Устройство и принцип работы котлов парового типа

Устройство и принцип работы

Жаротрубные водогрейные котлы работают по принципу передачи тепловой энергии от сгораемого топлива теплоносителю, циркулирующему в теплообменниках. При этом для парообразования достаточно температуры до +1150С и рабочего давления до 0,7 кгс/см2. Средняя мощность теплового потока составляет 1,3 МВт/м3.

Сгорание топлива происходит в топочной, которая со всех сторон, кроме лицевой, охлаждается водяной рубашкой. Для выхода дыма установлен пучок труб, которые позволяют его вывести за пределы котла. В качестве топлива может использоваться газ, дрова, уголь, мазут, дизель.

При нагреве воды часть объёма переходит в пар, который скапливается в верхней части ёмкости в специальной камере, подключённого к отопительной системе.

Благодаря простому принципу работы жаротрубного котла он имеет относительно простую конструкцию. Корпус может иметь практически любую форму, но большинство производителей изготавливают его в основном в виде цилиндров. В торцевой части расположена топочная, а с противоположной стороны – система отвода дыма. Воздух для поддержания горения нагнетается при помощи электровентилятора, расположенного фронтально.

Над топочной камерой расположены по периметру теплообменники, которые заполнены теплоносителем и имеют плотный контакт с дымоотводом. Они выполнены в виде горизонтальных трубок небольшого сечения для увеличения эффективности нагрева воды.

Трёхходовой жаротрубный котёл ТТ-100

Наибольшее распространение получил трёхходовой жаротрубный котёл, отличие которого от описанной конструкции (одноходовой) состоит в наличии трёх ходов для отвода дыма, расположенных над топочной. Первым ходом является сама камера сгорания, вторым и третьим – ходы, расположенные сверху друг над другом. Тяга в каналах обеспечивается при помощи вентилятора и/или за счёт естественных воздушных потоков через вентиляционные отверстия или колосники.

Трёхходовой жаротрубный котёл позволяет понизить температуру нагретого дымового газа с +10000С до +2500С, то есть основная часть тепла будет передана теплоносителю. По этой причине уровень воды весьма нестабилен и его достаточно сложно контролировать. Поэтому в устройстве используется сепаратор, отделяющий воду от пара, в результате чего капли не попадают в отопительный коллектор.

Для улучшения эксплуатационных характеристик и автоматизации процесса нагрева теплоносителя производители устанавливают следующие узлы:

• воздухоотводы;
• манометр, показывающий давление пара;
• термометр для индикации температуры нагрева;
• блок управления нагревом;
• датчики давления теплоносителя;
• система защиты от перегревов и аварийных режимов работы.

Принцип работы газового двухконтурного котла

Газовые котлы для отопления дома, напольные двухконтурные, являются идеальным решением для организации горячего водоснабжения и отопления. Они построены так, что объединяют в себе сразу два устройства – это газовый котел и газовый проточный водонагреватель. Для того чтобы обеспечить нагрев горячей воды и теплоносителя, оборудование оснащается совмещенными или раздельными теплообменниками. Нагревает жидкости самая обычная газовая горелка.

Устройство газового двухконтурного котла отопления с двумя теплообменниками.

Двухконтурные напольные газовые котлы состоят из следующих элементов:

• Горелка – обеспечивает нагрев воды и теплоносителя;
• Один или два теплообменника – в них циркулируют вышеуказанные жидкости;
• Циркуляционный насос – обеспечивает принудительную циркуляцию теплоносителя по отопительной системе;
• Трехходовой клапан – переключает двухконтурный напольный газовый котел из работы в режиме отопления в режим подготовки горячей воды (и обратно);
• Камера сгорания – здесь горит газ, вырабатываемое тепло передается в теплообменник.

Также в конструкции присутствуют многие другие узлы – это электронные датчики, система розжига, предохранительные клапаны, спускники воздуха и многое другое.

Обратите внимание, что горячая вода и теплоноситель в напольных двухконтурных газовых котлах никогда не смешиваются – они находятся в разных контурах.

Схемы работы двухконтурных котлов. При повороте крана ГВС контур отопления отключается.

Принцип работы таких котлов, несмотря на пугающую изобилием модулей конструкцию, достаточно прост. Газовая горелка нагревает теплоноситель, который циркулирует по отопительной системе, передавая ей тепло. Как только температура жидкости достигнет заданного предела, оборудование перейдет в режим ожидания – пламя потухнет, автоматика продолжит внимательно отслеживать температуру в системе.

Как только температурные датчики зафиксируют падение температуры, в горелку подастся газ, а система розжига выполнит его поджигание. Так происходит неограниченное число раз – в зависимости от выставленной температуры. Причем существует два типа контроля:

• По температуре теплоносителя;
• По температуре воздуха в помещениях.

В последнем случае можно задать в двухконтурном напольном газовом котле определенную температуру воздуха, а оборудование будет своими силами поддерживать заданный параметр.

В некоторых котлах присутствует погодозависимая автоматика, контролирующая параметры атмосферы за пределами помещения – для этого за пределами дома устанавливаются температурные датчики.

Когда мы открываем кран с горячей водой в ванной комнате или на кухне, умная электроника напольных двухконтурных газовых котлов фиксирует ток воды – срабатывает трехходовой клапан, в результате чего часть теплоносителя начинает циркулировать через вторичный теплообменник, нагревая проходящую сквозь нее водопроводную воду. Отсюда она отправляется к точкам водоразбора.

Благодаря электронной модуляции пламени, температура воды в контуре ГВС остается стабильной, независимо от напора в водопроводе, количества открытых кранов и давления в газовой трубе

Обратите внимание, что в период работы контура ГВС, отопление остается отключенным – приоритет устанавливается за горячим водоснабжением (по такому принципу работают все двухконтурные напольные котлы)

Как только мы закрываем кран, трехходовой клапан автоматически переключает оборудование в режим работы контура отопления. Если теплоноситель уже успел остыть, горелка продолжает свое дело, вырабатывая тепло для отопительной системы. Если с температурой все нормально, оборудование переходит в режим ожидания.

Многие двухконтурные газовые котлы не являются энергонезависимыми – для работы автоматики, циркуляционного насоса и трехходового клапана необходима электроэнергия. Исключение составляют агрегаты с механическим управлением.

Разновидности твердотопливных котлов

Принцип действия твердотопливных котлов позволяет им быть частью различных современных схем. Речь идет как о самых простых одноконтурных приборах, так и о мощнейших многофункциональных агрегатах с высокой производительностью. Существует несколько способов классификации твердотопливного оборудования.

По материалу изготовления:

Из стали. Стоимость на стальные приборы ниже, чем на чугунные. К тому же они более просты в обслуживании: чистка проходит без особых проблем. Из недостатков можно выделить чувствительность моделей к температуре в обратной трубе: она должна быть не менее +60 градусов. Это предусматривает использование специальных клапанов для поддерживания необходимого температурного режима путем подмешивания в обратку горячей воды из подающей трубы.

Из чугуна. Отличаются более высокой долговечностью, однако требуют сложный уход. Использование чугунных твердотопливных котлов рекомендуется в случае их непрерывного использования. Приобретение сверхнадежного чугунного агрегата только для аварийных случаев является непрактичным решением. С подобными задачами в состоянии справиться более дешевые стальные модели.

Классификация[ | ]

По назначению:

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы — теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы
• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественнойruen и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

По типу топочных устройств паровой котел подразделяется на:

• Слоевые топки с плотным слоем
• с кипящим слоем

Камерные топки

• факельные прямоточные

циклонные.

По виду сжигаемого топлива подразделяются на:

• Паровые котлы, работающие на газообразном топливе.
• Паровые котлы, работающие на твердом топливе.
• Паровые котлы, работающие на жидком топливе (мазуте или солярке).
• Паровые котлы, работающие на электрической энергии.

Следует отметить, что котлы с камерной конструкцией топки работают на пылевидном топливе, в то время как со слоевой конструкцией сжигают твердое топливо.

Обозначения

Согласно ГОСТ 3619-89, стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Тип-D-P-T-FOН

Тип

• Пр — с принудительной циркуляцией (вода из барабана подаётся в испарительные поверхности специальными насосами);
• Прп — с принудительной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• Е — с естественной циркуляцией (под действием разности плотностей воды и пара);
• Eп — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• П — прямоточные;
• Пп — прямоточные с промежуточным перегревом пара;
• К — с комбинированной циркуляцией (в одних поверхностях естественная, в других принудительная);
• Кп — с комбинированной циркуляцией и промежуточным перегревом пара.

D Паропроизводительность котла, /. P Давление на выходе из котла, МПа (ранее часто указывалось в кгс/см²) T Температура на выходе из котла, (для котлов, генерирующих насыщенный пар, не указывается). Если температура после промперегрева отличается от температуры первичного пара, она указывается через дробь. F Вид топлива (если топка не слоевая):

• К — каменный уголь и полуантрацит (тощий уголь);
• А — антрацит, антрацитовый штыб (шлам);
• Б — бурый уголь, лигниты;
• С — сланцы;
• М — мазут;
• Г — природный газ;
• О — отходы, мусор;
• Д — другие виды топлива.

O Тип топки (для газомазутных не указывают, кроме «В»):

• Т — камерная топка с твердым шлакоудалением;
• Ж — камерная топка с жидким шлакоудалением;
• Р — слоевая топка (решетка);
• В — вихревая топка;
• Ц — циклонная топка;
• Ф — топка с кипящим (флюидизированным) слоем (стационарным и циркулирующим);
• И — иные виды топок, в том числе двухзонные.

Н «Н», если котёл под наддувом. Параметры котла по возможности подбираются по стандартному ряду. После обозначения по ГОСТ может писаться в скобках заводская марка, например, Е-75-3,9-440БТ (БКЗ-75-39ФБ).

СОВРЕМЕННЫЕ БЛОЧНО-ТРАНСПОРТИРУЕМЫЕ КОТЛЫ

Во время Второй мировой войны возник огромный спрос на мощные, компактные модульные парогенераторы, простые в эксплуатации и техническом обслуживании, для использования вооруженными силами на суше и на море. Дальнейшее развитие в этом направлении привело к созданию компактных блочно-транспортируемых автоматизированных агрегатов, полностью оборудованных всей контрольно-измерительной аппаратурой и готовых к пуску сразу же, как только после доставки на место к ним будут подключены вода, электроэнергия, топливоподводы и дымоходы. В настоящее время промышленность выпускает такие модули тепловой мощностью до нескольких тысяч киловатт с рабочим давлением до 9 МПа. Они поставляются полностью собранными на опорной раме или плите из конструкционной стали с равномерным распределением веса и допускают стационарную установку на обычном промышленном полу или на постаменте.

Управление.

В систему управления парового котла входят устройства для включения и выключения горения топлива, задания и регулирования расходов топлива, воздуха и воды, для сбора и обработки данных обратной связи от турбин и устройств, управляющих производительностью котла. В прошлом многие из этих функций выполнялись вручную. Позднее для реализации некоторых из них были применены электронные схемы, сначала на электровакуумных, а затем на полупроводниковых приборах. Современная компьютерная техника произвела переворот в управлении паровыми котлами, как и многими другими системами. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ТРАНЗИСТОР.

Как правильно рассчитать паровую систему

Остановив свой выбор на паровой системе, предстоит составить проект ее расположения в здании и выполнить предварительные вычисления.

Есть два варианта:

• произвести расчет основных компонентов парового отопления своими силами;
• обратиться за помощью к профессионалу – проектировщику.

Второй способ решения этого вопроса наиболее предпочтительный. Ведь только специалист, имея за плечами не один, удачно реализованный, проект по обустройству отопительной системы, способен учесть все пожелания владельца, не забыв о нормативных требованиях.

Если нет возможности и желания обращаться к проектировщику, можно приступить к самостоятельному расчету системы отопления паром. Можно использовать нормативы и полезные рекомендации из специальной литературы, например, из справочника проектировщика.

Для расчета предстоит взять план своего дома и посчитать площадь, которую требуется отопить. Затем обозначить места расположения радиаторов отопления.

При паровом отоплении часто используют вместо батареи регистры, выполненные из оцинкованных или оребренных труб. Они могут иметь дизайнерское оформление

Радиаторы подбирают в зависимости от требуемой мощности

Причем, важно учитывать технические характеристики понравившегося прибора – он должен выдерживать нагрузку при работе с паром

Чугунные радиаторы лучше не использовать в устройстве парового отопления редко посещаемой дачи. Постояв холодными длительное время, они могут не справиться с резким нагревом и лопнуть

Сравнительный обзор разных радиаторов отопления и рекомендации по их выбору приведены в этой статье.

Рассчитывать длину паро- и трубопровода для конденсата лучше всего, находясь в самом помещении. Так удобнее планировать высоту их прокладки и места установки радиаторов, если они понадобятся.

Для парового отопления можно использовать металлические трубы из оцинкованной стали или меди

Подсчитав нужное количество погонных метров трубы, не стоит забывать о паровой арматуре – вентилях, тройниках, при необходимости – конденсатоотводчиках, насосе.

Для определения мощности парового котла потребуется вычислить объем всех отапливаемых помещений и умножить эту цифру на показатель требуемого количества энергии для обогрева 1 м3. Этот показатель зависит от региона проживания. Так, для европейской части показатель составляет 40 Вт.

Можно подсчитать мощность котла для 3-х комнатного дома с высотой потолков 2,6 м.

Сначала надо вычислить площадь отдельных помещений:

• 1-я комната: 5*2,95=14,75 м2;
• 2-я комната: 3*2,45=7,35 м2;
• 3-я комната: 2*5,4=10,8 м2.

Затем предстоит вычислить объем всего дома: 14,75*2,6+7,35*2,6+10,8*2,6= 38,09+19,11+28,08= 57,02 м3.

Теперь полученный объем надо  умножить на потребности в тепле: 57,02*40 Вт=2288 Вт. К полученному значению надо добавить запас мощности не менее 20%: 2288*1,2=2745,6 Вт или около 3 кВт.

Второй вариант определения мощности – по площади. Условно принимается, что для отопления каждых 10 м2 требуется 1 кВт мощности котла + 30% запаса, если высота потолков не превышает допустимый уровень до 2,7 м.

Использовать для парового отопления можно только сертифицированный агрегат. Брать самопальный котел весьма опасно – можно серьезно пострадать при его взрыве

Выбирать паровой котел следует от проверенного производителя. Агрегат должен иметь сертификат качества и гарантию завода, его выпустившего. Паровой котел обязательно оснащают предохранительным клапаном. Также, потребуются приборы контроля температуры и давления и редуктор для нормализации давления, если это потребуется.

Принцип действия барабанного котла

Уяснить принцип работы барабанного котла, позволит детальное рассмотрение всех процессов, проходящих в ходе генерирования низкотемпературного пара. Основным питающим компонентом служит вода, поступающая в экономайзер, а если устройство конкретной модификации не предусматривает его наличия, то в питательный трубопровод. Оттуда жидкость перемещается в барабан, в котором происходит её смешивание с заполняющей его водой. Верхний сегмент объёма наполняется паром, а нижняя часть используется с целью аккумуляции воды. Разделяющая их поверхность получила название зеркала испарения.

Рис. 3 Принцип действия барабанного котла

Именно подобное устройство позволяет добиться быстрого опускания смеси котловой и барабанной жидкости по необогреваемым трубам в распределительный коллектор, а затем и в топочные экраны, выполняющие функцию испарительной поверхности.

Подобный принцип работы выражается в следующем:

• вода, движущаяся вверх по трубам, перенимает тепло, передаваемое продуктами сгорания, например, топочным газом;
• нагреваясь до необходимого уровня жидкость частично испаряется;
• находящаяся в обогреваемых трубах смесь воды и пара, снова направляется в барабан;
• происходит разделение смеси на исходные компоненты.

Устройство барабана, предполагает разделение внутреннего объёма, посредством зеркала испарения. Находящийся в паровом объёме носитель перенаправляется к пароперегревателю, по трубам, находящимся в верхнем сегменте барабана. Оставшийся в водяном объёме носитель, смешивается с питательной водой, которая перенаправляется из экономайзера, после чего снова циркулирует в опускные трубы.

Универсальное устройство барабана котла, обеспечивает эффективный принцип работы. Определяющее значение имеет уровень жидкости в барабане, колеблющийся между верхним и нижним положением. Нижний уровень формируется за счёт непрерывного поступления жидкости, доставляемой в опускные трубы. Верхний уровень поддерживается благодаря препятствованию проникновения воды во внутреннее пространство пароперегревателя. Работа по подобной схеме, обеспечивает функционирование барабанного котла в течение определённого времени без дополнительных поступлений питающего носителя.

Вода, поступающая парообразующие трубы в течение одного прохода не испаряется полностью. Удаётся добиться преобразования 25% жидкости в пар.

Благодаря работе по указанной схеме, удаётся добиться следующих преимуществ:

• охлаждение подъёмных металлических труб;
• исключение накопления солей;
• непрерывное устранение некоторого объёма котловой жидкости;
• возможность использования питающей воды, содержащей большое количество солей.

Продувка водоуказательных стекол парового котла

Продувку проводят с открытыми кранами, а продувочный остается зафиксированным в закрытом положении.

Работа производится в несколько последовательных этапов:

• при открытом продувочном – продувка водой и паром;
• при закрытом водяном – продуваем паром;
• при открытом водяном – продувка водой и паром;
• при закрытом паровом – продуваем водой;
• при открытом паровом – продувка водой и паром;
• после закрытия продувочного крана ждем, когда вода поднимется до необходимого уровня и появятся ее незначительных колебаний.

Сохраняя правильную очередность процедуры, стекло будет поддерживаться в состоянии высокой температуры, что обеспечит его цельность. Продувка водоуказательных стекол проводится 1-2 раза в неделю или чаще в зависимости от среды и условий эксплуатации.

Загрязнения водяных и паровых кранов влияет на расположение и колебание воды. Он фиксируется в одном положении при загрязнении водяного и поднимается выше положенного, если загрязнен паровой кран.

Часто встречающиеся проблемы, с которыми можно столкнуться:

• испарение воды или пара через устройство;
• появление сколов и трещин;
• потеря обзора из-за недостаточной очистки;
• прикипание кранов;
• образование стеклянной крошки на элементах из-за длительной эксплуатации и др.

Следует соблюдать правила продувки, не создавать условий, включающие излишнее охлаждение или сквозняки рядом с водоуказательными колонками. Необходимо учитывать, что показания, которые фиксирует водомерная колонка совпадают с действительным уровнем сразу после прочистки котла и точность данных теряется спустя время.

Задачи парового котла

У конструкции существует множество назначений и всех можно распределить по отдельным отраслям:

Энергетика. Чаще всего на электростанциях. Именно там парогенератор должен выделять электрическую энергию, которая преобразуется из горячего пара. За счёт вращения встроенного вала собственно и вырабатывается способность.

Отопительная система. Кроме выработки, прибор может являться в качестве носителя энергии. Только в этот раз пар движется специально через отопительные контуры. Поэтому возникает возможность отапливать помещение теплоэнергией. В отличие от подобных технологий, которые также имеют функцию нагрева пространства, этот может наполнять теплом даже объекты с большим масштабом. Однако стоит использовать более мощные приборы.

И последняя область в применении — промышленность. Преобразование в механическую энергию из тепловой. Они могут и обеспечивать движение самых разных компонентов системы.