КОНСТРУКЦИЯ КОТЛОВ

Основную массу применяемого в России в быту газоиспользующего оборудования составляют приборы для приготовления пищи – плиты, духовые шкафы, варочные панели. Водонагревателей и тем более воздухонагревателей меньше. Централизованное отопление и горячее водоснабжение значительно снижают количество бытовых аппаратов, предназначенных для этих целей.

Между тем в промышленности котлов больше, чем печей, газопоршневых и газотурбинных установок, воздухонагревателей и инфракрасных излучателей. И уж тем более больше, чем ресторанных плит или технологических линий для выпечки хлебобулочных изделий. Но если вспомнить прошлое, то начиналось котлостроение с приготовления еды.

Немного истории

Человечество с древнейших времен использовало нагретую воду, прежде всего для приготовления пищи. Само слово «котел» имеет несколько значений, и первое из них - металлический сосуд округлой формы для варки пищи или кипячения воды. То есть сначала все котлы были водогрейными и служили для бытовых нужд.

Рис. 1 Простейший котел с внешней топкой

А вот первые котлы, используемые в технике, служили для получения пара. Изначально они напоминали котелки для приготовления пищи. Дровяная топка располагалась снизу и нагревала бак с водой (рис.1). Значительное количество тепла уходило в атмосферу, что обуславливало низкий коэффициент полезного действия подобных аппаратов.

В дальнейшем совершенствование паровых котлов было направлено на увеличение площади поверхностей, через которые шел теплообмен между энергией сгоревшего топлива и теплоносителем. Развитие шло по двум направлениям: рост числа потоков газообразных продуктов сгорания (газотрубные котлы) или рост числа потоков воды и пара (водотрубные котлы). Принципиальные различия в конструкции водотрубных и жаротрубных котлов легли в основу большинства классификаций котельного оборудования.

Рис.2 Паровой котел с жаровыми трубами

В жаротрубных котлах топку, именуемую жаровой трубой, разместили внутри водяного объема котла. Часто топок было две (рис.2), а иногда и три. Вкупе с теплоизоляцией это значительно повысило КПД, позволив расходовать энергию топлива преимущественно на нагрев теплоносителя.

Рис.3 Ланкширский котел

Еще в 1845 году в Англии началось изготовление ланкаширских котлов с двумя жаровыми трубами (рис.3). Но уже перед Второй мировой войной подобная конструкция считалась устаревшей.

Рис. 4 Жаротрубный котел с дымогарными трубами

Высокую температуру имеет не только открытое пламя в топке, но и дымовые газы. Для использования тепла уходящих газов внутри водяного объема дополнительно разместили дымогарные трубы малого диаметра (рис.4). Продукты сгорания, проходя по ним, ускоряют нагрев и испарение воды.

Рис.5 Схема парового водотрубного котла

1 – паровое пространство, 2 – водяное пространство, 3 – выход пара, 4 – подача питательной воды, 5, 6 – движение источника тепла, 7 - трубы

Иначе устроен паровой водотрубный котел. Теплоноситель нагревается излучением и продуктами сгорания в трубах небольшого диаметра (рис.5). Нагретая смесь воды и пара поднимается в барабан, где происходит кипение. Пар из выходного патрубка уходит потребителям, снизу в барабан поступает питательная вода. Такая конструкция позволяет эффективно вырабатывать пар избыточного давления для технологических процессов.

Рис.6 Котел Шухова

Интересный факт: в 1896 году русский инженер В.Г. Шухов разработал конструкцию водотрубного парового котла в горизонтальном исполнении (рис.6). В 1900 году он был отмечен на Всемирной выставке в Париже золотой медалью. По патентам Шухова до и после революции были изготовлены тысячи паровых котлов. Котлы Бельвиля-Шухова были установлены на революционном броненосце «Князь Потемкин-Таврический».

Есть еще чугунные секционные котлы, которые нельзя отнести ни к жаротрубным, ни к водотрубным. Из-за особенностей конструкции они имеют тепловую мощность, относительно небольшую для промышленных котлов.

Устройство котла

Два основных элемента, из которых состоит котел, – топка и теплообменные поверхности. В топке сгорает органическое топливо, энергию которого воспринимают и передают воде теплообменные поверхности. Кстати, есть котлы-утилизаторы, у которых нет топки. В них используется теплота отходящих дымовых газов, выделенная при протекании технологических процессов или при работе двигателей, или при дополнительном горении продуктов процесса и/или добавочного топлива. Это теплообменники, которые повышают коэффициент полезного действия тепловых агрегатов. Котлы-утилизаторы входят в состав газотурбинных и газопоршневых агрегатов, о которых рассказано ранее.

Также для обеспечения процессов сгорания топлива и теплообмена в котлах имеются:

• тепловая изоляция;

• гарнитура, необходимая для обслуживания топки и газоходов;

• горелочное устройство (для сжигания жидкого, газообразного и пылевидного топлива);

• экономайзер (при наличии);

• воздухоподогреватель (при наличии).

Топка и теплообменные поверхности

Топка служит для сжигания органического топлива, в ней также происходит передача части тепла теплоносителю. Различают топки слоевые и камерные (рис.7).

Рис.7 Классификация топок

В слоевых топках сжигают твердое топливо – уголь, древесину в разных видах (дрова, щепа, ветки, стружка), торф. Они просты в эксплуатации, пригодны для различных сортов топлива, не требуют больших объемов, могут работать при значительных колебаниях тепловой нагрузки.

Рис.8 Принципиальные схемы слоевых топок

Слоевые топки используют две технологии горения: в плотном или кипящем слое (рис.8). В обоих случаях сгорание происходит на колосниковой решётке, под которую подается воздух, необходимый для горения. В топках с плотным слоем горит кусковое топливо. В топках с кипящим слоем мелкозернистые частицы топлива псевдоожижаются потоком воздуха и хаотически перемещаются по объему топочной камеры без выноса из нее.

Слоевые топки бывают:

• с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем горючего на ней;

• с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива;

• с движущейся колосниковой решеткой, транспортирующей слой топлива.

Первый вариант применяется на маломощных котлах паропроизводительностью до 1 т/ч с ручной загрузкой топлива. Мощные промышленные котлы имеют наклонную колосниковую решетку, которая может быть неподвижной или подвижной. В обоих случаях процесс перемещения горючего механизирован (рис.9). Оно загружается податчиком и перемещается под собственным весом при неподвижной колосниковой решетке либо в результате ее движения. Дойдя до конца топки, топливо сгорает полностью, зола и шлак проваливаются в золоприемник.

Рис.9 Движение топлива в слоевой топке

Камерные топки применяют для сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива в пылевидном или мелкораздробленном состоянии.

Рис.10 Принципиальные схемы камерных и вихревых топок

В факельных топках топливо и воздух, подаваемый на горение, образуют факел (рис.10). В них сжигают газообразное, жидкое или твердое топливо. Последнее измельчают в пыль. В вихревых (циклонных) топках поток воздуха тангенциально вводят в цилиндрическую топку, что создает закрученный поток реагентов (воздух и топливо в виде пыли, опилок и лузги), которые эффективно перемешиваются, в результате чего топливо хорошо сгорает.

Экономайзеры и рекуператоры

В экономайзере за счет теплоты продуктов сгорания подогревается и частично испаряется питательная вода, поступающая в барабан парового котла. Экономайзеры бывают стальные и чугунные, в последних не допускается кипение воды. В рекуператорах за счет тепла уходящих дымовых газов нагревается воздух, подаваемый на горение.

Обмуровка и гарнитура

Обмуровка ограждает топку и газоходы от окружающей среды, она бывает различных конструкций: из кирпича – свободностоящая, массивная, облегченная накаркасная, из огнеупорного бетона – щитовая, из шамотной массы – натрубная. В современных котлах применяется тепловая изоляция из минераловатного утеплителя.

Рис.11 Взрывной клапан

Гарнитура включает в себя топочные дверки, лазы, гляделки, предохранительные взрывные клапаны, шиберы и поворотные заслонки. Лазы и дверцы предназначены для осмотра и ремонта при останове котла. Предохранительные взрывные клапаны защищают топки и газоходы от разрушения при взрыве. Они устанавливаются на верхних, иногда боковых поверхностях топки, сверху на газоходе, экономайзере. Клапан взрывной ПГВУ (рис.11) служит для предотвращения разрушительных последствий при подрыве горючих пылегазовых составов: газов, угольной взвеси и других в системах пылеприготовления, газоходах, дымоходах и энергоустановках. Для регулирования тяги служат шиберы и заслонки.

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь