Паровой котел: типы, принцип работы и особенности эксплуатации

Классификация [ править | править код ]

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественнойru en и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

Обозначения

Согласно ГОСТ 3619-89, стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Параметры котла по возможности подбираются по стандартному ряду. После обозначения по ГОСТ может писаться в скобках заводская марка, например, Е-75-3,9-440БТ (БКЗ-75-39ФБ).

Разновидности паровых установок

Паровые установки бывают, как многотопливные, так и однотопливные. По видам топлива паровые котлы классифицируются как:

• паровые установки, работающие на угле;
• паровые установки, работающие на мазуте;
• паровые установки, работающие на газе;
• паровые установки, работающие на электроэнергии.

Также паровые котлы можно разделить на области их применения. В этот перечень входят:

• промышленные паровые установки;
• паровые установки, которые ориентированы на выработку электроэнергии;
• паровые установки, которые применяются в быту.

Также существует утилизационные паровые установки.

Паровые установки имеют также конструктивные отличия, и их можно разделить на два вида:

• водотрубные паровые установки;
• газотрубные паровые установки.

В газотрубных котлах вода нагревается при помощи горячих газов, что образуются в момент сгорания любого вида топлива. Эти газы нагревают трубы, внутри которых находятся вода. Вода в эти трубы поступает из резервуара.

Водотрубная паровая установка работает по несколько иному принципу. В этих котлах –наоборот, нагретый газ движется внутри специального трубопровода, который помещен в ёмкость с водой. Водотрубные паровые котлы разделяются на несколько видов:

• вертикальные водотрубные котлы;
• горизонтальные водотрубные котлы;
• радиальные водотрубные котлы.

Все виды водотрубных котлов отличаются лишь внутренним расположением трубопроводов.

Паровой котел отопления в частном доме

Паровой котел является альтернативным видом обогрева частных домов и дач. Водяное отопление зданий неправильно называют «паровым» – такая путаница в названиях связана с принципом обогрева многоквартирных домов, где внешний теплоноситель под давлением поступает от ТЭЦ к отдельным домам и передает свое тепло внутреннему носителю (воде), который циркулирует в замкнутой системе.

Паровое отопление в частном доме используется значительно реже других способов обогрева помещений. Экономически оправдано применение котла на даче или загородном доме, когда не предусмотрено круглогодичное проживание, а главную роль в отоплении играет скорость прогрева помещений и простота подготовки к консервации системы.

Возможность монтажа такого оборудования в дополнение к существующему, например, печному, является еще одним преимуществом использования пара в качестве теплоносителя.

В результате кипения воды в котлоагрегате (парогенераторе) образуется пар, который подается в систему трубопроводов и радиаторов. В процессе конденсации он отдает тепло, обеспечивая быстрый нагрев воздуха в помещении, и затем в жидком состоянии возвращается по замкнутому кругу к котлу. В частном доме такой вид отопления может быть реализован в виде одно- или двухконтурной схемы (обогрев и ГВС для бытовых нужд).

По способу разводки система бывает однотрубной (последовательное соединение всех радиаторов, трубопровод проходит горизонтально и вертикально) или двухтрубной (параллельное присоединение радиаторов). Возврат конденсата в парогенератор возможен самотеком (замкнутая схема) или принудительно при помощи циркуляционного насоса (разомкнутая схема).

Схема парового отопления дома включает в себя:

• котел;
• бойлер (для двухконтурной системы);
• радиаторы;
• насос;
• расширительный бак;
• запорно-предохранительная арматура.

Описание парового котла отопления

Ключевым элементом обогрева помещений является парогенератор, конструкция которого включает в себя:

• топку (камера сжигания топлива);
• испарительные трубы;
• экономайзер (теплообменник для подогрева воды за счет уходящих газов);
• барабан (сепаратор для разделения пароводяной смеси).

Котлоагрегаты могут работать на различных видах топлива, но лучше для частных домов использовать паровой бытовой котел с возможностью перехода с одного типа на другой (комбинированный).

Эффективность и безопасность такого обогрева помещений зависит от грамотного подхода к выбору парогенератора. Мощность котлоагрегата должна быть соизмерима с его задачами. Например, для создания оптимального микроклимата в доме, площадью 60-200м 2 , необходимо купить котел мощностью от 25кВт. В бытовых целях эффективно использовать водотрубные агрегаты, которые являются более современными и надежными.

Самостоятельный монтаж оборудования

Работы проводятся поэтапно, в определенном порядке:

1. Составление проекта с учетом всех деталей и технических решений (длина и количество труб, тип парогенератора и место его установки, расположение радиаторов, расширительного бака и запорной арматуры). Этот документ должен быть обязательно согласован с органами госконтроля.

2. Монтаж котла (производится ниже уровня радиаторов для обеспечения продвижения пара вверх).

3. Разводка труб и установка радиаторов. При прокладке на каждый метр должен быть установлен уклон около 5 мм. Монтаж радиаторов осуществляют с помощью резьбового соединения или сварки. В отзывах о паровой системе отопления опытные пользователи рекомендуют установить краны для устранения проблем при возникновении воздушных пробок и облегчения последующей эксплуатации.

4. Монтаж расширительного бака проводят на 3 метра выше уровня парогенератора.

5. Обвязка котлоагрегата должна осуществляться только металлическими трубами одинаковым диаметром с выходами от котла (нельзя использовать переходники). Отопительный контур замыкается в агрегате, при этом желательно установить фильтр и циркуляционный насос. В нижней точке системы необходимо установить узел слива, чтобы легко можно было опорожнить трубопровод для ремонтных работ или консервации конструкции. На котлоагрегат обязательно монтируются необходимые датчики, контролирующие процесс и обеспечивающие безопасность.

6. Тестирование системы парового отопления лучше проводить в присутствии специалистов, которые смогут не только выполнить все процедуры согласно действующим нормам и стандартам, но и устранить какие-либо недочеты и неточности схемы монтажа своими руками.

Паровые котлы: рабочий принцип

Рассмотрим намного подробнее, как работаю подобные котлы. Тепловым источником, нужного для подогрева воды, как правило выступает любой вид энергии: электрическая, солнечная, геотермальная, тепло от сгорания газа или твёрдого топлива. Пар, появляющийся в процессе водонагрева, собой представляет тепловой носитель, другими словами переносит энергию тепла с места нагрева в место применения.

Не обращая внимания на разнообразие конструкций, значительное устройство и рабочий принцип паровых котлов не выделяются. Общая схема водонагрева с ее дальнейшим преобразованием в пар смотрится подобным образом:

1. Очищение воды на фильтрах и ее подача в резервуар для нагревания с применением насоса. Резервуар, в основном, размещается в верхней установочной части.
2. Из резервуара, по трубам вода поступает в коллектор, размещенный, исходя из этого, ниже.
3. Вода вновь подымается вверх, только сейчас не через трубы, а через территорию нагрева.
4. В зоне нагрева образуется пар. Под действие разности давлений между жидким и газообразным веществом, он встанет вверх.
5. Вверху нагретый пар пропускается через сепаратор, где он целиком отсоединяется от воды. Останки жидкости возвращаются в резервуар, а пар следует в паропровод.
6. Если это не котел прямого сжигания, а парогенератор, то его магистрали из труб дополнительно греются. О способах их нагрева будет сказано ниже.

Особенности

Газовая котельная — это система (совокупность устройств), в которой путем сжигания природного или сжиженного газа вырабатывается тепло. Полученная таким способом теплота передается куда-либо для совершения полезной работы. В некоторых случаях вместо простого нагрева теплоносителя создается пар.

Автоматизировать отопление газом гораздо проще. При сжигании «голубого топлива» выделяется больше теплоты, чем при сжигании сопоставимых объемов антрацита. Отпадает необходимость обустраивать склад для твердого или жидкого топлива. Однако газовая котельная относится к классу опасности 4. И потому ее использование само по себе, а также внутреннее устройство строго нормированы.

Принципы работы и устройство паровых котлов

Работа паровой установки основана на принципе изменения физического состояния воды с жидкого до состояния пара при высокотемпературном нагреве и дальнейшее преобразование пара до состояния с необходимыми параметрами. Этот принцип на практике реализуется при помощи подачи в контур котла необходимого количества воды и обеспечении нужной поверхности испарения.

Чтобы контролировать работу устройства, паровой котел снабжается большим количеством датчиков контроля. Весь технологический цикл выработки пара постоянно находится под постоянным контролем. Технология приготовления пара в агрегате выглядит следующим образом: перед началом работы насос заполняет трубы подготовленной и очищенной водой до необходимого уровня. После этого подача воды прекращается. Дальше начинается процесс нагрева, в ходе которого происходит испарение воды. Полученный, таким образом, пар выходит из контура нагрева. Испаряясь, вода постепенно опускается до минимума, датчики фиксируют падение уровня воды и запускают насосное оборудование, которое нагнетает воду до рабочего уровня. После этого процесс нагрева повторяется снова. Таким образом, нетрудно представить, что паровой агрегат работает в циклическом режиме.

Кроме контроля рабочего уровня жидкости в резервуаре электроника контролирует еще и аварийные уровни – максимальный и минимальный. Когда жидкость достигает эти уровни, автоматика защиты проводит блокировку подачи топлива и делает аварийный сброс пара. Таким образом, автоматика отсекает паровой котел от магистрали, чем спасает оборудование, стоящее после котла, от сильнейших гидравлических ударов.

Учитывая то, что паровой котел является оборудованием повышенной опасности, он оснащается как электронной автоматикой защиты, так и механическими устройствами. К числу таких устройств относятся – аварийные клапаны, сбросные клапаны, отсечные механизмы. Задача этого оборудования безопасности при возникновении аварийной ситуации, если не сработает электронная защита, остановить и заглушить установку и избежать аварии.

Большим преимуществом паровой установки выступает то, что при использовании его в качестве прибора отопления не требуется дополнительно устанавливать циркуляционные насосы для нагнетания пара в магистральный трубопровод. Здесь пар под давлением сам постоянно проталкивает объем теплоносителя собственным давлением. А подпитка осуществляется при помощи забора насосом воды из конденсатосборника. В замкнутых системах, где теплоноситель циркулирует постоянно, при заборе конденсата не требуется дополнительной подготовки воды перед направлением ее в котел.

А в открытых системах, когда теплоноситель после прохождения по всему контуру отопления поступает в открытый охладитель, требуется постоянная подпитка воды из внешнего источника. В этом случае проводится ее предварительная обработка – умягчение, очистка от посторонних примесей, удаление из нее кислорода. В отдельных случаях, для предотвращения образования коррозии в воду вносятся специальные антикоррозионные добавки и нейтрализаторы, этого требуют технологические стандарты производства.

Ремонт котлов

В случае нарушения герметичности, ремонтируем жаротрубные котлы в такой последовательности:

1. Изучаем документацию и схемы устройства.
2. Выполняем поиск проблемного участка и локализуем его.
3. Проводим зачистку поверхности возле трещины до чистого металла на ширину 15-20 мм.
4. Выполняем сварочные работы при температуре окружающей среды выше +50С. Применяем электроды толщиной 2,5 мм или 3 мм. Навариваем шов со стороны барабана на 2-4 мм больше, чем от трубы. Направление сварки от середины трещины к краям одновременно с применением двух сварочных аппаратов.
5. Зачищаем шов до блеска и смотрим на его качество. При необходимости устраняем недоделки: не проваренные участки и раковины.
6. Проводим испытания котла.

Жаротрубные водогрейные котлы применяют в котельных, для отопления частных домовладений, в промышленности и других сферах Иногда в устройстве жаротрубных котлов из-за неправильной эксплуатации возникает необходимость замены повреждённого участка. Для этих целей применяют газопламенный способ. При этом размеры повреждённой части должны быть не менее 200 мм или диаметра трубы. Сначала локализуют участок, затем вырезают его болгаркой до сохранившегося по толщине и свойствам металла, после чего зачищают и приваривают латку из такой же по составу стали.

Жаротрубные водогрейные котлы применяют в котельных, для отопления частных домовладений, в промышленности и других сферах. Это обусловлено их высокой эффективностью нагрева и экономным расходом топлива, надёжностью и неприхотливостью в эксплуатации. Устройство жаротрубных котлов относительно простое, поэтому их легко можно отремонтировать даже самостоятельно без привлечения специалистов.

Принцип работы парового котла

Для функционирования паровых котлов высокого давления используют химически обработанную воду, нагреваемую через пакеты экранных труб, под воздействием горячих уходящих газов, образующихся, как продукт от горения природного топлива.

С ростом температуры вода преобразуется в пар, поступающий на участок применения для передачи тепловой энергии или кинетической энергии струи.

Схематичное исполнение котла по выработке пара

Принцип работы:

1. Природная вода поступает на водоподготовку, где проходит очистку от взвешенных веществ и умягчается. Затем она подается в баках химочищенной воды и подаётся в агрегат с помощью питательных насосов для паровых устройств.
2. Прежде чем попасть в барабан питательная среда поступает через экономайзер – чугунное теплонагревающее устройство расположенное в хвостовой части агрегата для снижения температуры уходящих газов и повышения кпд парового котла.
3. Из верхнего барабана вода по необогреваемым трубам попадает в нижний барабан, а поднимается из него по подъемным конвективным трубам в виде пароводяной смеси.
4. В верхнем барабане проходит процесс его сепарации от влаги.
5. Сухой пар через паропроводы направляется к потребителям.
6. Если это парогенератор, то пар повторно проходит нагрев в пароперегревателе.

Разновидности схемы

Схему отопления постоянно совершенствуют, делают её безопаснее, удобнее в использовании. В магистраль пар подаётся под определённым давлением. Для промышленных производств, если того требует технологический процесс, может быть использован обогрев с использование высокого давления пара.

Предусматривают закрытую систему: она полностью герметична. Давление на выходе из котла 0,59 МПа. Допустимы параметры от 170 до 600 кг/м2.

Для обогрева жилых помещений предусматривают паровое отопление с низким давлением, от 100 до 170 кг/м2. Паровой котёл устанавливают в отдельно стоящей постройке.

При монтаже используют открытую схему, при которой обустраивают бак для конденсата и насос, который нагнетает его из бака в котёл. Данный вид парового отопления устанавливают в частном доме, в теплице, в гараже.

Для эффективного использования теплоносителя энергетики создали вакуум-паровые системы отопления. Давление в них приближено к показателю 1 кг/м2.

Система замкнутая, снабжена капиллярным устройством, которое предназначено для сбора конденсата и отвода его в котёл. Из магистрали выкачивают воздух. Для создания определённого разрежения используют специальные устройства. Специалисты отмечают, что вакуум-паровые системы имеют высокий КПД. Они безопасны в использовании.

Схема парового отопления может быть однотрубной или двухтрубной. При однотрубной системе обогрева конденсат и пар проходят по одной трубе. Для установки выбирают трубы с большим диаметром и толстой стенкой.

Если использовать данную схему, то отрегулировать температуру будет затруднительно. Делают это, уменьшая или увеличивая мощность котла. При этом температура воздуха в отдельных помещениях дома может быть сильно снижена или завышена.

Для регулирования температуры в радиаторах устанавливают вентили. При этом производительность котла будет постоянной, все комнаты в доме будут отапливаться равномерно.

Для обогрева котла используют твёрдое, жидкое топливо или газ. Устанавливают газотрубные или водотрубные котлы. Водотрубное оборудование характеризуется как более безопасное.

Котёл представляет собой цилиндр, вдоль которого находятся трубки. Они заполняются водой. Нагрев происходит за счёт горелки. Температура воды в трубках повышается, образуется пар, который выводится в отопительную систему.

Газотрубное оборудование менее востребовано. В трубках вместо воды находится газ или продукты горения. В самом цилиндре циркулирует вода. Газ нагревает воду, происходит испарение. Пар выводится по патрубкам в систему труб и радиаторов.

Для монтажа магистрали выбирают стальные оцинкованные или медные трубы. Пластиковый материал использовать нельзя, несмотря на то, что производитель декларирует устойчивость к высоким температурам.

Температура пара, которая подаётся в магистраль, превышает 170 0С. Есть риск деформации и разрыва труб. В чём заключаются преимущества и недостатки парового отопления?

Схема обвязки парового котла

Схема обвязки. Источник фото: strangely.ru

Типовая схема обвязки ПК зависит от типа парогенератора и его рабочих параметров.

Для систем центрального теплоснабжения системы жилищно-коммунального хозяйства типовая схема состоит:

1. Парогенератор.
2. Деаэратор.
3. Умягчитель по схеме химической очистки.
4. Дозатор и бак реагентов.
5. Ресивер.
6. Регулируляторы давления.
7. Насос подачи питательной воды в котел.
8. Насос подачи воды из деаэратора в ресивер.

В конструкцию котла также могут входить:

• пароперегреватель — для повышения температуры насыщенного пара;
• сепаратор пара и внутрибарабанные устройства — для удаления влаги из пара.

Разновидности паровых котлов

Существует несколько модификаций паровых котлов. Их разделяют в соответствии со следующими признаками:

• способом перемещения смеси пара с водой. В соответствии с этим параметром оборудование подразделяется на котлы с принудительным и естественным перемещением;
• методом возврата конденсата: разомкнутые и замкнутые устройства;
• характером движения теплоносителя: газотрубные и водотрубные агрегаты.

Газотрубное и водотрубное отопительное оборудование имеет различную конструкцию и эффективность. К категории газотрубного оборудования относятся котлы, в которых перемещение газа осуществляется в жаровых и дымогарных трубках. В процессе движения газы нагревают воду в системе. Трубки опираются на боковые грани топочной камеры.

В водотрубном же оборудовании по трубкам циркулирует вода. Газы в данном случае омывают трубы с внешней стороны.

Рассматриваемые котлы могут использовать для работы твердое топливо, а также мазут и газ.

Пример организации парового отопления

Проектирование системы парового отопления

Даже для небольшого помещения лучше всего составить проект. Система, сделанная на “авось” с большой долей вероятности вскоре потребует переделки, а составленная на бумаге схема позволит сразу же выявить слабые места и исправить их.

Например, для того, чтобы создать систему с естественной циркуляцией теплоносителя, теплообменник, а соответственно, и нагревательный прибор, следует расположить в самой нижней точке дома.

Паропровод и конденсатопровод систем отопления с естественным типом движения теплоносителя устраивают с уклоном в сторону его движения (+)

Это значит, что печь или котел должны стоять ниже всех радиаторов, а также труб, которые стоят не вертикально, а горизонтально или под углом к вертикали.

Если разместить нагревательный прибор таким образом не получается (в доме отсутствует подвал, подвал использован для других целей и т.п.), следует отдать предпочтение отоплению с принудительной циркуляцией.

На схеме изображена система отопления с принудительной циркуляцией. Для ее монтажа понадобится циркуляционный насос и накопительный бак

Поэтому в схему парового отопления необходимо включить насос, который будет нагнетать воду в теплообменник. Важный момент в проектировании отопительной системы – порядок подключения радиаторов. Последовательное подключение или так называемая однотрубная система предполагает соединение всех радиаторов по порядку.

В результате теплоноситель будет последовательно перемещаться по системе, постепенно остывая. Это экономичный вариант подключения, который и установить проще, и по стоимости выйдет дешевле.

Но равномерность прогрева при таком способе пострадает, поскольку первый радиатор будет самым горячим, а в последний теплоноситель поступит в уже наполовину остывшем состоянии.

Однотрубное подключение радиаторов, как видно из этой схемы, предполагает последовательный монтаж. На последний радиатор теплоноситель поступает уже остывшим

Однотрубное решение может быть приемлемым только при подключении парового отопления на даче или в небольшом доме, на площади менее 80 кв. м. А для просторного коттеджа или двухэтажного строения больше подойдет двухтрубная система, при которой радиаторы подключают параллельно.

Схема с одной трубой обеспечивает одновременное, а не последовательное поступление теплоносителя в каждый радиатор, и прогрев помещений осуществляется более равномерно. Но при двухтрубном контуре к каждому радиатору придется подвести две трубы: прямую и “обратку”.

Такая система сложнее в реализации, да и обойдется это немного дороже, чем при установке однотрубной системы. Впрочем, подавляющее большинство систем водяного отопления выполнено по двухтрубной схеме, несмотря на сложности, и функционирует вполне успешно.

На этой схеме показана двухтрубная система монтажа радиаторов парового отопления. Каждый радиатор подключается к общему стояку и имеет обратную трубу, что обеспечивает равномерное распределение теплоносителя

Если в качестве источника тепла предполагается использовать дровяную печь, то следует сразу же просчитать и спроектировать специальный теплообменник. Он выглядит как змеевик, сваренный из металлических труб. Этот элемент встраивается прямо в конструкцию печи, а не устанавливается отдельно.

Поэтому проект новой печи также следует продумать на этапе проектирования. Можно использовать и уже имеющуюся печь, но ее придется частично разобрать, чтобы вмонтировать теплообменник внутрь.

Для получения 9 кВт тепла необходим теплообменник с площадью поверхности около одного квадратного метра. Чем больше отапливаемая площадь, тем больше должны быть размеры теплообменника.

Если отапливать помещение предполагается с помощью котла, то все немного проще: его нужно купить и установить. Обычно для парового отопления в доме рекомендуется брать водотрубную модель котла, как наиболее эффективную.

Хотя жаротрубные, дымогарные или комбинированные дымогарно-жаротрубные модели также могут стать вполне приемлемым вариантом.

Иногда для организации парового отопления используют самодельный котел, в котором сжигают отработанное машинное масло. Но этот вариант считается подходящим для использования в подсобных помещениях, например, в гараже. Для жилого дома такой вариант не слишком хорош.