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

Визначення

Як ви вже зрозуміли, паровий котел є агрегатом, що виробляють пар. При цьому котли такого типу можуть давати пар двох видів: насичений і перегрітий. В 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 у побутових цілях, в основному для обігріву приватних будинків. Перегрітий пар знайшов застосування в промисловості та енергетиці. Він добре переносить тепло, тому його використання в значній мірі підвищує ККД установки.

Сфера застосування

Виділяють три основні області застосування парових котлів:

Опалювальні системи. Пар виступає в ролі енергоносія.

Енергетика. Промислові парові машини, або, як їх ще називають, парогенератори, використовуються для отримання електричної енергії.

Промисловість. Пар у промисловості використовують не тільки для обігріву «сорочок» апаратів і трубопроводів, але і для перетворення теплової енергії в механічну і переміщення транспортних засобів.

Побутові парові котли використовують для опалення житлових приміщень. Простими словами, їх завдання полягає в підігріві води і пересуванні пара по трубопроводу. Таку систему часто облаштовують разом з піччю або стаціонарною 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 таким установок висувають особливі вимоги щодо якості, так як 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, пара потрапляє в турбіну, де він, завдяки щільному потоку обертає вал. Таким чином, теплова енергія переходить у механічну, а та, в свою чергу, перетворюється в електричну. Так працюють турбіни електростанцій. Обертання вала, яке виникає при випаровуванні великих кількостей перегрітого пара, може передаватися безпосередньо на двигун і колеса. Так в рух приводиться паровий транспорт. В якості популярних прикладів роботи парового двигуна можна привести парогенератор паровоза або 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. Пара, що утворюється в процесі нагріву води, являє собою теплоносій, тобто переносить теплову енергію з місця нагріву місце використання.
Незважаючи на різноманіття конструкцій, принципове пристрій і принцип роботи парових котлів не відрізняються. Загальна схема нагріву води з її подальшим перетворенням в пар виглядає таким чином:

Очищення води на фільтрах і її подача в резервуар для нагріву з допомогою насоса. Резервуар, як правило, розташовується у верхній частині установки.

З резервуара, по трубах вода потрапляє в колектор, розташований, відповідно, нижче.

Вода знову піднімається вгору, тільки тепер не через труби, а через зону нагрівання.

В зоні нагріву утворюється пара. Під дією різниці тисків між рідкою і газоподібною речовиною, він підніметься вгору.

Вгорі нагрітий пар пропускається через сепаратор, де він остаточно відділяється від води. Залишки рідини повертаються в резервуар, а пар слід у паропровід.

Якщо це не звичайний котел, а парогенератор, то його трубопроводи додатково нагріваються. Про способи їх нагріву буде сказано нижче.

Пристрій

Парові котли являють собою ємність, у 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 змінюватись в залежності від типу застосовуваного палива. Якщо це дрова, або твердий 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 використаний рідкий або газоподібний матеріал. У другому випадку, топкова камера передбачає пальник, що працює подібно пальників побутової газової печі. Для циркуляції повітря також використовують колосникові грати і димар, адже в незалежності від виду палива, повітря є найважливішим умовою горіння.
Горючий газ, отриманий від згоряння палива, піднімається до ємності з водою. Він віддає своє тепло воді 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 пари. Випарувався пар самостійно надходить у труби. Таким чином, циркуляція пари 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 з допомогою спеціальних пристроїв. У випадку з електричними котлами підігрів води відбувається простіше. Вона нагрівається з 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. По виду палива:

Вугільні.

Газові.

Мазутні.

Електричні.

За призначенням:

Побутові.

Енергетичні.

Промислові.

Утилізаційні.

По конструкції:

Газотрубние.

Водотрубні.

Чим відрізняються газо - і 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 газотрубних котлів. Але є й інший варіант - коли горючий газ переміщується по трубі, розташованій усередині ємності з водою. В такому випадку водні ємності називаються барабанами, а сам котел – водотрубним. В побуті його називають також огнетрубним котлом. В залежності від розташування водних барабанів, котли такого типу поділяють на: горизонтальні, вертикальні і радіальні. Також зустрічаються моделі, в яких реалізовані різні напрямки труб. Пристрій і принцип роботи огнетрубного парового котла дещо відрізняється від газотрубного. По-перше, це стосується розміру труб з водою і парою. У водотрубних котлів труби менш габаритні, ніж у газотрубних. По-друге, мають місце відмінності по потужності. Газотрубний котел дає тиск не більше 1 МПа і має теплообразующую здатність до 360 кВт. Причиною тому є великі труби. Щоб у трубах утворювалося досить пари і тиску, їх стінки мають бути товстими. Як результат – ціна таких котлів завищена. Водотрубний котел могутніше. Завдяки тонким стінок труб, пара нагрівається краще. І по-третє, водотрубні котли безпечніше. Вони виробляють високу температуру і не бояться значних перевантажень.

Додаткові елементи котлів

Принцип роботи парового котла досить проста, 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:

Пароперегрівач. Служить для підвищення температури пари вище 100 градусів. Перегрівання пари підвищує економічність апарату та його коефіцієнт корисної дії. Перегріта пара може досягати температури до 500 градусів за Цельсієм. Настільки високі температури мають місце в парових установках атомних станцій. Суть перегріву полягає в тому, що після випаровування йде по трубі пар піддається повторному нагріванню. Для цього апарат може оснащуватися додатковим топкової 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 у 2-3 рази ефективніше.

Сепаратор. Служить для «осушення» пара – відділення його від води. Це дозволяє збільшити ККД установки.

Паровий акумулятор. Цей пристрій створено для підтримки постійного рівня виходу пари з установки. Коли пара не вистачає, воно додає його в систему і, навпаки, відбирає в разі надлишку.

Підготовче пристрій для води. Щоб апарат працював довше, вода, що потрапляє в нього, повинна відповідати специфічним вимогам. Цей пристрій знижує кількість кисню і мінералів у воді. Ці нескладні заходи дозволяють запобігти корозії труб і утворення на їх стінках накипу. Іржа і накип не тільки знижують ефективність апарату, але і швидко приводять його в непридатність, особливо у випадку активного використання.

Контрольні пристрої

Крім того, котел обладнується допоміжними пристроями для контролю і управління. Приміром, сигналізатор граничних рівнів води стежить за підтриманням постійного рівня рідини в барабані. Принцип роботи сигналізатора граничних рівнів парового котла грунтується 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 працівників підприємства. Для позиційного регулювання рівня води також використовується уровнемерная 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 живильний насос, а якщо верхній – живлення котла водою зупиняється. Ще одним простим пристроєм для вимірювання рівня води в паровому котлі служить водомерное 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 і 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 пари. На атомних електростанціях, завдяки дуже гарячого пару, перетворюють енергію розпаду атома в електричну енергію. Існує два основних способи нагріву води і переведення її в газоподібний стан в реакторі:

Вода омиває корпус реактора. При цьому реактор охолоджується, а вода нагрівається. Таким чином, пара утворюється в окремому контурі. У такому разі парогенератор виконує функції теплообмінника.

Труби з водою проходять всередині реактора. У цьому варіанті, реактор є топкової камерою, з якої пара подається безпосередньо на електрогенератор. Ця конструкція називається киплячим реактором. Тут все працює без парогенератора.

Висновок

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. Тим не менш парові котли в значній мірі полегшують життя людини. Вони зігрівають будівлі і допомагають виробляти електрику.