Эти котлы эффективны и быстро нагреваются, поскольку камера сгорания формируется непосредственно из внутренних поверхностей профилей.
Паровые котлы: устройство и классификации
Несмотря на стремительное развитие технологий, в производственных процессах многих отраслей промышленности с водяным паром невозможно эффективно бороться никакими другими способами передачи тепла. Поэтому при планировании и вводе в эксплуатацию новых заводов инженеры сталкиваются с проблемой выбора подходящего котельного оборудования. В этом обзоре мы хотели бы проанализировать основные классификации паровых котлов и соотнести их с моделями, представленными в ассортименте продукции ICI Caldaieu, чтобы предоставить информацию тем, кто участвует в процессе выбора.
Устройство парового котла: как менялась конструкция
Принцип работы парового котла остается неизменным с момента его изобретения: Тот или иной источник тепла нагревает воду, заключенную в большой или малый металлический сосуд, до температуры кипения и испарения. Продукты испарения скапливаются в верхней части емкости, достигают необходимого давления и температуры и затем передаются по паропроводу потребителям или в пароперегреватель для достижения более высоких рабочих параметров. Эффективность производства пара определяется полным использованием тепла, выделяемого источником. Развитие технологии в этом направлении можно проследить по развитию конструкции паровых котлов.
Цилиндрический жаротрубный котел с внешней камерой сгорания
Первые парогенераторы были похожи на котлы для приготовления пищи. Дровяной или угольный дымоход располагался снаружи и нагревал расположенный внизу резервуар с водой. При такой схеме большая часть тепла использовалась для обогрева окружающей территории, что привело к крайне низкому КПД ранних паровых котлов.
Паровые котлы с жаровыми трубами
Логичным решением было разместить камеру сгорания внутри водогрейного котла. В сочетании с изоляцией внешней оболочки бака можно значительно повысить эффективность, чтобы тепло использовалось в основном для нагрева воды.
Поскольку высокую температуру имело не только открытое пламя в топке, но и дымовые газы, образующиеся при сгорании, следующей задачей при усовершенствовании конструкции парового котла было сохранение тепла дымовых газов в водяной рубашке. Проблема была решена путем установки выхлопных труб малого диаметра. Газы проходили через эти трубы, прежде чем выводились через дымоход, тем самым ускоряя нагрев и испарение воды.
В принципиально ином направлении развивалась конструкция водонапорных труб с паровым двигателем, которые часто используются в качестве силовых установок при производстве электроэнергии, на железных дорогах и в судоходстве. В водотрубном котле источники тепла — топка и газовые трубы — расположены не в объеме воды, а наоборот: объем воды, распределенный в трубах малого диаметра, расположен в газовых трубах, по которым протекают продукты сгорания.
Эта высокоэффективная конструкция позволяет вырабатывать пар при критическом давлении, которое является слишком высоким для технологических процессов в большинстве отраслей промышленности. Принципиальные различия между водотрубными и жаротрубными котлами составляют основу большинства классификаций котлов.
Классификации паровых котлов
Классификация по назначению
В этой классификации различные типы паровых котлов не отнесены к конкретным отраслям промышленности, а являются продолжением соответствующих областей применения. Соответственно, паровые котлы делятся на энергетические, промышленные (технологические) и отопительные (энергетические).
Энергетические котлы используются на электростанциях для передачи вращения турбинам, вырабатывающим электроэнергию. Пар, производимый этими установками, характеризуется высоким и очень высоким давлением.
Промышленные или технологические паровые котлы производят насыщенный пар для технологических нужд. Давление пара редко превышает 3 МПа (30 бар). В общей классификации котлов по давлению, данная категория приборов относится к котлам низкого и сверхнизкого давления. Если рассматривать технологические паровые котлы как отдельный сегмент, то разделение на котлы низкого и высокого давления связано с предписаниями Ростехнадзора по контролю за сосудами, работающими под давлением. Подробнее об этом читайте в статье «Котлы высокого и низкого давления для производства».
Отопительные или энергетические технологические котлы находятся на стыке между промышленными и энергетическими технологическими котлами. В России они широко используются на промышленных предприятиях в связи с обширным строительством городов и жилых районов. Энергетические технологические котлы одновременно производили пар для промышленных нужд и для отопления общественного сектора. Сегодня в рамках программ энергоэффективности и реконструкции большие паровые котлы заменяются более мелкими, а для обеспечения теплом жилых районов строятся более экономичные водогрейные котлы.
Опыт ICI Caldaie заключается в производстве экономичных жаротрубных котлов с системами однократной и обратной топки, отвечающих высоким требованиям эксплуатационной и экологической безопасности.
Классификация паровых котлов по давлению
Классификация всех типов паровых котлов по горизонтальному давлению выглядит следующим образом. Сектор высокого давления (энергетика) включает в себя котлы высокого давления, критические и сверхкритические котлы. Диапазон составляет от 3,9 МПа до 22,5 МПа (39-225 бар). Сектор низкого давления (промышленность) включает котлы низкого (до 0,1 МПа), низкого (0,1-1 МПа) и среднего давления (1-39 МПа). Котлы сверхнизкого давления не подлежат регистрации в региональном органе Ростехнадзора.
В модельном ряду ICI Caldaie диапазон сверхнизкого давления представлен сериями:
Схема и принцип работы парового котла
Давайте рассмотрим, на чем основана работа современных паровых котлов. Топливо сжигается в печи при высокой температуре около 1800° C, при этом образуются газы.
В конвекционном дымоходе газы охлаждаются до 800° C, а тепло поглощается специальными топочными экранами. После прохождения через дымоход газы охлаждаются до 100° C и отводятся из дымохода.
Другими словами, принцип работы парового котла основан на образовании тепла за счет сгорания топлива и передачи его воде-теплоносителю.
Затем вода нагревается до температуры кипения с образованием пара и далее нагревается для использования в технологических процессах или для отопления помещений.
Твердотопливные котлы предназначены для производства горячей воды для систем отопления. Узнать, что такое газовые водогрейные котлы и где они используются, можно здесь.
В зависимости от конструкции паровые котлы бывают:
В газовых котлах продукты сгорания топлива движутся по трубам малого диаметра, нагревая теплоноситель, окружающий эти трубы.
В водотрубных котлах теплоноситель движется в кипящих трубах, нагреваемых продуктами сгорания топлива.
Эти котлы более сложные, но гарантируют более высокую эффективность и производство пара.
Водотрубные котлы можно разделить на:
В соответствии с принципом потока охлаждающей жидкости:
Циркуляция воды в паровом котле
Конструкция котла обязательно включает в себя контур, через который проходит вода и пароводяная смесь. Это обеспечивает постоянное пропаривание и нагрев теплоносителя (воды). В паровых котлах используются следующие водяные контуры:
| Принципиальная схема | Описание |
| Природный | Постоянный поток теплоносителя достигается за счет разницы в плотности теплоносителя в нагретой и ненагретой частях контура. |
| Многократная принудительная циркуляция | В котлах с принудительной циркуляцией циркуляционный насос встроен в водяной контур. Насос обеспечивает непрерывную циркуляцию теплоносителя. |
| Прямой поток | В прямоточном котле нет корпуса котла; вода для отопления подается насосом в систему труб котла. |
Паровые котлы с естественной циркуляцией
В паровых котлах с естественной циркуляцией контур состоит из нагретых и ненагретых труб.
Неотапливаемые трубы расположены снаружи камеры сгорания. В верхней части трубы соединяются с корпусом котла, поэтому эти контуры также называют «контурами барабана». В нижней части трубы соединяются с коллектором.
Нагретая и ненагретая части контура разделены изолирующим слоем. Нагретая пароводяная смесь с меньшей плотностью поступает в барабан, где закипает, а более холодная вода с большей плотностью стекает вниз.
Такое распределение поддерживает естественную циркуляцию воды и пароводяной смеси в системе в любое время.
Нагретые трубы, в которых вода движется вверх, называются стояками, а ненагретые — водосточными трубами. Для обеспечения надежной работы котла с естественной циркуляцией требуется постоянная разница в плотности воды и пара.
Допустимый перепад давления не должен превышать 18 МПа — это критическое давление для котлов с естественной циркуляцией. При серийном производстве рабочее давление обычно ограничивается 13,5 МПа.
Современные котлы оснащены автоматическими системами управления различной сложности, которые призваны обеспечить безопасную эксплуатацию котла без постоянного присутствия людей. Подробнее о марках водогрейных котлов читайте здесь.
