КОТЛЫ. ВВЕДЕНИЕ

Котел – это устройство, предназначенное для получения нагретой воды или пара с давлением выше атмосферного за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива (рис.1). При этом теплоносители используются вне самого устройства.

Рис.1 Промышленные котлы

В противном случае, если тепло расходуется для технологических процессов внутри устройства, получается сосуд, работающий под давлением. Вместе с тем в соответствии с нормативными документами Ростехнадзора котлы тоже относятся к оборудованию, работающему под избыточным давлением. Требования к поднадзорным сосудам, котлам и трубопроводам пара и горячей воды установлены в ФНП «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением» (утверждены приказом Ростехнадзора от 15.12.2020 № 536).

Теплоноситель №1

Основным теплоносителем для котлов является вода, в виде жидкости или пара. Почему так? Воды много, поэтому она стоит недорого. Она не оказывает опасного влияния на окружающую среду. Если она разольется – будет лужа, а не экологическая катастрофа.

И плюсом ко всему высокая удельная теплоемкость – количество теплоты, поглощаемое (или выделяемое) при нагревании (или остывании) 1 килограмма вещества на 1 К (⁰С). Для воды она равна 4,1806 кДж/(кг·K). Интересный факт: как ни удивительно, самая высокая удельная (не объемная!!!) теплоемкость у самого легкого газа – водорода, она равна 14,304 кДж/(кг·K).

Ценность теплоносителя в высокой температуре. Нагретую воду подают в системы отопления и различные теплообменники промышленных предприятий. Другой вид теплоносителя – пар, образующийся при нагреве до кипения, что приводит переходу жидкости в газообразное состояние.

Температура кипения зависит от давления. При атмосферном давлении на уровне моря, приблизительно равном 0,1 МПа, кипение воды происходит при 100 ⁰С. При повышении давления температура кипения жидкости повышается, при понижении ― уменьшается. На вершине Эвереста вода закипит при температуре около 70 ⁰С.

Параметры котла характеризуются избыточным давлением, которое больше атмосферного. При избыточном давлении в 9,9 МПа воду для кипения нужно нагреть до 309 ⁰С (таблица 1). Важно запомнить: при избыточном давлении в 0,07 МПа вода кипит при температуре 115 ⁰С. Именно эти цифры являются границей, делящей котлы на поднадзорные или не поднадзорные Ростехнадзору.

Типы пара

Интенсивное парообразование, или кипение, происходит при нагреве. Ненасыщенный пар не имеет динамического равновесия с жидкостью. Парообразование преобладает над конденсацией, потому количество жидкости в замкнутом объеме со временем уменьшается. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью в закрытой системе. Сколько вещества испаряется с поверхности жидкости, столько же и конденсируется назад.

Рис. 2 Увлажнитель воздуха в действии

Во влажном насыщенном паре часть молекул воды отдали свою энергию и сконденсировались, с образованием мельчайших капелек воды в виде тумана. Именно такой пар производится бытовыми увлажнителями воздуха (рис.2). Сухой насыщенный пар представляет собой прозрачный газ, не имеющий влаги. При остывании превращается во влажный насыщенный пар. Насыщенный пар чаще всего используется в теплообменниках и другом теплопередающем оборудовании.

Перегретый пар образуется при дальнейшем нагреве насыщенного свыше температуры насыщения. В основном необходим для передачи энергии движения, например, в турбинах. Не применяется как источник тепла. Перегретый пар используется в различных тепловых машинах, на тепловых электростанциях для повышения коэффициента полезного действия.

Особенности применения воды как теплоносителя

В зависимости от выполняемых процессов требуется вода или пар с различными характеристиками.

Для каждой технологии используется своя рабочая среда. В диапазоне температур от 30 °C до 150 °C применяется вода (таблица 2), которая идет в системы отопления. Хотя есть системы отопления до 200 ⁰С. А уже при нагреве от 150 °C до 250 °C, как правило, нужен насыщенный водяной пар. Если его продолжать нагревать в замкнутом объёме, до температуры, превышающей температуру кипения при заданном давлении, то получится пар перегретый.

В диапазоне от 250 °C до 550 °C для паровых турбин и иных паровых машин необходимо высокое давление, поэтому применяется перегретый водяной пар. Устанавливаемые на электростанциях котлы различают по давлению перегретого пара: высокого (10 и 14 МПа) или сверхкритического (25,5 МПа).

Экзотические теплоносители

Кроме воды и пара используют необычные теплоносители, применяемые для отдельных технологических процессов. В термомасляных котлах используются высокотемпературные теплоносители – органические или полусинтетические масла. Они нагреваются до очень высоких температур – 350–360 ⁰С. Такой теплоноситель необходим для подогрева битума в битумохранилищах асфальтных заводов, прогрева битумных насосов и битумопроводов. Или в деревообрабатывающей промышленности при производстве картона, ДСП и ДВП, сушке дерева, в мебельной отрасли.

Рис.3 Эрозия лопаток паровой турбины

К плюсам термомасляных систем энергоснабжения можно отнести отсутствие эрозии в трубопроводах. Пар оказывает абразивное действие, что ярко выражено в паровых турбинах (рис.3), а также образует отложения на стенках и скопления твердого осадка. Кроме того, в термомасляных котлах теплоноситель не замерзает, поэтому они находят применение в районах Крайнего Севера. Где разморозить систему теплоснабжения населенного пункта – это чрезвычайная ситуация, требующая вмешательства государства.

В термомасляных котлах при нагреве не повышается давление. Оно создается центробежными насосами и составляет от 0,4 до 1,0 МПа. В то время как в паровых системах крайне важно следить за давлением, которое при перегреве может выйти из-под контроля.

Высокотемпературные органические теплоносители: дифенил, мобильтерм-600, тетрахлордифенил, дитолилметан и др. при сравнительно небольших рабочих давлениях нагревают вещества до 300 - 350° С. Есть и недостатки: они горючи и взрывоопасны, при перегреве разлагаются, выделяя твердые частицы, загрязняющие теплообменные поверхности и создающие условия для прогара труб.

При температурах свыше 550 °C применяются расплавленные металлы – высокотемпературные теплоносители на основе лития, натрия, калия, ртути, которые применяются в жидком и парообразном состоянии. Они имеют наибольшую термическую стойкость, но оказывают агрессивное воздействие на конструкции. Пары жидкометаллических теплоносителей обладают высокой токсичностью, а пары щелочных металлов еще и высокой пожаровзрывоопасностью. По этим причинам имеют ограниченную сферу применения. Интересный факт: государственная корпорация «Росатом» разрабатывает «Быстрый Реактор Естественной безопасности со Свинцовым Теплоносителем» (БРЕСТ) на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и двухконтурной схемой отвода тепла к турбине. 

 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