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.

В чем заключается принцип работы паровых котлов

Паровые котлы являются специализированным оборудование для производства пара из жидкостей, в основном из воды. Пар применяется в различных сферах производства, энергетике и в отопительных системах, например для отопления промышленных зданий, учреждений, находящихся в тяжелых климатических условиях. Использование пара оправдано при дезинфекционных мероприятиях в медицинских учреждениях. В зависимости от поставленных задач, существуют промышленные парогенераторные установки, и котлы, предназначенные для бытовых задач. Эти агрегаты могут работать на различных источниках тепловой энергии. Существуют устройства, которые генерируют пар при помощи утилизации излишков тепла, полученного от крупных промышленных установок. Выбор необходимого парогенераторного оборудования должен происходить на основе знаний принципов работы данных устройств и их классификации.

Содержание

Паровой котел, для чего он нужен?

Паровые котлы, в зависимости от назначения применяются в определенных областях, где использование пара необходимо для соблюдения технологического цикла производства или в некоторых проектах отопительных систем.

Устройство парового котла

Оборудование, генерирующее пар подразделяется на следующие виды:

• паровые котлы энергетического назначения (используются на электростанциях, для привода турбин, генерирующих электроэнергию);
• паровые котлы промышленного типа (выработка пара для осуществления технологических операций в производстве);
• паровое котельное оборудование, предназначенное для отопления, прачечных, эксплуатации дезинфекционных установок;
• утилизационные котлы, производящие пар при помощи отбора тепла у перегретых дымовых газов, образующихся в результате производства в металлургии и химической промышленности.

Паровой котел промышленного типа

В энергетике используются самые мощные устройства, вырабатывающие до 5000 т пара в час при давлении около 280 кгс/см2. Пар получают перегретым до температуры 500 С , после чего он поступает в турбинные агрегаты, где происходит превращение тепловой энергии в механическую.

В некоторых учреждениях выгодно эксплуатировать паровой котел, который обеспечивает отопление здания и служит для подачи пара в прачечные. Иногда паровые генераторы устанавливают там, где возможна утилизация высокотемпературных газов, данное решение позволяет экономить существенные суммы в отопительный период.

Паровые котлы и принцип работы имеют значительные отличия от водогрейных систем. Работа парообразующих агрегатов основана на нагреве воды и последующего ее превращения в пар. Нагрев ведется при помощи выделения тепла от сжигания горючих материалов, чаще всего используется природный газ или уголь. Выдача пара котлом всегда происходит под избыточным давлением и в зависимости от назначения его величина колеблется в широких пределах и может меняться от1 кгс/см2 до нескольких сотен кгс/см2.

Схема работы парового котла

Как разобраться, какая лучше чугунная печь камин длительного горения? Все можно тут.

Современное оборудование более безопасно, по причине применения таких схем конструкции котла, при которых образование пара происходит в малых объемах, но с высокой скоростью, то есть не происходит аккумуляция значительных масс парообразного состояния воды. Тем не менее, безопасность паровых установок зависит от контроля параметров давления и температуры и от уровня автоматики, осуществляющей сброс излишков пара и отключения нагрева в случае аварийной ситуации.

Различия и виды парового оборудования

Несмотря на то, что принцип действия всех котлов основан на передаче теплоты сгорания горючих веществ воде для ее перехода в парообразное состояние, конструктивный подход в парогенерирующих агрегатах разный.

Основные виды оборудования:

• с газотрубным методом получения пара;
• с водотрубным методом.

Газотрубные котлы предусматривают получение пара следующим способом. В цилиндрический корпус котла встроены трубы, в которых происходит горение или проходят разогретые дымовые газы. От этих труб происходит передача тепла воде, которая затем превращается в пар. Эти агрегаты подразделяются на котлы с жаровыми или дымогарными трубами. Жаровой тип предполагает процесс сгорания топлива непосредственно в самой трубе, для этого на входе в нее устанавливается горелка с наддувом, которая позволяет равномерно сгорать топливу по всей длине трубы. В дымогарных трубах, горения не происходит, а теплота воде передается за счет подачи в них разогретого газа (продуктов сгорания). То есть теоретически происходит процесс утилизации избыточного тепла продуктов сгорания. Процесс испарения происходит в верхней части цилиндра и накопленный пар постепенно сбрасывается в магистраль через перепускной клапан, рассчитанный под требуемое давление.

Котел с газотрубным методом получения пара

В газотрубных котлах происходит образование пара непосредственно в самом корпусе устройства, из-за этого емкость котла является накопителем большой массы пара под избыточным давлением. Этот факт ограничивает мощностные характеристики агрегатов, так как в случае генерации пара под высоким давлением возможен разрыв сосуда агрегата и мгновенное высвобождение большой массы парообразного вещества. Мощность газотрубных котлов ограничена и составляет приблизительно 400 кВт, рабочее давление не выше 10 кгс/см2.

Водотрубные парогенераторы имеют противоположный принцип работы. В них теплота сгорания топлива передается трубам, к которых находится вода, вследствие чего происходит закипание и переход ее в парообразное состояние. Расположение кипятильных труб и способ циркуляции воды по ним зависит от конструктивных особенностей.

Наиболее распространенные схемы водотрубных генераторов пара:

Барабанная схема

Барабанные устройства бывают горизонтальными или вертикальными, состоят из топки, сверху которой расположены обвязки из труб, выходящие в барабан, накапливающий готовый пар. Теплота сгорания топлива передается трубам, в них образуется насыщенный пар, в барабане происходит отделение неиспарившейся воды, которая возвращается обратно в трубы. Прогон жидкости по ним может происходить до 30 раз и зависит от типа агрегатов. Котлы с естественной циркуляцией воды работают по принципу поднятия разогретых водных слоев и считаются менее производительными. В циркуляционных водотрубных генераторах количество прогонов сокращается и повышается выход готового пара, при этом требуется большее количество топлива для обеспечения скорости парообразования. Исполнение котлов может быть горизонтальное или вертикальное. В горизонтальных конструкциях используется один барабан для приема пара, а в вертикальных решениях допускается несколько барабанов.

Барабанный котел с водотрубным методом получения пара

Современные конструкции предусматривают установку радиационных экранов в топке, позволяющих отбирать лучистый тип энергии при сгорании и дополнительно производить пар. Геометрическое расположение труб в кожухе котла напрямую влияет на скорость нагрева и парообразования, при этом происходит экономия топлива.

Для того чтобы производить перегретый пар с нужной температурой, устанавливается пароперегреватель. Его конструкция напоминает пучковое соединение труб, только в них подается насыщенный пар, а на выходе он выходит в перегретом состоянии. Нагрев ведется также дымовыми газами.

Прямоточная схема

Комплексная парогенерирующая установка содержит специальный сепаратор, задача которого состоит в удалении жидкой составляющей парообразной смеси. Это критично для потребителей, требующих подачу сухого пара. Содержание жидкой фазы воды ухудшает теплоотдачу и может привести к конденсационным эффектам в узлах магистрали, в результате возникает риск гидроудара в системе.

Схема прямоточного котла с водотрубным методом получения пара

Водотрубные котлы, в отличие от газотрубных нуждаются в тщательной водоподготовке, так как при парообразовании может происходить отложение солей на внутренней поверхности труб. Это приводит к снижению производительности или к аварийным ситуациям из-за прогара. Водоподготовка включает удаление растворенного кислорода и смягчение воды специальными химическими веществами. При эксплуатации котла в замкнутом контуре, например в отопительной системе, водоподготовка проводится один раз. Если предусматривается постоянный забор готового пара, то подпитка ведется только подготовленной водой.

Топливом для паровых котлов может служить:

• природный газ;
• уголь;
• дизельное топливо;
• электроэнергия;
• мазут;
• атомная энергия.

Паровые котлы с низкой производительностью, применяемые для отопления различных площадей, чаще всего используют природный газ, уголь или дизельное топливо.

Для каких помещений подходит паровое отопление?

Паровое отопление применяется в определенных случаях, в основном, когда целесообразно утилизировать энергию дымовых газов от какого-либо производства. Как правило, чаще всего отапливаются производственные площади (цеха, мастерские, подсобные помещения, гаражи).

Паровые котлы, работающие на угле, газе или дизельном топливе устанавливают в тех помещениях, в которых нужно установить определенную температуру за короткий период времени. Объясняется это малой инерционностью паровых систем и большой отдачей тепловой энергии. Пар, кроме передачи своего тепла, передает скрытый тип тепловой энергии во время своей конденсации, которая была получена в процессе испарения. То есть тепловая энергия передается не только за счет охлаждения массы пара, но и за счет его конденсации.

Для каких целей, какие нормы и прочее можно узнать в статье печь буржуйка для гаража.

Схема парового отопления дома

Достоинства парового отопления:

• можно применять радиаторы меньшей площади, за счет большой ∆t;
• быстрое достижение требуемой температуры в помещении;
• малый объем сконденсированной воды на возвратном трубопроводе, позволяет применять трубы небольшого диаметра;
• возможность сократить расходы на отопление при возможности утилизации дымовых газов в парогенераторе.

Недостатки:

• невозможность регулировки температуры радиаторов;
• вероятность ожога при прикосновении к элементам отопительной системы (температура 120-130 С);
• высокий уровень шума работы паровых котлов;
• потери тепла в магистралях.
• Паровые котлы, спецификации по их эксплуатации, должны подбираться в зависимости от поставленных задач и финансовой целесообразности их использования.

Котел паровой, цена зависит от объема

Парогенерирующее оборудование, специфично и кроме промышленного и энергетического применения может использоваться в качестве альтернативы водяному отоплению в нежилых помещениях при проектных требованиях данной системы.

Принцип работы парового котла (видео)

В данном видео вы узнаете как происходит процесс работы парового котла