Как работает паровой котел

Паровые котлы: принцип работы и устройство

Паровым котлом называют устройство для превращения воды в пар, используемое как в быту, так и в промышленности. Пар применяется для обогрева помещений, аппаратов и трубопроводов, а также для вращения турбомашин. Давайте подробнее узнаем, что собой представляют паровые котлы. Принцип работы, устройство, классификация, сфера применения и многое другое – все это будет рассмотрено ниже.

Определение

Как вы уже поняли, паровой котел является агрегатом, производящим пар. При этом котлы такого типа могут давать пар двух видов: насыщенный и перегретый. В первом случае температура его составляет порядка 100 градусов, а давление – около 100 кПа. Температура перегретого пара поднимается до 500 градусов, а давление – до 26 МПа. Насыщенный пар используют в бытовых целях, в основном для обогрева частных домов. Перегретый пар нашел применение в промышленности и энергетике. Он хорошо переносит тепло, поэтому его использование в значительной степени повышает КПД установки.

Сфера применения

Выделяют три основные области применения паровых котлов:

1. Отопительные системы. Пар выступает в роли энергоносителя.
2. Энергетика. Промышленные паровые машины, или, как их еще называют, парогенераторы, используются для получения электрической энергии.
3. Промышленность. Пар в промышленности используют не только для обогрева «рубашек» аппаратов и трубопроводов, но и для преобразования тепловой энергии в механическую и перемещения транспортных средств.

Бытовые паровые котлы используются для отопления жилых помещений. Простыми словами, их задача состоит в подогреве воды и передвижении пара по трубопроводу. Такую систему часто обустраивают вместе со стационарной печью или котлом. Обычно бытовые приборы вырабатывают насыщенный не перегретый пар, которого вполне достаточно для решения возложенных на них задач.

В промышленности пар перегревают – продолжают греть после испарения с целью еще больше повысить температуру. К таким установкам предъявляют особые требования по качеству, так как при перегреве пара емкость рискует взорваться. Перегретый пар, полученный из котла, может идти на образование электричества или механическое движение.

Электрический ток с помощью пара образуется следующим образом. Испаряясь, пар попадает в турбину, где он, благодаря плотному потоку вращает вал. Таким образом, тепловая энергия переходит в механическую, а та, в свою очередь, преобразовывается в электрическую. Так работают турбины электростанций.

Вращение вала, которое возникает при испарении больших количеств перегретого пара, может передаваться непосредственно на мотор и колеса. Так в движение приводится паровой транспорт. В качестве популярных примеров работы парового двигателя можно привести парогенератор паровоза или же судовой паровой котел. Принцип работы последних довольно прост: при сжигании угля образуется тепло, которое нагревает воду и образует пар. Ну а пар, в свою очередь, вращает колеса, или в случае с судном, винты.

Паровые котлы: принцип работы

Рассмотрим более детально, как работаю такие котлы. Источником тепла, необходимого для подогрева воды, может выступать любой вид энергии: электрическая, солнечная, геотермальная, тепло от сгорания газа или твердого топлива. Пар, образующийся в процессе нагрева воды, представляет собой теплоноситель, то есть переносит тепловую энергию с места нагрева в место использования.

Несмотря на многообразие конструкций, принципиальное устройство и принцип работы паровых котлов не отличаются. Общая схема нагрева воды с ее последующим преобразованием в пар выглядит таким образом:

1. Очищение воды на фильтрах и ее подача в резервуар для нагрева с помощью насоса. Резервуар, как правило, располагается в верхней части установки.
2. Из резервуара, по трубам вода попадает в коллектор, расположенный, соответственно, ниже.
3. Вода вновь поднимается вверх, только теперь не через трубы, а через зону нагрева.
4. В зоне нагрева образуется пар. Под действие разности давлений между жидким и газообразным веществом, он поднимется вверх.
5. Вверху нагретый пар пропускается через сепаратор, где он окончательно отделяется от воды. Остатки жидкости возвращаются в резервуар, а пар следует в паропровод.
6. Если это не обычный котел, а парогенератор, то его трубопроводы дополнительно нагреваются. О способах их нагрева будет сказано ниже.

Устройство

Паровые котлы представляют собой емкость, в которой вода нагревается и образует пар. Обычно они выполняются в виде труб, различных размеров. Кроме трубы с водой, котел всегда имеет камеру для сгорания топлива (топку). Ее конструкция может варьироваться в зависимости от типа применяемого топлива. Если это дрова, или твердый уголь, то в нижней части топки устанавливается колосниковая решетка, на которую укладывают топливо. С нижней части колосников, в топочную камеру поступает воздух. А вверху топки обустраивают дымоход, который необходим для эффективной тяги – циркуляции воздуха и горения топлива.

Принцип работы паровых котлов на твердом топливе несколько отличается от устройств, в которых в качестве теплоносителя использован жидкий или газообразный материал. Во втором случае, топочная камера предполагает горелку, которая работает подобно горелкам бытовой газовой печи. Для циркуляции воздуха также используют колосниковую решетку и дымоход, ведь в независимости от вида топлива, воздух является важнейшим условием горения.

Горючий газ, полученный от сгорания топлива, поднимается к емкости с водой. Он отдает воде свое тепло и выходит через дымоход в атмосферу. Когда вода нагревается до температуры кипения, она начинает испаряться. Стоит отметить, что вода испаряется и ранее, но не в таких количествах и не с такой температурой пара. Испарившийся пар самостоятельно поступает в трубы. Таким образом, циркуляция пара и смена агрегатных состояний воды происходит естественным образом. Принцип работы парового котла с естественной циркуляцией предполагает минимальное вмешательство человека. Все, что нужно сделать оператору, это обеспечить стабильный нагрев воды и проконтролировать процесс с помощью специальных устройств.

В случае с электрическими котлами подогрев воды происходит проще. Она нагревается с помощью нагревательных элементов типа ТЭНов или выступает в роли проводника и нагревается по закону Джоуля-Ленца.

Классификация

Паровые котлы, принцип работы которых мы сегодня рассматриваем, могут классифицироваться по нескольким параметрам.

По виду топлива:

1. Бытовые.
2. Энергетические.
3. Промышленные.
4. Утилизационные.

Чем отличаются газо- и водотрубные паровые котлы

Принцип работы котлов основан на подогреве емкости с водой. Емкость, в которой вода переходит в парообразное состояние, как правило, представляет собой трубу или несколько труб. Приборы, в которых горючее обогревает трубы, поднимаясь вверх, называются газотрубными котлами.

Но есть и другой вариант – когда горючий газ перемещается по трубе, расположенной внутри емкости с водой. В таком случае водные емкости называются барабанами, а сам котел – водотрубным. В обиходе его также называют огнетрубным котлом. В зависимости от расположения водных барабанов, котлы такого типа подразделяют на: горизонтальные, вертикальны и радиальные. Также встречаются модели, в которых реализованы разные направления труб.

Устройство и принцип работы огнетрубного парового котла несколько отличается от газотрубного. Во-первых, это касается размера труб с водой и паром. У водотрубных котлов трубы менее габаритны, чем у газотрубных. Во-вторых, имеют место различия по мощности. Газотрубный котел дает давление не более 1 МПа и имеет теплообразующую способность до 360 кВт. Причиной тому являются крупные трубы. Чтобы в трубах образовывалось достаточно пара и давления, их стенки должны быть толстыми. Как результат – цена таких котлов завышена. Водотрубный котел мощнее. Благодаря тонким стенкам труб, пар нагревается лучше. И в-третьих, водотрубные котлы безопаснее. Они производят высокую температуру и не боятся значительных перегрузок.

Дополнительные элементы котлов

Принцип работы парового котла довольно прост, тем не менее его конструкция состоит из довольно большого количества элементов. Кроме топочной камеры и труб для циркуляции воды/пара, котлы оснащаются устройствами для повышения их эффективности (увеличение температуры пара, его давления и количества). К таким устройствам относят:

1. Пароперегреватель. Служит для повышения температуры пара выше 100 градусов. Перегревание пара повышает экономичность аппарата и его коэффициент полезного действия. Перегретый пар может достигать температуры в 500 градусов по Цельсию. Столь высокие температуры имеют место в паровых установках атомных станций. Суть перегрева состоит в том, что после испарения идущий по трубе пар подвергается повторному нагреву. Для этого аппарат может оснащаться дополнительной топочной камерой или простым трубопроводом, который, прежде чем вывести пар на целевое использование, несколько раз проходит через основную топку. Пароперегреватели бывают радиационными и конвекционными. Первые работают в 2-3 раза эффективнее.
2. Сепаратор. Служит для «осушения» пара – отделения его от воды. Это позволяет увеличить КПД установки.
3. Паровой аккумулятор. Данное устройство создано для поддержания постоянного уровня выхода пара из установки. Когда пара не хватает, оно добавляет его в систему и, наоборот, отбирает в случае переизбытка.
4. Подготовительное устройство для воды. Чтобы аппарат работал дольше, вода, попадающая в него, должна отвечать специфическим требованиям. Данное устройство снижает количество кислорода и минералов в воде. Эти несложные меры позволяют предотвратить коррозию труб и образование на их стенках накипи. Ржавчина и накипь не только снижают эффективность аппарата, но и быстро приводят его в негодность, особенно в случае активного использования.

Контрольные устройства

Кроме того, котел оснащается вспомогательными устройствами для контроля и управления. К примеру, сигнализатор предельных уровней воды следит за поддержанием постоянного уровня жидкости в барабане. Принцип работы сигнализатора предельных уровней парового котла основывается на изменении массы специальных грузов во время их перехода из жидкой фазы в парообразную, и наоборот. В случае отклонения от нормы он подает звуковой сигнал для оповещения сотрудников предприятия.

Для позиционного регулирования уровня воды также используется уровнемерная колонка парового котла. Принцип работы устройства основан на электропроводности воды. Колонка представляет собой трубку, оснащенную четырьмя электродами, контролирующими уровень воды. Если водяной столб достигает нижней отметки, подключается питательный насос, а если верхней – питание котла водой останавливается.

Еще одним простейшим устройством для измерения уровня воды в паровом котле служит водомерное стекло, встроенное в корпус аппарата. Принцип работы водомерного стекла парового котла прост – оно предназначено для визуального контроля уровня воды.

Кроме уровня жидкости, в системе с помощью термометров и манометров замеряют температуру и давление соответственно. Все это необходимо для нормального функционирования котла и предотвращения возможности возникновения аварийных ситуаций.

Парогенераторы

Мы уже рассмотрели принцип работы парового котла, теперь кратко познакомимся с особенностями парогенераторов – наиболее мощных котлов, оборудованных дополнительными устройствами. Как вы уже поняли, главное отличие парогенератора от котла состоит в том, что его конструкция включает один или несколько промежуточных пароперегревателей, что позволяет достичь высочайших температур пара. На атомных электростанциях, благодаря очень горячему пару, преобразуют энергию распада атома в электрическую энергию.

Существует два основных способа нагрева воды и переведения ее в газообразное состояние в реакторе:

1. Вода омывает корпус реактора. При этом реактор охлаждается, а вода нагревается. Таким образом, пар образуется в отдельном контуре. В таком случае парогенератор выполняет функции теплообменника.
2. Трубы с водой проходят внутри реактора. В этом варианте, реактор является топочной камерой, с которой пар подается непосредственно на электрогенератор. Эта конструкция называется кипящим реактором. Здесь все работает без парогенератора.

Заключение

Сегодня мы с вами познакомились с таким полезным прибором, как паровой котел. Устройство и принцип работы этого аппарат довольно просты и основаны на банальных физических свойствах воды. Тем не менее паровые котлы в значительной степени облегчают жизнь человека. Они согревают здания и помогают вырабатывать электричество.

Устройство и принцип работы паровых котлов

Котельные установки, генерирующие пар из воды, заслуживают особого внимания. Они редко применяются для обогрева зданий, обычно отопление – их вторичная функция. Главной задачей подобных агрегатов является производство пара для различных технологических процессов. В зависимости от требуемых параметров пара на выходе подбирается устройство парового котла, обеспечивающее эти параметры.

Принцип действия и виды паровых котлов

Если целью отопительных установок есть нагрев воды для обогрева дома при недопущении ее закипания в котловом баке, то работа парового котла решает противоположную задачу. Она состоит в том, чтобы направить всю тепловую энергию сжигания топлива на кипячение воды и ее испарение. Некоторые технологические процессы требуют повышенной температуры пара, поэтому третьей стадией работы агрегата становится его подогревание до этой температуры (перегрев). Главными рабочими показателями парогенераторов являются давление и производительность, которая выражается в тоннах за 1 час.

Конструкции данного вида теплосилового оборудования бывают разные, но принцип работы парового котла остается неизменным: сжигая жидкое топливо или природный газ в топке, передать всю теплоту сгорания воде, проходящей через теплообменник с целью испарить ее и направить потребителям. По способу передачи тепла в парогенераторах используются теплообменники:

• жаротрубные (дымогарные);
• водотрубные.

У них есть одна общая особенность: это трубы, изготавливаемые в различных установках разного сечения и формы. Внутри труб перемещается одна из сред – участниц процесса передачи тепла, а снаружи они омываются второй средой. В жаротрубных теплообменниках внутри проходят раскаленные продукты горения, нагревающие воду в котловом баке до состояния парообразования. Все происходит наоборот в водотрубном агрегате, где по змеевикам циркулирует вода, а прогревается она снаружи пламенем горелки и дымовыми газами.

Жаротрубные установки

На рисунке представлена конструкция парового котла с жаротрубным трехходовым теплообменником. Трехходовой – это значит, что дымовые газы перед выбросом наружу совершат три хода по трубкам, омываемым водой. Первый ход – это сама камера сгорания, в ней температура наиболее высокая. В ее конце газы меняют направление движения, попадая в трубы второго, а затем и третьего хода. К такому движению продукты горения побуждает работа вентилятора плюс естественная тяга дымовой трубы.

Уровень воды в котловом баке этой конструкции нестабилен, поскольку в процессе нагрева ее часть закипает и в виде пара поступает в аппарат, отделяющий мелкие капли, — сепаратор. Отделение жидкости надо делать обязательно, иначе в паропроводах, ведущих к потребителям, будут возникать гидроудары, результатом станет их разрушение. Недостаток воды в рубашке необходимо постоянно пополнять, для этого задействован питательный насос для парового котла.

Важно! Особенность любых парогенераторов заключается в том, что в них нельзя подавать холодную воду, минимальную ее температуру каждый производитель указывает индивидуально для своего изделия.

Подогрев питательной воды осуществляется двумя способами:

1. С помощью дополнительного пластинчатого теплообменника, отнимающего для подогрева энергию у производимого пара.

2. Посредством экономайзера, установленного на выходе дымовых газов из агрегата. Экономайзер еще больше понижает температуру продуктов горения, за счет этого подогревая питательную воду. Метод повышает общую эффективность работы генератора на 3—6%.

Водотрубные агрегаты

Другая схема парового котла – с водотрубным спиралевидным теплообменником. Здесь дымовые газы тоже делают несколько ходов, перед тем как покинуть агрегат. Горелочное устройство помещено по центру, внутри змеевика с водой. При такой организации нагрева парообразование в змеевике происходит достаточно быстро и производительность установки в целом выше. Но тут кроется и недостаток: малейшая задержка с подпиткой змеевика вызовет прогорание труб и аварийную ситуацию. Жаротрубные схемы лишены этого недостатка, но они более инерционны и обладают большими габаритами.

Отдельно следует отметить требования к качеству подпиточной воды. Технология процесса и устройство паровых котлов таковы, что она должна пройти несколько этапов подготовки:

• Очистка и доведение до питьевого качества.
• Обессоливание химическим способом.
• Удаление пузырьков воздуха термическим либо химическим способом (деаэрация).

Примечание: при выборе деаэрации термическим способом одновременно решается вопрос с подогревом питательной воды, поскольку в деаэраторе она нагревается до 70—80 ºС

Невзирая на мероприятия по водоподготовке, паровой котел требует периодической очистки от накипи, которая все равно появляется на поверхностях обмена. Операция носит название «продувка», производится различными способами и заключается в промывке труб теплообменника под давлением.

Заключение

Парогенераторы – это достаточно сложные и энергоемкие устройства, применяющиеся в промышленном производстве. Во избежание аварийных ситуаций их монтаж, пусконаладочные работы и эксплуатация должны проводиться хорошо обученным высококвалифицированным персоналом.

Принцип работы и устройство парового котла – различия, преимущества

Паровые котлы – это оборудование, которое может использоваться как на промышленных объектах, так и для бытовых целей. Главной функцией таких устройств является преобразование воды в пар, который в дальнейшем может использоваться для обогрева помещений или обеспечения движения различных механизмов. В данной статье будет рассмотрено устройство парового котла, его особенности и применение.

Сферы применения паровых котлов и назначение

Паровые котлы активно используются в следующих отраслях:

1. Отопительные системы. Существуют промышленные и бытовые модели паровых котлов, позволяющие использовать пар в качестве теплоносителя. Пар проходит через отопительные контуры и/или поступает в теплообменники устройств горячего водоснабжения, тем самым обеспечивая перемещение тепловой энергии. Бытовой паровой отопительный котел часто комбинируется с твердотопливными отопительными устройствами. На промышленных объектах используются более мощные и надежные устройства, вырабатывающие перегретый пар, имеющий повышенную теплоотдачу.
2. Энергетика. Паровые машины позволяют преобразовывать разогретый пар в электрическую энергию. Рабочий процесс выглядит довольно просто: пар перемещается в турбину и вращает вал, за счет чего и происходит выработка электричества. Данный принцип с успехом используется на множестве электростанций.
3. Промышленность. Паровые устройства вполне могут обеспечивать механическое движение различных элементов систем. Принцип работы парового котла промышленного назначения выглядит так же, как и в предыдущем случае, но выработанная энергия направлена на осуществление механического воздействия на элементы, которые должны двигаться.

Знание того, для чего нужен паровой котел и где он применяется, позволяет использовать устройство с предельной эффективностью.

Принцип работы парового котла

В первую очередь нужно понять, что называется паровым котлом. Паровой котел – это устройство, генерирующее пар. Существует два вида вырабатываемого пара – насыщенный и перегретый. Температура насыщенного составляет 100 градусов, а давление – 100 кПа. Перегретый пар разогревается вплоть до 500 градусов, а величина давления при этом может превышать 26 МПа. Насыщенный пар используется в агрегатах бытового назначения, а перегретый ввиду своих особенностей применим только на объектах промышленного масштаба.

Сырьем для создания пара является вода, которая перерабатывается в котле, работающем на любом виде топлива. Созданный пар в процессе работы преобразуется в теплоноситель, доставляющий тепловую энергию на участок его применения.

Независимо от особенностей конструкции конкретного устройства, общий принцип работы парового котла всегда остается неизменным:

• Первым делом воду проходит этап очистки и направляется в резервуар (обычно находящийся в верхней части устройства) при помощи электрического насоса;
• Накопленная в резервуаре вода поступает в трубы, ведущие к расположенному ниже коллектору;
• Из коллектора вода направляется вверх, поступая в зону нагрева;
• В трубе вода преобразуется в пар, выходящий вверх за счет разницы давлений жидкости и газа;
• В верхней части конструкции располагается сепаратор, позволяющий отделить пар от воды и отвести излишки последней в резервуар;
• Пар направляется в трубопровод и отправляется к потребителям;
• В парогенераторах этап нагрева осуществляется еще раз для достижения паром необходимого состояния.

Чтобы хорошо понять, как работает паровой котел, нужно также рассмотреть особенности его конструкции, о чем речь пойдет дальше.

Устройство парового котла

Конструктивно паровой котел – это емкость, в которой происходит процесс преобразования воды в пар. Емкость обычно выполняется из трубы, диаметр которой может варьироваться в достаточно широких пределах. Помимо заполненной трубы, схема парового котла включает в себя топочную камеру, предназначенную для сжигания топлива.

Топка может иметь определенные особенности, которые напрямую зависят от используемого вида топлива. Например, твердотопливные топочные камеры в нижней части оборудуются колосниковой решеткой, сквозь которую в камеру поступает кислород. В верхней части конструкции устанавливается традиционный дымоход, создающий тягу и обеспечивающий нормальное горение. В случае использования жидких энергоносителей или газа топочная камера снабжается горелкой.

В любом случае, выделяемый при сгорании топлива газ подступает к заполненной водой емкости, отдает ей свое тепло и выводится в атмосферу дымоходом. Вода в определенный момент начинает кипеть и превращаться в пар, который направляется в верхнюю часть емкости, а потом – в трубы.

Виды паровых котлов

Первый параметр, по которому классифицируются паровые котлы – вид используемого топлива, в зависимости от чего выделяют следующие виды котлов:

В зависимости от их предназначения выделяют следующие виды паровых котлов:

• Бытовые;
• Промышленные;
• Энергетические;
• Утилизационные.

Последний параметр – конструкция, позволяющая выделить два вида котлов:

Конструкция парового котла довольно важна, поэтому стоит разобраться, в чем заключаются отличия этих видов устройств.

Отличия газо- и водотрубных котлов по схеме работы

Емкость, позволяющая создавать пар, обычно выполняется из одной или нескольких труб. Находящая в них вода прогревается за счет разогретых газов, выделяемых в процессе горения топлива. Такая конструкция подразумевает, что газ сам поднимается к заполненным водой трубам, и устройства, работающие по такому принципу, называются газотрубными котлами.

В другом типе котлов газ перемещается по трубе в самой емкости с водой. Емкость в данном случае называется барабаном, а сам котел относится к категории водотрубных. Заполненные водой барабаны могут располагаться горизонтально, вертикально, радиально или же комбинировано, в зависимости от чего выделяют соответствующие виды водотрубных котлов.

Сравнение особенностей рассматриваемых видов котлов позволяет сделать следующие выводы:

1. Первое отличие – разные размеры используемых труб. Газотрубные устройства оснащаются достаточно большими трубами по сравнению с изделиями, которые используются в водотрубных котлах.
2. Следующее отличие заключается в разнице мощностей. Предельное значение мощности газотрубных котлов составляет 360 кВт, а максимальное давление не может превышать 1 МПа. Высокое давление и объем пара требуют увеличения толщины стенок устройства, что негативно сказывается на итоговой стоимости котла. Водотрубные котлы такого недостатка лишены – для них вполне могут использоваться тонкие трубы, позволяющие добиться большей температуры и давления по сравнению с газотрубными аналогами.
3. Водотрубные котлы отличаются не только мощностью и более высокой температурой. К их преимуществам относится еще и возможность выдерживать серьезные перегрузки, что говорит о большей степени безопасности подобных устройств.

Дополнительные элементы котлов

Устройство парового котла не ограничивается основными элементами, которые уже были описаны выше. Иногда паровой котел может комплектоваться дополнительными устройствами, позволяющими повысить эффективность или функциональность системы.

Речь идет о следующих элементах:

1. Пароперегреватель. Данный элемент позволяет разогреть пар до температуры свыше 100 градусов, что позволяет добиться большей экономичности за счет увеличения КПД агрегата. Пар при использовании перегревателя может достигать температуры в 500 градусов, причем его нагрев осуществляется уже в трубах, то есть после этапа испарения воды. Пароперегреватель может быть как встроенным, так и выполняться в формате отдельного устройства. Существуют конвекционные и радиационные устройства (второй тип имеет в 2-3 раза большую мощность).
2. Сепаратор пара. Этот элемент парового котла позволяет устранить всю лишнюю влагу из пара и максимально его высушить. При использовании сепаратора КПД всего котла существенно повышается.
3. Паровой аккумулятор. Данное устройство позволяет стабилизировать работу системы. Аккумулятор вбирает в себя излишки выработанного пара и возвращает их в систему, если его становится слишком мало.
4. Устройство для очистки воды. Данное приспособление позволяет снизить насыщенность воды кислородом и различными химическими веществами. Своевременная подготовка воды дает возможность уменьшить воздействие коррозии на внутренние элементы котла и свести к минимуму количество отложений в системе.

Также устройство парового котла включает в себя клапан для спуска конденсата, подогреватели воздуха и блок управления агрегатом, в который входит выключатель горения и регуляторы расхода сырья и энергоресурсов. Понимание того, из чего состоит паровой котел, позволяет подогнать его конфигурацию под решение конкретных задач.

Парогенератор

Парогенераторы – это разновидности паровых котлов, снабженные дополнительными элементами. В частности, конструкция такого устройства может включать в себя несколько промежуточных пароперегревателей, позволяющих многократно повысить мощность оборудования.

Чаще всего парогенераторы используются в атомных электростанциях. Использование пара позволяет преобразовать вырабатываемую при распаде атомов энергию в электричество.

Пар в атомных реакторах может работать следующим образом:

1. Вода окружает внешнюю часть корпуса реактора, принимая его тепловую энергию. Пар образуется в собственном контуре, находящемся снаружи реактора. Парогенератор в подобной конструкции выполняет функцию теплообменника.
2. Вторая схема подразумевает нахождение труб для нагрева воды в самом реакторе. В результате получается, что реактор превращается в своеобразную топочную камеру, а выработанный пар отправляется сразу в электрогенератор. Данная конструкция называется кипящим реактором и не требует установки парогенератора.

Заключение

Паровые котлы – это достаточно мощные и эффективные устройства, оказывающиеся незаменимыми в ряде ситуаций. Бытовые паровые котлы дают возможность прогревать дом или выполнять какую-то работу, а промышленные агрегаты позволяют вырабатывать электрическую энергию в огромных количествах. В любом случае, для эффективного решения поставленных задач назначение и устройство котла должны соответствовать друг другу.

EuroSantehnik.ru — Все о монтаже отопления, водоснабжения и канализации

Сегодня паровые котлы применяются повсеместно в отопления. Эти устройства широко применяются, как в промышленности, так и в быту. Главной функцией парового котла является преобразование воды в пар. Горячий пар используется для отапливания разного рода помещений, а также пар приводит в движение паровые машины.

Что это за устройство?

Котёл парового типа может производить пар двух видов:

• пар, который насыщен водой;
• сухой пар, который еще называют «перегретый».

Первый вид водяного пара предназначен для работы в системах с рабочим давлением не более 100 кило Паскалей. Насыщенный пар нагревается до температуры не выше 100 градусов по Цельсию.

Второй вид пара в паровом котле предназначен для работы в системах с повышенным давлением – более 26 мега Паскалей. Сухой пар имеет более высокую температуру, и эта температура порой превышает 500 градусов Цельсия.

В основном, в системах отопления используется насыщенный пар, где трубопроводы не предназначены для высокого давления. Сухой пар используется в энергоустановках. При помощи перегретого пара работают мощные установки, которые вращают электрогенераторы. В некоторых видах транспортных средств перегретый пар является основной тяговой силой.

Где применяются

Паровые котлы всё еще широко применяются для обогрева жилищ и промышленных помещений. Эти устройства вырабатывают пар путем нагрева воды, и затем этот пар циркулирует в системе отопления. Бытовые паровые котлы вырабатывают насыщенный водой пар, и используются эти котлы зачастую в частных домостроениях.

В промышленности применяются специальные паровые установки, которые по ступенчато нагревают насыщенный пар, доводя его до температуры 500 градусов. Промышленные паровые котлы сделаны более добротно, поскольку работают с большим давлением и температурами. Промышленные паровые котлы также отличаются и размерами. Габариты промышленного котла зависят от объёма задач, которые выполняет данное устройство. В большинстве случаев промышленные парогенераторы применяются для генерации электричества. Существуют несколько видов промышленных паровых установок, которые объединены в один агрегат с электрогенератором. Такими устройствами оборудуются небольшие электростанции.

Паровые котлы такой электростанции работают по принципу нагрева воды до состояния кипения, а затем в специальном аппарате образовавшийся пар доводится до перегретого состояния и под большим давлением подается в паровую турбину. Вал паровой турбины связан с ротором электрогенератора, который вращаясь от паровой турбины – вырабатывает ток.

Также промышленные паровые котлы довольно широко применялись на транспорте – паровозах, тракторах, автомобилях. Сегодня транспортные средства на паровой тяге можно встретить только на железной дороге, где они используются для грузоперевозок, а также для маневровых работ. Паровые котлы промышленного типа ещё хороши тем, что они могут работать практически на любом виде топлива. Есть некоторые виды паровых котлов промышленного типа, которые предназначены для определенного вида топлива. Также и паровые котлы для бытового использования могут быть, как многотопливные, так и ориентированные на определённый вид топлива.

Принцип работы парового котла

Паровой котел является универсальным устройством, поскольку может работать даже на солнечной или геотермальной энергии. Современные паровые котлы в качестве топлива используют природный газ, но также существуют и твердотопливные котлы. Все паровые котлы работают примерно по одной и той же схеме, где обычная вода превращается в насыщенный или перегретый пар. Эта схема работы состоит из нескольких этапов:

1. Очистка воды при помощи фильтрующих элементов.
2. Подача очищенной воды в рабочую ёмкость. Подача может осуществляться, как самотёком, так и при помощи насоса. Сегодня в основном применяются электрические насосы.
3. Подача воды из рабочей емкости в коллектор. Подача осуществляется самотёком.
4. Подъём воды из коллектора в зону нагрева.
5. Подача образовавшегося пара в сепаратор, где происходит влагоотделение. Остатки воды по специальному трубопроводу стекают в резервуар.
6. Подача пара в паропровод.

В промышленном паровом котле данная схема дополнена ещё двумя пунктами:

1. Подача пара в зону повторного нагрева;
2. Подача пара в рабочую магистраль.

Устройство парового котла

Паровой котёл любого типа собой представляет некую ёмкость, и эта ёмкость заполнена водой. Вода в паровом котле нагревается до газообразного состояния, испаряясь – переходит из жидкого состояния в газообразное. Рабочая емкость парового котла, зачастую, сделана из трубы большого диаметра. Все паровые котлы оборудованы специальной камерой, где сжигается разного рода топливо. Строение топочной камеры напрямую зависит от вида топлива, что будет использоваться в котле. В твердотопливных паровых установках должна быть установлена специальная решетка, сквозь которую зола будет осыпаться в зольник. Колосниковая решётка служит для подачи воздуха в топку котла. Продукты сгорания отводятся через дымоход. Дымоход должен быть смонтирован в самой верхней точке топочной камеры.

Если в паровой установке в качестве топлива используется разного рода природный газ, то в топку котла устанавливается специальная форсунка. Форсунка также используется тогда, когда в качестве топлива применяется мазут. При использовании форсунки также необходима подача воздуха сквозь колосниковую решетку, что обеспечит достаточную тягу в топке. В топке достаточно большая рабочая температура, но для розжига котла и для набора давления требуется какое-то время. Вырабатываемое в топочной камере тепло доводит до кипения воду в рабочей емкости, и затем образовавшийся пар поступает в трубопроводы паровой установки.

Разновидности паровых установок

Паровые установки бывают, как многотопливные, так и однотопливные. По видам топлива паровые котлы классифицируются как:

• паровые установки, работающие на угле;
• паровые установки, работающие на мазуте;
• паровые установки, работающие на газе;
• паровые установки, работающие на электроэнергии.

Также паровые котлы можно разделить на области их применения. В этот перечень входят:

• промышленные паровые установки;
• паровые установки, которые ориентированы на выработку электроэнергии;
• паровые установки, которые применяются в быту.

Также существует утилизационные паровые установки.

Паровые установки имеют также конструктивные отличия, и их можно разделить на два вида:

• водотрубные паровые установки;
• газотрубные паровые установки.

В газотрубных котлах вода нагревается при помощи горячих газов, что образуются в момент сгорания любого вида топлива. Эти газы нагревают трубы, внутри которых находятся вода. Вода в эти трубы поступает из резервуара.

Водотрубная паровая установка работает по несколько иному принципу. В этих котлах –наоборот, нагретый газ движется внутри специального трубопровода, который помещен в ёмкость с водой. Водотрубные паровые котлы разделяются на несколько видов:

• вертикальные водотрубные котлы;
• горизонтальные водотрубные котлы;
• радиальные водотрубные котлы.

Все виды водотрубных котлов отличаются лишь внутренним расположением трубопроводов.

Какой паровой котёл лучше

Газотрубные паровые котлы имеют больший диаметр труб, что позволяет работать с давлением не более 1 мПа. Также котлы данного типа способны вырабатывать не более 360 кВт тепловой энергии. Слабым местом данного устройства является – большой размер трубопроводов, что может привести к повышенному парообразованию. Повышенное парообразование способствует увеличению давления. Большое давление может использоваться только в толстостенных трубопроводах, что ощутимо увеличивает стоимость парового котла.

Водотрубные паровые котлы имеют более высокую мощность, нежели газотрубный. В водотрубных котлах используются трубопроводы с небольшим диаметром, что позволяет развить большое давление внутри такого котла. Также водотрубные паровые котлы способны работать с очень высокими температурами, которые недоступны газотрубным котлам.

Элементы, которые повышают эффективность котла парового типа

Современный котёл парового типа оборудован не только трубопроводами и топкой, но также в нём используются вспомогательные узлы. Эти дополнительные элементы способствуют не только поднятию температуры пара в установке, но и могут повышать рабочее давление, а также способствуют более интенсивному парообразованию. В перечень таких полезных элементов паровой установки входят:

1. Сепаратор, с помощью которого пар отделяется от влаги. Данное приспособление в несколько раз увеличивает коэффициент полезного действия парового котла.
2. Пароперегреватель, с помощью которого температура пара нагревается свыше 100 градусов по Цельсию. Этот элемент также ощутимо повышает КПД парового котла, поскольку способен нагреть сухой пар до 500 градусов. Такими вспомогательными приспособлениями комплектуются паровые установки, которые применяются в АЭС.
3. Аккумулятор пара, который способен накапливать пар, и в момент необходимости обратно отдавать его в рабочую магистраль.
4. Подготавливающие устройство, с помощью которого из обычной воды вытесняется излишний кислород. Данное приспособление в разы увеличивает срок службы паровой установки, поскольку малая концентрация кислорода в теплоносителе препятствует возникновению коррозии и накипи.

Также в современных паровых установках используются дополнительные элементы, с помощью которых удаляется конденсат, регулируется потребление топлива и расход воды, а также осуществляется управление котлом и контроль всех его параметров.

Парогенератор

Данное устройство собой представляет мощную паровую установку, которая в основном применяется в атомной энергетике. Парогенератор оснащен дополнительными узлами, которые существенно увеличивают мощность этого устройства. Достигается это при помощи промежуточных нагревателей, которые нагревают пар до несколько сот градусов. Мощность парогенераторов в несколько десятков раз превышает мощность обычного парового котла.

Заключение

Сегодня паровые котлы и парогенераторы используются не только для отопления жилищ, но и для выработки электроэнергии. Паровые котлы делают нашу жизнь теплей и светлее. Именно паровые котлы стали родоначальниками промышленной революции, результатами которой мы пользуемся и по сей день.

Паровой котёл — принцип работы и конструктивные особенности

Паровой котёл — устройство, которое используется в быту и промышленности. Оно предназначено для превращения воды в пар. Полученный пар в дальнейшем применяют для обогрева жилья или вращения турбомашин. Какие бывают паровые машины и где они наиболее востребованы?

Что такое паровой котёл?

Паровой котёл — агрегат для производства пара. При этом устройство может давать 2 вида пара: насыщенный и перегретый. Насыщенный пар имеет температуру 100ºC и давление 100 кПа. Перегретый пар отличается повышенной температурой (до 500ºC) и высоким давлением (больше 26 МПа).

Примечание: Насыщенный пар используют в отоплении частных домов, перегретый — в промышленности и энергетике. Он лучше переносит тепло, поэтому использование перегретого пара повышает КПД работы установки.

Где используются паровые котлы:

1. В отопительной системе — пар является энергоносителем.
2. В энергетике — используются промышленные паровые машины (парогенераторы) для получения электроэнергии.
3. В промышленности — перегретый пар может быть использован для преобразования в механическое движение и перемещения транспортных средств.

Паровые котлы: сфера применения

Бытовые паровые устройства используются в качестве источника тепла для отопления дома. Они подогревают ёмкость с водой и гонят образовавшийся пар в трубы отопления. Часто такую систему обустраивают вместе с угольной стационарной печью или котлом. Как правило, бытовые приборы для отопления паром создают только насыщенный, неперегретый пар.

Для промышленного применения пар перегревают. Его продолжают греть после испарения, чтобы ещё больше поднять температуру. Такие установки требуют качественного исполнения, чтобы предупредить взрыв паровой ёмкости.

Паровой котел

Перегретый пар из котла может расходоваться на образование электричества или механическое движение. Как это происходит? После испарения пар попадает в паровую турбину. Здесь поток пара вращает вал. Это вращение в дальнейшем перерабатывается в электричество. Так получают электрическую энергию в турбинах электростанций — при вращении вала турбомашин образуется электрический ток.

Кроме образования электрического тока, вращение вала может передаваться непосредственно на двигатель и на колёса. В результате чего паровой транспорт приходит в движение. Известный пример паровой машины — паровоз. В нём при сжигании угля нагревалась вода, образовывался насыщенный пар, который вращал вал двигателя и колёса.

Принцип работы парового котла

Источником тепла для нагрева воды в паровом котле может быть любой вид энергии: солнечная, геотермальная, электрическая, тепло от сгорания твёрдого топлива или газа. Образующийся пар является теплоносителем, он переносит тепло сгорания топлива к месту его применения.

В различных конструкциях паровых котлов используется общая схема подогрева воды и её превращения в пар:

• Вода очищается и подаётся в резервуар с помощью электронасоса. Как правило, резервуар расположен в верхней части котла.
• Из резервуара по трубам вода стекает вниз в коллектор.
• Из коллектора вода поднимается снова вверх через зону нагрева (горения топлива).
• Внутри водной трубы образуется пар, который под действием разницы давлений между жидкостью и газом поднимается вверх.
• Вверху пар проходит через сепаратор. Здесь он отделяется от воды, остатки которой возвращаются в резервуар. Дальше пар поступает в паропровод.
• Если это не простой паровой котёл, а парогенератор, то его трубы вторично проходят через зону горения и нагрева.

Устройство парового котла

Паровой котёл представляет собой ёмкость, внутри которой нагретая вода испаряется и образует пар. Как правило — это труба различного размера.

Кроме трубы с водой, в котлах имеется топочная камера (в ней сгорает топливо). Конструкция топки определяется видом топлива, для которого сконструирован котёл. Если это твёрдый уголь, дрова, то внизу топочной камеры есть колосниковая решётка. На ней располагают уголь и дрова. Снизу через колосники в топочную камеру проходит воздух. Для эффективной тяги (движения воздуха и горения топлива) вверху топки устраивают дымоход.

Устройство парового котла Ici Caldaie

Если энергоноситель — жидкий или газообразный (мазут, газ), то в топочную камеру вводят горелку. Для движения воздуха также делают вход и выход (колосниковую решётку и дымоход).

Горячий газ от сгорания топлива поднимается к ёмкости с водой. Он нагревает воду и выходит через дымоход. Нагретая до температуры кипения вода начинает испаряться. Пар поднимается вверх и поступает в трубы. Так происходит естественная циркуляция пара в системе.

Классификация паровых котлов

Паровые котлы классифицируют по нескольким признакам. По виду топлива, на котором они работают:

• бытовые;
• промышленные;
• энергетические;
• утилизационные.

По конструктивным особенностям:

Давайте рассмотрим, чем отличается конструкция газотрубных и водотрубных машин.

Газо- и водотрубные котлы: отличия

Емкость для образования пара часто представляет собой трубу или несколько труб. Воду в трубах обогревают горячие газы, образующиеся при сгорании топлива. Устройства, в которых газы поднимаются к трубам с водой, называют газотрубными котлами. Схема газотрубного агрегата приведена на рисунке.

Схема газотрубного котла: 1- подвод топлива и воды, 2 — топочная камера, 3 и 4 — дымогарные трубы с горячим газом, который выходит дальше через дымоход (позиции 13 и 14 — дымоход), 5 — решётка между трубами, 6 — вход воды, выход обозначен цифрой 11 — её выход, кроме того на выходе есть устройство для измерения количества воды (обозначено цифрой 12), 7 — выход пара, зона его образования обозначено цифрой 10, 8 — сепаратор пара, 9 — наружная поверхность ёмкости, в которой циркулирует вода.

Есть другие конструкции, в которых газ двигается по трубе внутри ёмкости с водой. В таких устройствах водные ёмкости называют барабанами, а сами устройства — водотрубными паровыми котлами. В зависимости от расположения барабанов с водой, водотрубные котлы классифицируют на горизонтальные, вертикальные, радиальные, а также комбинации различных направлений труб. Схема движения воды по водотрубному котлу приведена на рисунке.

Схема водотрубного котла: 1- подвод топлива, 2 — топка, 3 — трубы для движения воды; направление её движения обозначено цифрами 5,6 и 7, место входа воды — 13, место выхода воды — 11 и место слива — 12, 4 — зона, где вода начинает превращаться в пар, 19 — зона, где есть и пар, и вода, 18 — зона пара, 8 — перегородки, которые направляют движение воды, 9 — дымоход и 10 — дымовая труба, 14 — выход пара через сепаратор 15, 16 — наружная поверхность ёмкости для воды (барабан).

Газо- и водотрубные котлы: сравнение

Для сравнения газо- и водотрубных котлов приведём некоторые факты:

1. Размер труб для воды и пара: у газотрубных котлов трубы — больше, у водотрубных — меньше.
2. Мощность газотрубного котла ограничена давлением 1 МПа, и теплообразующей способностью — до 360 кВт. Это связано с большим размером труб. В них может образовываться значительное количество пара и высокое давление. Увеличение давления и количества образуемой теплоты требует значительного утолщения стенок. Цена такого котла с толстыми стенками будет неоправданно высока, экономически не выгодна.
3. Мощность водотрубного котла — выше, чем газотрубного. Здесь используются трубы небольшого диаметра. Поэтому давление и температура пара могут быть больше, чем в газотрубных агрегатах.

Примечание: Водотрубные котлы безопаснее, мощнее, производят высокую температуру и допускают значительные перегрузки. Это даёт им преимущество перед газотрубными агрегатами.

Дополнительные элементы агрегата

В конструкцию парового котла могут входить не только топочная камера и трубы (барабаны) для циркуляции воды и пара. Дополнительно используются устройства, которые увеличивают эффективность работы системы (поднимают температуру пара, его давление, количество):

1. Пароперегреватель — повышает температуру пара выше +100ºC. Это в свою очередь повышает экономичность и КПД работы машины. Температура перегретого пара может достигать 500 ºC (так работают паровые котлы в атомных станциях). Пар дополнительно нагревается в трубах, в которые он поступает после испарения. При этом он может иметь собственную топочную камеру или быть встроен в общий паровой котёл. Конструктивно различают конвекционные и радиационные пароперегреватели. Радиационные конструкции нагревают пар в 2-3 раза сильнее, чем конвекционные.
2. Сепаратор пара — удаляет из пара влагу и делает его сухим. Этим увеличивается эффективность работы устройства, его КПД.
3. Паровой аккумулятор — устройство, которое отбирает из системы пар, когда его много, и добавляет его в систему, когда его недостаточно, мало.
4. Устройство для подготовки воды — снижает количество растворённого в воде кислорода (что предупреждает коррозию), убирает растворённые в воде минералы (химическими реагентами). Эти меры предупреждают засорение труб накипью, которая ухудшает теплоотдачу и формирует условия для прогорания труб.

Кроме того, есть клапаны для слива конденсата, воздухоподогреватели, и обязательно — система контроля и управления. В неё входят включатель и выключатель горения, автоматические регуляторы расхода воды, топлива.

Парогенератор: мощная паровая машина

Парогенератор — это паровой котёл, который снабжён несколькими дополнительными устройствами. В его конструкцию входят один или несколько промежуточных пароперегревателей, которые увеличивают мощность его работы в десятки раз. Где используются мощные паровые машины?

Главное применение парогенераторы нашли в атомных электростанциях. Здесь с помощью пара энергия распада атома преобразуется в электричество. Опишем два способа подогрева воды и образования пара в реакторе:

1. Вода омывает корпус реактора снаружи, при этом она нагревается сама и охлаждает реактор. Таким образом, образование пара происходит в отдельном контуре (вода нагревается о стенки реактора и передаёт тепло в испарительный контур). В такой конструкции используется парогенератор — он выполняет роль теплообменника.
2. Трубы для нагрева воды проходят внутри реактора. При подаче труб в реактор он становится топочной камерой, а пар передаётся непосредственно в электрогенератор. Такая конструкция получила название кипящего реактора. Здесь парогенератор не нужен.

Парогенератор для атомной электростанции

Промышленные паровые агрегаты — мощные машины, которые обеспечивают людей электричеством. Бытовые агрегаты — также работают на службе человека. Паровые котлы позволяют обогревать дом и выполнять различную работу, а также дают львиную долю электрической энергии для металлургических заводов. Паровые котлы — основа промышленности.