рыв­но­го ис­па­ре­ния во­ды про­ис­хо­дит по­вы­ше­ние кон­цен­тра­ции при­ме­сей, что спо­соб­ст­ву­ет об­ра­зо­ва­нию внут­ри­труб­ных от­ло­же­ний. Со­ле­вой ба­ланс кот­ла обес­пе­чи­ва­ет­ся пу­тём вы­во­да не­боль­шой час­ти кот­ло­вой во­ды с вы­со­кой кон­цен­тра­ци­ей при­ме­сей из ба­ра­ба­на (про­дув­ка кот­ла).

В пря­мо­точ­ном П. к. на­грев и ис­па­ре­ние во­ды осу­ще­ст­в­ля­ют­ся в то­поч­ных эк­ра­нах за один про­ход ра­бо­чей сре­ды по трак­ту. Дви­же­ние сре­ды в труб­ных па­не­лях обес­пе­чи­ва­ет­ся дав­ле­ни­ем пи­тат. на­со­са (с бо­лее вы­со­ки­ми ско­ро­стя­ми, чем при ес­теств. цир­ку­ля­ции). В свя­зи с этим на­стен­ные труб­ные па­не­ли рас­по­ла­га­ют разл. об­ра­зом (вер­ти­каль­но, го­ри­зон­таль­но, на­клон­но) с по­зи­ции удоб­ст­ва кон­ст­рук­тив­но­го вы­пол­не­ния, обес­пе­че­ния на­дёж­но­го тем­пе­ра­тур­но­го ре­жи­ма труб и умень­ше­ния гид­рав­лич. со­про­тив­ле­ния. При­ме­си, со­дер­жа­щие­ся в по­сту­паю­щей в П. к. во­де, не мо­гут быть вы­ве­де­ны про­дув­кой, по­это­му пи­тат. во­да та­ко­го П. к. про­хо­дит глу­бо­кое обес­со­ли­ва­ние.

Пер­вые отеч. пря­мо­точ­ные кот­лы со­зда­ны Л. К. Рам­зи­ным в 1933. С 1960-х гг. пря­мо­точ­ные П. к. для энер­го­бло­ков мощ­но­стью 300, 500, 800 МВт и боль­ше про­из­во­дят­ся на сверх­кри­тич. дав­ле­нии пара (25 МПа) и обес­пе­чи­вают зна­чит. часть вы­ра­бот­ки элек­тро­энер­гии на ТЭС. Для по­вы­ше­ния эко­но­мич­но­сти па­ро­си­ло­вой ус­та­нов­ки в П. к. при­ме­ня­ют вто­рич­ный (про­ме­жу­точ­ный) пе­ре­грев па­ра. Под­дер­жа­ние за­дан­ной темп-ры па­ра ос­нов­но­го и вто­рич­но­го пе­ре­гре­ва обес­пе­чи­ва­ют ре­гу­ли­рую­щие уст­рой­ст­ва – по­верх­но­ст­ные и впры­ски­ваю­щие па­ро­ох­ла­ди­те­ли.

Сжи­га­ние то­п­ли­ва в то­поч­ной ка­ме­ре бы­ва­ет слое­вое (на спец. ко­лос­ни­ко­вой ре­шёт­ке), фа­кель­ное во взве­шен­ном со­стоя­нии в объ­ё­ме топ­ки или в ки­пя­щем слое. Слое­вое сжи­га­ние ис­поль­зу­ет­ся в ма­лых по про­из­во­ди­тель­но­сти кот­лах пром. и тех­но­ло­гич. при­ме­не­ния. Со 2-й пол. 20 в. раз­ра­бо­тан и при­ме­ня­ется спо­соб сжи­га­ния в ки­пя­щем слое для низ­ко­ка­че­ст­вен­ных твёр­дых то­п­лив (уголь, торф и др.) и от­хо­дов про­из-ва (опил­ки, ще­па и др.). В топ­ках с ки­пя­щим сло­ем умень­ша­ет­ся вы­брос ок­си­дов се­ры (в 8–10 раз) и ок­си­дов азо­та (в 2–3 раза). Кот­лы с цир­ку­ли­рую­щим ки­пя­щим сло­ем про­из­во­дят­ся в раз­ных стра­нах в ши­ро­ком диа­па­зо­не па­ро­про­из­во­ди­тель­но­сти – до 1000 т/ч. По­дав­ляю­щее чис­ло ра­бо­таю­щих П. к. ис­поль­зу­ют фа­кель­ное сжи­га­ние то­п­лив, при ко­то­ром то­п­ли­во и воз­дух для го­ре­ния вво­дят­ся в объ­ём то­поч­ной ка­ме­ры че­рез го­рел­ки. С его вво­дом уве­ли­чи­лась те­п­ло­вая мощ­ность П. к.; мощ­ные энер­го­бло­ки (500–1420 МВт) име­ют фа­кель­ное сжи­га­ние то­п­лив. На рис. 2 по­ка­зан пря­мо­точ­ный П. к. с фа­кель­ным сжи­га­ни­ем при­род­но­го га­за и ма­зу­та на сверх­кри­тич. дав­ле­ние, па­ро­про­из­во­ди­тель­но­стью 3950 т/ч для энер­го­бло­ка 1200 МВт. С кон. 20 в. раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся и стро­ят­ся П. к. на сверх­кри­тич. дав­ле­ние па­ра (28–35 МПа, темп-ра 600–650 °C).

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.

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.

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.

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.

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.

Правила эксплуатации

Эксплуатация агрегатов регламентируется специальными нормативными документами. Парогенераторы, а также котлы высокого давления являются источниками повышенной опасности на предприятии, поэтому установка, ввод в эксплуатацию и дальнейшее использование должны проходить строго в соответствии с инструкцией и утвержденными правилами использования подобных агрегатов.

Безопасная работа установки начинается с соответствующей системы водоподготовки. Важно очистить поступающую жидкость от минеральных солей и других примесей, которые в процессе нагревания могут отложиться на стенках аппарата, образовав накипь.

Образование накипи нарушает процесс теплопередачи от источника энергии к жидкости, которая перестанет охлаждать трубы. Из-за чрезмерного нагрева в трубах появляются дыры, разрывы, что приводит к уменьшению давления и взрыву установки.

Поэтому очистка воды прописана и утверждена ответственными сотрудниками в соответствующем документе. На прибор обязательно устанавливают водоуказательные стекла паровых котлов или предусматривают другие способы отслеживания уровня жидкости в приборе.

Инструкция по безопасной эксплуатации включает следующие сведения:

• перечень ответственных лиц;
• список использованных при ее составлении документов;
• список всех узлов парогенерирующего оборудования, технические данные;
• порядок подготовки оборудования к работе, пуска прибора, эксплуатации;
• описание всех автоматических систем контроля;
• ошибки при включении, случаи, когда не допускается ввод в эксплуатацию оборудования;
• схема водоподготовки, отбора проб (воды, пара, конденсата).

При эксплуатации паровых котлов малого давления в частном доме следует строго соблюдать все меры предосторожности, прописанные в инструкции к установке.

Современные парогенераторы, особенно большого давления, оснащены автоматическими системами управления. Без такой функции они просто не допускаются к установке на заводе или электростанции. Автоматически можно управлять системой розжига, отключать контроль горения, регулировать расход топлива, воды, воздуха.

Разновидности и классификация

Как должен работать котел? Это зависит от его разновидности.

По способу установки техника делится на два типа:

• Настенные. Небольшие приборы малой и средней мощности. Часто устанавливаются в квартирах и домах с небольшой площадью. Размещение на стене экономит свободное пространство.
• Напольные. Габаритные конструкции, для размещения которых понадобится много места. Зато они способны одновременно отапливать и обеспечивать ГВС большие площади.

По строению дымоотвода, типу отвода продуктов сгорания:

• атмосферные;
• турбированные.

Режимы их работы мы описывали выше.

По функциональности:

• Одноконтурные. Обеспечивают оптимальную работу на отопление.
• Двухконтурные. Оснащены двумя радиаторами, поэтому могут обеспечивать систему отопления и наполнять краны горячей водой.

Разновидности горелки:

• Модулируемая. Плавная автоматическая регулировка силы пламени.
• Обычная. Без какой-либо регулировки.

По типу поджига:

• Пьезорозжиг. Запуск проводится путем нажатия кнопки и деформации пьезоэлемента. Преимущества розжига в энергонезависимости. Недостатки: постоянный ручной запуск, большой расход топлива.
• Электронный. Срабатывает встроенный трансформатор, который управляется автоматикой.

По принципу работы:

• Конвекционные. Обычная схема, по которой тепло при сгорании переходит к теплоносителю (воде).
• Конденсационные. Кроме обычного нагрева устройство использует тепло водяного пара. Конденсат скапливается в дополнительном теплообменнике. Поэтому модели Аристон Class Premium Evo обладают высоким КПД.

Обычные котлы энергозависимы, но встречаются устройства, которые работают по другому принципу. Они устанавливаются в помещениях с наличием дымохода и обладают открытой камерой сгорания. Зажигание происходит при помощи пьезоэлемента. Некоторые из них (например, «Конорд») имеют чугунный радиатор.

Техника может работать на природном и сжиженном газе, а крепится на стену или устанавливается на пол. Существует вариант парапетной установки — газовый котел крепится на внешней стене, обладает закрытой камерой сгорания и подключается к коаксиальной трубе.

Рассмотрев устройство и особенности водонагревательной техники, вы сможете выбрать оптимальный вариант для своего жилища. Видео поможет вам лучше разобраться в теме:

Схема обвязки парового котла

Схема обвязки парового котла должна включать в себя агрегат, дополнительное оборудование, требуемое для безопасной работы.

Самая распространенная схема для системы центрального отопления в ЖКХ представлена следующим оборудованием:

• парогенератор;
• насос подачи воды в котел;
• деаэратор;
• насос подачи воды из деаэратора в ресивер;
• ресивер;
• умягчитель по схеме химической очистки;
• дозатор;
• бак реагентов;
• регуляторы давления.

Кроме перечисленных узлов, конструкция агрегата может включать дополнительное оборудование:

1. Пароперегреватель используется для повышения температуры газообразного вещества до 100 °С и выше. Дополнительное нагревание пара происходит в трубах, куда он поступает. Парогенераторы могут быть конвекционными и радиационными (мощность в 2-3 раза выше, чем у конвекционных). Перегретый пар используют в промышленности, например, в атомной энергетике.
2. Сепаратор пара для удаления из него лишней воды. Это существенно повышает КПД работы прибора.
3. Аккумулятор водяного пара — специальное оборудование, отбирающее пар из системы при избытке, а при недостатке — добавляющее.

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.

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

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

На суше тоже требуются компактные котлы – содержание производственных площадей стоит недешево. Но на гражданке стоимость, конструктивная простота и удобство обслуживания техники нередко превалируют над техническим совершенством. Поэтому сухопутные компактные котлы часто делаются по принципу: не только вывернуть наизнанку, но и перегнуть пополам. Конкретно: обернуть ход топочных газов.

От этого немного ухудшаются качественные показатели котла, но места под него нужно почти вдвое меньше, чем для такой же мощности паровозного, и обслуживать котел много удобнее, т.к. корень дымохода, зев топки и зольник (если котел твердотопливный) находятся в одном помещении.

Оборотным проще сделать газотрубный котел. Горизонтальный полноразмерный (слева на рис.) в таком исполнении оказывается почти таким же эффективным, долговечным и безопасным, как водотрубный: практически все выделяющееся в топке тепло идет на подогрев воды, а газовые трубы изнутри греются меньше, т.к. топочные газы входят в них уже порядком остывшими.

Котел с укороченным парообразователем (в центре; такие котлы иногда неправильно называют вертикальными) предельно компактен, но неэкономичен. Довести его показатели до приемлемых позволяют щитки в жаровой камере, хорошо отражающие тепловое (инфракрасное, ИК) излучение.