Паровий котел: пристрій, схема, принцип роботи

1. Що таке паровий котел?
2. Парові котли: сфера застосування
3. Принцип роботи парового котла
4. Пристрій парового котла
5. Класифікація парових котлів
6. Газо- і водотрубні котли: відмінності
7. Додаткові елементи агрегату
8. Парогенератор: потужна парова машина

Паровий котел - пристрій, який використовується в побуті і промисловості. Воно призначене для перетворення води в пару. Отриманий пар в подальшому застосовують для обігріву житла або обертання турбомашин. Які бувають парові машини і де вони найбільш затребувані?

Що таке паровий котел?

Паровий котел - агрегат для виробництва пари. При цьому пристрій може давати 2 види пара: насичений і перегрітий. Насичена пара має температуру 100ºC і тиск 100 кПа. Перегріта пара відрізняється підвищеною температурою (до 500ºC) і високим тиском (більше 26 МПа).

Примітка: Насичений пар використовують в опаленні приватних будинків, перегрітий - в промисловості та енергетиці. Він краще переносить тепло, тому використання перегрітої пари підвищує ККД роботи установки.

Де використовуються парові котли:

1. В опалювальній системі - пар є енергоносієм.
2. В енергетиці - використовуються промислові парові машини (парогенератори) для отримання електроенергії.
3. У промисловості - перегріта пара може бути використаний для перетворення в механічний рух і переміщення транспортних засобів.

Парові котли: сфера застосування

Побутові парові пристрої використовуються в якості джерела тепла для опалення будинку. Вони підігрівають ємність з водою і женуть пара, що утворилася в труби опалення. Часто таку систему облаштовують разом з вугільної стаціонарної піччю або котлом. Як правило, побутові прилади для опалення паром створюють тільки насичений, неперегретий пар.

Для промислового застосування пар перегрівають. Його продовжують гріти після випаровування, щоб ще більше підняти температуру. Такі установки вимагають якісного виконання, щоб попередити вибух парової ємності.

Паровий котел

Перегріта пара з котла може витрачатися на освіту електрики або механічний рух. Як це відбувається? Після випаровування пар потрапляє в парову турбіну. Тут потік пара обертає вал. Це обертання в подальшому переробляється в електрику. Так отримують електричну енергію в турбінах електростанцій - при обертанні вала турбомашин утворюється електричний струм.

Крім освіти електричного струму, обертання валу може передаватися безпосередньо на двигун і на колеса. В результаті чого парової транспорт приходить в рух. Відомий приклад парової машини - паровоз. У ньому при спалюванні вугілля нагрівалася вода, утворювався насичений пар, який обертав вал двигуна і колеса.

Принцип роботи парового котла

Джерелом тепла для нагріву води в паровому котлі може бути будь-який вид енергії: сонячна, геотермальна, електрична, тепло від згоряння твердого палива або газу. Пара, що утворюється є теплоносієм, він переносить тепло згоряння палива до місця його застосування.

У різних конструкціях парових котлів використовується загальна схема підігріву води і її перетворення в пар:

• Вода очищається і подається в резервуар за допомогою електронасоса. Як правило, резервуар розташований у верхній частині котла.
• З резервуара по трубах вода стікає вниз в колектор.
• З колектора вода піднімається знову вгору через зону нагріву (горіння палива).
• Усередині водної труби утворюється пара, який під дією різниці тисків між рідиною і газом піднімається вгору.
• Вгорі пар проходить через сепаратор. Тут він відділяється від води, залишки якої повертаються в резервуар. Далі пар надходить в паропровід.
• Якщо це не простий паровий котел, а парогенератор, то його труби вдруге проходять через зону горіння і нагрівання.

Пристрій парового котла

Паровий котел являє собою ємність, всередині якої нагріта вода випаровується і утворює пар. Як правило - це труба різного розміру.

Крім труби з водою, в котлах є топкова камера (в ній згорає паливо). Конструкція топки визначається видом палива, для якого сконструйований казан. Якщо це твердий вугілля, дрова, то внизу камери згоряння є колосникові грати. На ній мають у своєму розпорядженні вугілля і дрова. Знизу через колосники в топку проходить повітря. Для ефективної тяги (руху повітря і горіння палива) у верхній частині топки влаштовують димохід .

Пристрій парового котла Ici Caldaie

Якщо енергоносій - рідкий або газоподібний (мазут, газ), то в топку вводять пальник. Для руху повітря також роблять вхід і вихід (колосникові грати і димар).

Гарячий газ від згоряння палива піднімається до ємності з водою. Він нагріває воду і виходить через димохід. Нагріта до температури кипіння вода починає випаровуватися. Пара піднімається вгору і надходить в труби. Так відбувається природна циркуляція пара в системі.

Класифікація парових котлів

Парові котли класифікують за кількома ознаками. По виду палива, на якому вони працюють:

• газові;
• вугільні;
• мазутні;
• електричні.

За призначенням:

• побутові;
• промислові;
• енергетичні;
• утилізаційні.

За конструктивними особливостями:

• газотрубні;
• водотрубні.

Давайте розглянемо, чим відрізняється конструкція газотрубних і водотрубних машин.

Газо- і водотрубні котли: відмінності

Ємність для утворення пари часто є трубою або кілька труб. Воду в трубах обігрівають гарячі гази, що утворюються при згорянні палива. Пристрої, в яких гази піднімаються до труб з водою, називають Газотрубна котлами. Схема Газотрубна агрегату приведена на малюнку.

Схема Газотрубна котла: 1 підведення палива і води, 2 - топкова камера, 3 і 4 - димогарниє труби з гарячим газом, який виходить далі через димохід (позиції 13 і 14 - димохід), 5 - решітка між трубами, 6 - вхід води , вихід позначений цифрою 11 - її вихід, крім того на виході є пристрій для вимірювання кількості води (позначено цифрою 12), 7 - вихід пара, зона його освіти позначено цифрою 10, 8 - сепаратор пара, 9 - зовнішня поверхня ємності, в якій циркулює вода.

Є інші конструкції, в яких газ рухається по трубі всередині ємності з водою. У таких пристроях водні ємності називають барабанами, а самі пристрої - водотрубними паровими котлами. Залежно від розташування барабанів з водою, водотрубні котли класифікують на горизонтальні, вертикальні, радіальні, а також комбінації різних напрямків труб. Схема руху води по котли водотрубні приведена на малюнку.

Схема водотрубний котла: 1 підведення палива, 2 - топка, 3 - труби для руху води; напрямок її руху позначений цифрами 5,6 і 7, місце входу води - 13, місце виходу води - 11 і місце зливу - 12, 4 - зона, де вода починає перетворюватися в пар, 19 - зона, де є і пар, і вода , 18 - зона пара, 8 - перегородки, які направляють рух води, 9 - димохід і 10 - димова труба, 14 - вихід пара через сепаратор 15, 16 - зовнішня поверхня ємності для води (барабан).

Газо- і водотрубні котли: порівняння

Для порівняння газо- і водотрубних котлів наведемо деякі факти:

1. Розмір труб для води і пара: у газотрубних котлів труби - більше, у водотрубних - менше.
2. Потужність Газотрубна котла обмежена тиском 1 МПа, і теплотворної здатністю - до 360 кВт. Це пов'язано з великим розміром труб. У них може утворюватися значна кількість пара і високий тиск. Збільшення тиску і кількості утвореної теплоти вимагає значного потовщення стінок. Ціна такого котла з товстими стінками буде невиправдано висока, економічно не вигідна.
3. Потужність водотрубний котла - вище, ніж Газотрубна. Тут використовуються труби невеликого діаметру. Тому тиск і температура пари можуть бути більше, ніж в газотрубних агрегатах.

Примітка: Водотрубні котли безпечніше, могутніше, виробляють високу температуру і допускають значні перевантаження. Це дає їм перевагу перед Газотрубна агрегатами.

Додаткові елементи агрегату

У конструкцію парового котла можуть входити не тільки топкова камера і труби (барабани) для циркуляції води і пари. Додатково використовуються пристрої, які збільшують ефективність роботи системи (піднімають температуру пара, його тиск, кількість):

1. Пароперегрівач - підвищує температуру пара вище + 100ºC. Це в свою чергу підвищує економічність і ККД роботи машини. Температура перегрітої пари може досягати 500 ºC (так працюють парові котли в атомних станціях). Пар додатково нагрівається в трубах, в які він вступає після випаровування. При цьому він може мати власну топку або бути вбудований в загальний паровий котел. Конструктивно розрізняють конвекційні і радіаційні пароперегрівачі. Радіаційні конструкції нагрівають пар в 2-3 рази сильніше, ніж конвекційні.
2. Сепаратор пара - видаляє з пара вологу і робить його сухим. Цим збільшується ефективність роботи пристрою, його ККД.
3. Паровий акумулятор - пристрій, який відбирає з системи пар, коли його багато, і додає його в систему, коли його недостатньо, мало.
4. Пристрій для підготовки води - знижує кількість розчиненого у воді кисню (що попереджає корозію), прибирає розчинені у воді мінерали (хімічними реагентами). Ці заходи попереджають засмічення труб накипом, яка погіршує тепловіддачу і формує умови для прогорання труб.

Крім того, є клапани для зливу конденсату, підігрівачі повітря, і обов'язково - система контролю і управління. У неї входять вмикач і вимикач горіння, автоматичні регулятори витрати води, палива.

Парогенератор: потужна парова машина

Парогенератор - це паровий котел, який забезпечений декількома додатковими пристроями. У його конструкцію входять один або кілька проміжних пароперегрівачів, які збільшують потужність його роботи в десятки разів. Де використовуються потужні парові машини?

Головне застосування парогенератори знайшли в атомних електростанціях. Тут за допомогою пара енергія розпаду атома перетворюється в електрику. Наведемо два способи підігріву води і утворення пари в реакторі:

1. Вода омиває корпус реактора зовні, при цьому вона нагрівається сама і охолоджує реактор. Таким чином, утворення пари відбувається в окремому контурі (вода нагрівається об стінки реактора і передає тепло в випарний контур). У такій конструкції використовується парогенератор - він виконує роль теплообмінника.
2. Труби для нагріву води проходять всередині реактора. При подачі труб в реактор він стає топкової камерою, а пар передається безпосередньо в електрогенератор. Така конструкція отримала назву киплячого реактора. Тут парогенератор не потрібен.

Парогенератор для атомної електростанції

Промислові парові агрегати - потужні машини, які забезпечують людей електрикою. Побутові агрегати - також працюють на службі людини. Парові котли дозволяють обігрівати будинок і виконувати різну роботу, а також дають левову частку електричної енергії для металургійних заводів. Парові котли - основа промисловості.