В чем заключается принцип работы паровых котлов

Паровой котел – одна из наиболее популярных и широко используемых разновидностей отопительных агрегатов. Главной конструктивной частью рассматриваемого агрегата является топочное отделение. В нем происходит сгорание загруженного топлива с интенсивным выделением тепловой энергией. Образовывающееся тепло используется для нагрева воды с дальнейшим выделением пара. Пар применяется для различных промышленных и бытовых нужд, в частности – отопления дома. При этом с изготовлением простейшего котла вы легко справитесь своими руками.

Паровой котел своими руками

Особенности конструкции

В основе конструкции рассматриваемого котла лежит своего рода барабан. В этот элемент оборудования посредством системы насосов и труб подается предварительно подготовленная вода. В нижнем отсеке котла размещены опускные трубы. Эти элементы имеют разный диаметр и не нагреваются в процессе работы котла. По системе труб жидкость из барабана переходит в коллекторы. Последние чаще всего размещаются внизу котла.

Коллектор сопрягается с барабаном при помощи подъемного трубопровода. За счет трубопровода в месте сгорания загруженного топлива создаются поверхности нагревания.

К парогенератору подключается система трубопроводов, работающая по механизму сообщающихся сосудов. В горячих трубах циркулирует смесь жидкой воды и водяного пара. Данная смесь имеет довольно низкую плотность, что позволяет ей беспрепятственно поступать в сепараторное отделение, где происходит разделение пара и воды. Жидкая составляющая направляется в барабан парового котла.

Пар переходит в паропровод, а затем – в специальные нагреватели, где происходит повышение давления, а также температуры пара до нужных параметров. В завершении пар направляется в соответствующую паровую турбину.

Виды котлов: водогрейный, паровой пиролизный

В зависимости от того, будет ли обогреваться устройство ангар или небольшой склад, предусматривается два варианта подачи отопления – паром или горячей водой. Чтобы отопить производственную площадь в помещении чаще всего пользуются водогрейными котлами. А паровой пиролизный вариант хорошо подходит для жилых зданий, небольших размеров помещений. Какой из них больше экономичный, а какой – затратный, следует рассчитывать индивидуально, исходя из параметров площадей, принципа и устройства каждой модели в отдельности.

Отопительный котел Protherm Бизон NO 100

Разновидности паровых котлов

Существует несколько модификаций паровых котлов. Их разделяют в соответствии со следующими признаками:

• способом перемещения смеси пара с водой. В соответствии с этим параметром оборудование подразделяется на котлы с принудительным и естественным перемещением;
• методом возврата конденсата: разомкнутые и замкнутые устройства;
• характером движения теплоносителя: газотрубные и водотрубные агрегаты.

Газотрубное и водотрубное отопительное оборудование имеет различную конструкцию и эффективность. К категории газотрубного оборудования относятся котлы, в которых перемещение газа осуществляется в жаровых и дымогарных трубках. В процессе движения газы нагревают воду в системе. Трубки опираются на боковые грани топочной камеры.

В водотрубном же оборудовании по трубкам циркулирует вода. Газы в данном случае омывают трубы с внешней стороны.

Рассматриваемые котлы могут использовать для работы твердое топливо, а также мазут и газ.

Отличия от жаротрубного котла

Разница между этими агрегатами заключается в конфигурации размещения камеры сгорания или в принципе источника тепловой энергии относительно теплообменника и емкости с водой. Во-первых, совсем не обязательна генерация пара. Жаротрубный котел в основном работает на обогрев водой, обеспечивая функцию системы ГВС. Во-вторых, у таких котлов топка размещается в центре конструкции, а емкости с контурами циркуляции воды носят прикладной характер. Они соприкасаются с теплообменником на внешней поверхности конструкции.

Но не только этим отличаются жаротрубные и водотрубные котлы. Разница проходит и по средствам регуляции теплообменного процесса. В конструкции водотрубного агрегата предусматривается экономайзер, благодаря которому изначально холодная вода подвергается предварительному нагреву. Соответственно, дальнейшие реакции теплообмена проходят интенсивнее и с меньшим объемом энергозатрат. С другой стороны, к преимуществам жаротрубного оборудования относят конструкционную простоту и минимальный объем обслуживающих мероприятий при эксплуатации.

Как работает типичный паровой отопительный котел?

В топочной камере образуется тепло. В дальнейшем оно поступает на поверхности подогрева. Существует 2 разновидности поверхностей обогрева: конвективные и радиационные.

В состав конвективных поверхностей входят следующие элементы:

• воздухоподогреватели;
• экономайзеры;
• теплообменные устройства.

Перечисленное дополнительное оборудование нужно для увеличения эффективности котла, рационализации расхода горючего и снижения уровня тепловых потерь.

Важно, чтобы вода, используемая для работы котла, была исключительно чистой – примеси недопустимы. Поэтому перед подачей в котел жидкость обязательно очищается от газов и разного рода примесей, становясь в итоге питательной.

Очищенная жидкость направляется в экономайзер. В этом ей помогает специальный насос. В экономайзере осуществляется подогрев жидкого теплоносителя под воздействием газов. Далее жидкость переходит в верхнее отделение барабанного отсека. Здесь котловая вода перемешивается с питательной жидкостью.

Некоторый объем воды переходит из верхнего отделения барабанного отсека в его нижнее отделение. Движение воды происходит по кипятильным трубкам.

Вверху парового котла газы имеют меньшую температуру, которая постепенно увеличивается по мере приближения к нижнему отсеку агрегата.

Вода подогревается и в совокупности со смесью пара с водой направляется в верхнюю камеру барабана.

Вторая же часть жидкости из верхнего барабанного отсека уходит на перераспределение. Осуществляется нагрев котловой воды. Создающиеся пузырьки пара идут в верхнее отделение барабанного отсека.

В верхней камере барабана за счет сепаратора происходит практически полное разделение смеси жидкости и пара. В результате создается насыщенный пар, что способствует дополнительному увеличению полезного действия котла. Именно этот насыщенный пар и используется конечным потребителем.

С целью увеличения эффективности котлов их работа организована так, что в верхней камере барабанного отсека уровень «низшей» и «высшей» воды колеблется. Между упомянутыми уровнями жидкости имеется резервный запас воды, предназначенный для поддержания работы отопительного агрегата в случае прекращения поступления жидкости в систему.

Допустимый «высший» уровень жидкости в барабанном отсеке определяется с расчетом на то, чтобы вода не попадала в пароперегреватель.

Максимально допустимый «низший» уровень жидкости в барабане рассчитывают так, чтобы не допустить перегревания верхнего отделения барабана, а также кипятильного пучка. Важно, чтобы вода заходила в опускные трубки в стабильном объеме.

Для дополнительного увеличения эффективности конструкция оснащается воздухоподогревателем.

Жидкость в системе может циркулировать принудительно и естественно. В основе естественного движения лежит разность плотности жидкости и создающегося пара. Смесь воды с паром в подъемных трубках имеет меньшую плотность, чем аналогичный состав в опускных трубках. Однако показатель давления и значение температуры остаются одинаковыми по всей трубке. В итоге пар, по своей природе являющийся газом, устремляется кверху.

Принудительная же циркуляция обеспечивается специальным насосным оборудованием.

Схема перевода парового котла в водогрейный режим

Устройство и разновидности пожаротушительных котлов

Несмотря на то, что рассматриваемые далее котлы, строго говоря, не относятся к энергогенерирующему оборудованию, они конструктивно имеют много общего с водогрейными паровыми котлами, а потому также рассматриваются в данной статье.

Последовательность действия пожаротушительного котла (см. рис. 5) заключается в том, что образующиеся при задымлении или возгорании газообразные продукты сгорания поступают в многочисленные трубы, которые полностью погружаются в воду. Конструктивно этот приёмный блок оформлен в виде герметичного сосуда, теплообмен которого с окружающей средой практически отсутствует. В процессе прохождения горячих газов через газоотводные трубы происходит нагрев воды внутри сосуда. В результате образуется пар, который, в силу специфики назначения такого котла, остаётся внутри агрегата. Такой пар можно использовать для выработки энергии, однако эффективность данного процесса не будет значительной, поскольку возможность подъёма давления пара в котлах данного типа отсутствует.

Доказано, что теплогенерирующие возможности пожаротушительных котлов ограничиваются давлением пара не более 1700…1800 кПа, при производительности не более 9…10 тонн пара в час. Паровые котлы таких типов устраиваются на металлургических производствах, где производится достаточное количество горячих газов. Помимо своей основной обязанности, котлы этого типа ещё и существенно снижают риск возгорания на объектах, которые используют открытое пламя (почему, собственно и называются пожаротушительными).

Рисунок 5 – Последовательность работы дымотрубного пожаротушительного котла: 1 – Фасадная заслонка; 2 – Топочное устройство; 3 – Дымогарные трубопроводы; 4 – Трубные доски; 5 – Лицевая часть котла; 6 – Смотровой люк; 7 – Блок топливосжигающих устройств

Типы пожаротушительных котлов

Они могут быть с внешним и внутренним расположением, и трёх разных типов:

• Длиннотрубчатыми с обратным противотоком (см. рис. 6);
• С короткой огневой трубой (см. рис.7);
• Компактными.

Рисунок 6 – Конструктивная схема автоматизированного длиннотрубчатого котла вертикальной компоновки: 1 – Трубопроводы экранов; 2 – Топочное пространство; 3 – Воздухопровод для нагретого воздуха; 4 – Питатель; 5 – Регистр для воздуха; 6 – Топливосжигающее устройство; 7,12 – Верхний и нижний коллекторы; 8 – Решётчатый парораспределитель; 9 – Обшивка корпуса; 10 — Вентфильтр; 11 – Трубы конвектора; 13 – Вентиль спуска; 14 – Решётка уровнемера; 15 — Водоуказатель; 16 – Измеритель давления; 17 – Магистральный вентиль; 18 – Предохранительный клапан; 19 – Обзорный лючок; 20 – Насосная установка; 21 – Вентилятор подачи внешнего воздуха

Рисунок 7 – Компоновочное решение котла с огневыми трубами малой длины: 1 – Топливосжигающее устройство; 2 – Основной трубный блок; 3 – Взрывной клапан; 4 – Узел питания; 5 – Газовый короб; 6 – Экономайзер; 7 – Портальная рама; 8 – Площадка для обслуживания; 9 – Опора; 10 – Привод; 11 – Питающий трубопровод

Паровые котлы первого типа могут иметь вертикальное или горизонтальное расположение газоотводящих труб. В котельных или на тепловых электростанциях малой мощности используются преимущественно котлы с трубами, расположенными горизонтально. Они состоят из следующих узлов:

1. Горизонтального блока.
2. Нескольких трубопроводов, обычно располагаемых под некоторым углом (это улучшает условия тока дымовых газов).
3. Нижнего перепускного клапана.
4. Верхнего перепускного клапана.
5. Дымовой камеры.
6. Рёбер, разделяющих отдельные трубки трубопроводов.
7. Конденсатоотводчика.
8. Газоприёмника.
9. Корпуса.

Котлы такого типа обычно используют в качестве топлива то, которое применяется в основном металлургическом агрегате (например, на металлургических производствах — это кокс, в котельных — уголь). Топливо горит ниже этого горизонтального блока, и образующиеся горючие газы при помощи конвекции перемещаются противотоком в противоположную часть корпуса котла. Там они входят в трубопроводы, и направляются с противоположным направлением в дымовую камеру. В процессе такого перемещения газов по трубам, они отдают накопленное ими тепло через стенки окружающей воде. В ней появляются вначале отдельные пузырьки пара, а далее начинается интенсивное парообразование, в результате чего давление во внутренней ёмкости парового котла увеличивается. Для контроля за этим процессом паровые котлы оборудуются приборами и устройствами автоматики, основными из которых являются нижний и верхний предохранительные клапаны. Нижний клапан служит за регулированием процесса горения твёрдого топлива, а верхний – для ограничения давления образующегося пара.

Остаток пара (как правило – со сниженной против обычного температурой) сбрасывается в конденсатоотводчик, и периодически удаляется из котла.

Пожаротушительные котлы остальных типов конструктивно имеют много общего с вышерассмотренным, но отличаются длиной трубопроводов и их расположением. Однако при вертикальном варианте блока ухудшаются условия для парообразования, и снижается КПД парового котла, поэтому компактные установки проектируют лишь при недостатке места в котельной.

Пожаротушительные котлы универсальны, просты в производстве и эксплуатации, а также легко встраиваются в существующую систему теплоснабжения предприятия или даже небольшого городского района. Они могут эффективно использоваться для локализации возможных пожаров. Однако рассмотренные агрегаты имеют и существенные ограничения, которые заключаются в следующем:

• Объём воды, который находится внутри корпуса такого котла, довольно велик, поэтому потребуется продолжительное время для нагрева большой массы воды. С повышением давления пара это время ещё более возрастает.
• Внутри корпуса вода и пар находятся в одном объёме, поэтому из соображений безопасности повышать давление сверх целесообразного уровня недопустимо.
• Получаемый пар отличается повышенной влажностью, что негативно сказывается на его свойствах как энергоносителя.

Сборка простого парового отопительного котла

При желании элементарный котел собирается своими руками. Самодельный агрегат будет иметь несколько упрощенную конструкцию по сравнению с оборудованием фабричной сборки, но на его эффективности и КПД это никоим образом не отразится.

Набор для сборки котла

Перед началом работы подготовьте следующие элементы:

• трубы разного диаметра;
• листовую нержавейку;
• листовой асбест;
• предохранительный клапан;
• ножовку;
• линейку;
• рулетку;
• зубило;
• молоток;
• аппарат для сварки;
• напильник.

Сборка агрегата

Работа по самостоятельному изготовлению котла выполняется в несколько несложных шагов. Выполните последовательно каждый этап инструкции, параллельно ориентируясь на чертежи и схемы.

Первый шаг. Определите оптимальные размеры будущего парового котла. От размеров оборудования напрямую зависит его производительность. Этот момент уточняйте в индивидуальном порядке, учитывая особенности конкретно своей ситуации.

На этом же этапе подготовьте все необходимые чертежи. При желании можете заказать их составление профессионалу либо же использовать готовые чертежи из открытых источников.

Второй шаг. Заготовьте необходимые материалы. Ранее приводился перечень требуемых элементов. В первую очередь купите трубы диаметром 32 мм и 12 мм. Листовая нержавейка должна иметь толщину порядка 2-3 мм.

Третий шаг. Подготовьте корпус котла. Лучший вариант – сварить корпус самостоятельно из листового металла. Размеры корпуса подбирайте индивидуально, в соответствии со своими нуждами.

Четвертый шаг. Сделайте основание котла. Ранее рассказывалось, что в основе конструкции паровых котлов лежит система сообщающихся труб. Прежде всего, подготовьте кусок трубы длиной порядка 11 см с толщиной стенок примерно 3 мм.

Трубу, имеющую 11 см в диаметре, нарежьте на 12 элементов – они будут выполнять функции дымогарных труб. Трубу же большего диаметра нарежьте на жаровые трубки.

Длину труб подбирайте в соответствии с вашими схемами.

Пятый шаг. Сделайте требуемое количество переборок и стенок парового котла. Для этого используйте нержавеющую листовую сталь.

Шестой шаг. Подготовьте в стенках агрегата отверстия для размещения жаровых и дымогарных труб. Присоедините упомянутые элементы в развальцованном виде к основанию котла. В этом вам поможет сварочный агрегат. На этом этапе тоже ориентируйтесь на имеющиеся чертежи и схемы.

Седьмой шаг. Прикрепите к корпусу агрегата предохранительный клапан и паровой коллектор. Через клапан в дальнейшем вы будете спускать остаточный пар.

Восьмой шаг. Выполните теплоизоляцию котла с помощью асбестового листа.

Таким образом, разобравшись в основных положениях инструкции, вы сможете самостоятельно собрать простой парогенератор и включить его в систему обогрева собственного дома. На каждом этапе выполнения работы ориентируйтесь на имеющиеся у вас чертежи, т.к. понять порядок сборки агрегата по одним лишь текстовым рекомендациям невозможно.

Условия безопасной эксплуатации котла

Котел должен быть не только эффективным, но и безопасным. Залог надежного и эффективного функционирования парового отопительного котла – поддержание заданного уровня подогрева металлических элементов.

Ввиду этого теплоноситель должен все время циркулировать внутри нагреваемых трубок с одновременным охлаждением поверхностей подогрева. Важно, чтобы теплоноситель стабильно отводил тепло от материала труб, нагревающихся под воздействием топочных газов. Если отведение тепла будет недостаточным, металл попросту перегреется, станет менее прочным, а КПД и безопасность оборудования снизятся. В худшем случае трубы попросту разорвет.

Регулярно проверяйте работу котла. Все неполадки исправляйте сразу же после их обнаружения. Даже малейший дефект может быстро привести к существенному уменьшению КПД агрегата и ухудшению показателей безопасности системы. Вода выйдет из барабана, пар проникнет в опускные трубки, барабан и трубки нагреются слишком сильно, и возникнет авария.

Также вы как владелец должны позаботиться, чтобы все элементы конструкции и используемое оборудование были исключительно высокого качества.

Отличия от газотрубного оборудования

В водотрубных агрегатах непосредственным транслятором тепловой энергии выступает горячая вода, наполняющая циркуляционные трубы теплообменника. Получается эффективный и безопасный генератор, который способствует выработке пара. Что касается газотрубных котлов, то техническое исполнение даже внешне может отчасти соответствовать водотрубным конструкциям. Разница заключается лишь в том, что носителем тепловой энергии будут выступать отработавшие в камере сгорания газы. Как это влияет на эксплуатационный процесс? Если принцип работы водотрубного котла допускает полный расход продуктов выработки без остатков до момента испарения и дальнейшего использования пара, то газотрубный котел уже в системе теплообменника должен будет выпускать рабочую газовую среду. Причем для этого предусматриваются толстые патрубки для обеспечения безопасности процесса.