Парові котли: принцип дії та пристрій

Паровим котлом називають пристрій для перетворення води на пар, що використовується як у побуті, так і в промисловості. Пар застосовується для обігріву приміщень, апаратів і трубопроводів, а також для обертання турбомашин. Давайте докладніше дізнаємося, що собою являють парові котли. Принцип роботи, влаштування, класифікація, сфера застосування та багато іншого — все це буде розглянуто нижче.

Визначення

Як ви вже зрозуміли, паровий котел є агрегатом, що виробляє пар. При цьому котли такого типу можуть давати пар двох видів: насичений і перегрітий. У першому випадку температура його становить близько 100 градусів, а тиск — близько 100 кПа. Температура перегрітого пара піднімається до 500 градусів, а тиск — до 26 МПа. Насичений пар використовують в побутових цілях, в основному для обігріву приватних будинків. Перегрітий пар знайшов застосування в промисловості та енергетиці. Він добре переносить тепло, тому його використання значною мірою підвищує ККД установки.

Сфера застосування

Виділяють три основні області застосування парових котлів:

1. Опалювальні системи. Пар виступає в ролі енергоносія.
2. Енергетика. Промислові парові машини, або, як їх ще називають, парогенератори, використовуються для отримання електричної енергії.
3. Промисловість. Пар у промисловості використовують не тільки для обігріву «сорочок» апаратів і трубопроводів, а й для перетворення теплової енергії в механічну і переміщення транспортних засобів.

Побутові парові котли використовуються для опалення житлових приміщень. Простими словами, їхнє завдання полягає в підігріві води і пересуванні пари трубопроводом. Таку систему часто облаштовують разом зі стаціонарною піччю або котлом. Зазвичай побутові прилади виробляють насичений не перегрітий пар, якого цілком достатньо для вирішення покладених на них завдань.

У промисловості пар перегрівають — продовжують гріти після випаровування з метою ще більше підвищити температуру. До таких установок пред’являють особливі вимоги щодо якості, оскільки при перегріві пара ємність ризикує вибухнути. Перегрітий пар, отриманий з котла, може йти на освіту електрики або механічний рух.

Електричний струм за допомогою пари утворюється наступним чином. Випаровуючись, пар потрапляє в турбіну, де він, завдяки щільному потоку обертає вал. Таким чином, теплова енергія переходить в механічну, а та, в свою чергу, перетворюється в електричну. Так працюють турбіни електростанцій.

Обертання валу, яке виникає при випаровуванні великих кількостей перегрітого пари, може передаватися безпосередньо на мотор і колеса. Так у рух приводиться паровий транспорт. Як популярні приклади роботи парового двигуна можна навести парогенератор паровоза або ж судновий паровий котел. Принцип роботи останніх досить простий: при спалюванні вугілля утворюється тепло, яке нагріває воду і утворює пар. Ну а пар, у свою чергу, обертає колеса, або у випадку з судном, гвинти.

Парові котли: принцип роботи

Розглянемо більш детально, як працюю такі котли. Джерелом тепла, необхідного для підігріву води, може виступати будь-який вид енергії: електрична, сонячна, геотермальна, тепло від згоряння газу або твердого палива. Пар, що утворюється в процесі нагріву води, являє собою теплоносій, тобто переносить теплову енергію з місця нагріву в місце використання.

Незважаючи на різноманіття конструкцій, принциповий пристрій і принцип роботи парових котлів не відрізняються. Загальна схема нагріву води з її подальшим перетворенням на пар виглядає таким чином:

1. Очищення води на фільтрах і її подача в резервуар для нагрівання за допомогою насоса. Резервуар, як правило, розташовується у верхній частині установки.
2. З резервуара, по трубах вода потрапляє в колектор, розташований, відповідно, нижче.
3. Вода знову піднімається вгору, тільки тепер не через труби, а через зону нагріву.
4. У зоні нагріву утворюється пар. Під дію різниці тисків між рідкою і газоподібною речовиною, він підніметься вгору.
5. Вгорі нагрітий пар пропускається через сепаратор, де він остаточно відокремлюється від води. Залишки рідини повертаються в резервуар, а пар прямує в паропровід.
6. Якщо це не звичайний котел, а парогенератор, то його трубопроводи додатково нагріваються. Про способи їх нагрівання буде сказано нижче.

Пристрій

Парові котли являють собою ємність, в якій вода нагрівається і утворює пар. Зазвичай вони виконуються у вигляді труб, різних розмірів. Крім труби з водою, котел завжди має камеру для згоряння палива (топку). Її конструкція може варіюватися залежно від типу застосовуваного палива. Якщо це дрова, або тверде вугілля, то в нижній частині топки встановлюється колосникова решітка, на яку укладають паливо. З нижньої частини колосників, в топкову камеру надходить повітря. А вгорі топки облаштовують димар, який необхідний для ефективної тяги — циркуляції повітря і горіння палива.

Принцип роботи парових котлів на твердому паливі дещо відрізняється від пристроїв, в яких в якості теплоносія використано рідкий або газоподібний матеріал. У другому випадку, топкова камера передбачає пальник, яка працює подібно до пальників побутової газової печі. Для циркуляції повітря також використовують колосникову решітку і димохід, адже в незалежності від виду палива, повітря є найважливішою умовою горіння.

Пальний газ, отриманий від згоряння палива, піднімається до ємності з водою. Він віддає воді своє тепло і виходить через димар в атмосферу. Коли вода нагрівається до температури кипіння, вона починає випаровуватися. Варто зазначити, що вода випаровується і раніше, але не в таких кількостях і не з такою температурою пара. Пар, що випарювався, самостійно надходить у труби. Таким чином, циркуляція пара і зміна агрегатних станів води відбувається природним чином. Принцип роботи парового котла з природною циркуляцією передбачає мінімальне втручання людини. Все, що потрібно зробити оператору, це забезпечити стабільний нагрів води і проконтролювати процес за допомогою спеціальних пристроїв.

У випадку з електричними котлами підігрів води відбувається простіше. Вона нагрівається за допомогою нагрівальних елементів типу ТЕНів або виступає в ролі провідника і нагрівається за законом Джоуля-Ленца.

Класифікація

Парові котли, принцип роботи яких ми сьогодні розглядаємо, можуть класифікуватися за кількома параметрами.

За видом палива:

1. Вугільні.
2. Газові.
3. Мазутні.
4. Електричні.

За призначенням:

1. Побутові.
2. Енергетичні.
3. Промислові.
4. Утилізаційні.

За конструкцією:

1. Газотрубні.
2. Водотрубні.

Чим відрізняються газо- та водотрубні парові котли

Принцип роботи котлів заснований на підігріві ємності з водою. Ємність, в якій вода переходить в пароподібний стан, як правило, являє собою трубу або кілька труб. Прилади, в яких пальне обігріває труби, піднімаючись вгору, називаються газотрубними котлами.

Але є й інший варіант — коли пальний газ переміщається по трубі, розташованій всередині ємності з водою. У такому випадку водні ємності називаються барабанами, а сам котел — водотрубним. В ужитку його також називають вогнетрубним котлом. Залежно від розташування водних барабанів, котли такого типу підрозділюють на: горизонтальні, вертикальні та радіальні. Також зустрічаються моделі, в яких реалізовані різні напрямки труб.

Пристрій і принцип роботи вогнетрубного парового котла дещо відрізняється від газотрубного. По-перше, це стосується розміру труб з водою і пором. У водотрубних котлів труби менш габаритні, ніж у газотрубних. По-друге, мають місце відмінності за потужністю. Газотрубний котел дає тиск не більше 1 МПа і має теплоутворюючу здатність до 360 кВт. Причиною тому є великі труби. Щоб в трубах утворювалося достатньо пара і тиску, їх стінки повинні бути товстими. Як результат — ціна таких котлів завищена. Водотрубний котел потужніший. Завдяки тонким стінкам труб, пар нагрівається краще. І по-третє, водотрубні котли безпечніші. Вони виробляють високу температуру і не бояться значних перевантажень.

Додаткові елементи котлів

Принцип роботи парового котла досить простий, проте його конструкція складається з досить великої кількості елементів. Крім топкової камери і труб для циркуляції води/пари, котли оснащуються пристроями для підвищення їх ефективності (збільшення температури пари, його тиску і кількості). До таких пристроїв відносять:

1. Пароперегрівач. Служить для підвищення температури пара вище 100 градусів. Перегрівання пара підвищує економічність апарату і його коефіцієнт корисної дії. Перегрітий пар може досягати температури в 500 градусів за Цельсієм. Настільки високі температури мають місце в парових установках атомних станцій. Суть перегріву полягає в тому, що після випаровування пар, що йдуть по трубі, піддається повторному нагріву. Для цього апарат може оснащуватися додатковою топковою камерою або простим трубопроводом, який, перш ніж вивести пар на цільове використання, кілька разів проходить через основну топку. Пароперегрівачі бувають радіаційними і конвекційними. Перші працюють в 2-3 рази ефективніше.
2. Сепаратор. Служить для «осушення» пара — відділення його від води. Це дозволяє збільшити ККД установки.
3. Паровий акумулятор. Цей пристрій створено для підтримки постійного рівня виходу пари з установки. Коли пара не вистачає, вона додає його в систему і, навпаки, відбирає в разі надлишку.
4. Підготовчий пристрій для води. Щоб апарат працював довше, вода, що потрапляє в нього, повинна відповідати специфічним вимогам. Даний пристрій знижує кількість кисню і мінералів у воді. Ці нескладні заходи дозволяють запобігти корозії труб і утворення на їхніх стінках накипу. Іржа і накип не тільки знижують ефективність апарату, але і швидко приводять його в непридатність, особливо в разі активного використання.

Контрольні пристрої

Крім того, котел оснащується допоміжними пристроями для контролю і управління. Наприклад, сигналізатор граничних рівнів води стежить за підтримкою постійного рівня рідини в барабані. Принцип роботи сигналізатора граничних рівнів парового котла ґрунтується на зміні маси спеціальних вантажів під час їх переходу з рідкої фази в пароподібну, і навпаки. У разі відхилення від норми він подає звуковий сигнал для оповіщення співробітників підприємства.

Для позиційного регулювання рівня води також використовується рівнемірна колонка парового котла. Принцип роботи пристрою заснований на електропровідності води. Колонка являє собою трубку, оснащену чотирма електродами, що контролюють рівень води. Якщо водяний стовп досягає нижньої позначки, підключається поживний насос, а якщо верхній — харчування котла водою зупиняється.

Ще одним найпростішим пристроєм для вимірювання рівня води в паровому котлі служить водомірне скло, вбудоване в корпус апарату. Принцип роботи водомірного скла парового котла простий — воно призначене для візуального контролю рівня води.

Крім рівня рідини, в системі за допомогою термометрів і манометрів заміряють температуру і тиск відповідно. Все це необхідно для нормального функціонування котла та запобігання можливості виникнення аварійних ситуацій.

Парогенератори

Ми вже розглянули принцип роботи парового котла, тепер коротко познайомимося з особливостями парогенераторів — найбільш потужних котлів, обладнаних додатковими пристроями. Як ви вже зрозуміли, головна відмінність парогенератора від котла полягає в тому, що його конструкція включає один або кілька проміжних пароперегрівачів, що дозволяє досягти найвищих температур пара. На атомних електростанціях, завдяки дуже гарячому пару, перетворюють енергію розпаду атома в електричну енергію.

Існує два основних способи нагріву води та переведення її в газоподібний стан у реакторі:

1. Вода омиває корпус реактора. При цьому реактор охолоджується, а вода нагрівається. Таким чином, пар утворюється в окремому контурі. У такому випадку парогенератор виконує функції теплообмінника.
2. Труби з водою проходять всередині реактора. У цьому варіанті, реактор є топковою камерою, з якою пар подається безпосередньо на електрогенератор. Ця конструкція називається киплячим реактором. Тут все працює без парогенератора.

Ув’язнення

Сьогодні ми з вами познайомилися з таким корисним приладом, як паровий котел. Пристрій і принцип роботи цього апарат досить прості і засновані на банальних фізичних властивостях води. Проте парові котли значною мірою полегшують життя людини. Вони зігрівають будівлі і допомагають виробляти електрику.