Паровий котел – пристрій, який використовується в побуті та промисловості. Воно призначене для перетворення води на пару. Отриману пару надалі застосовують для обігріву житла або обертання турбомашин. Які бувають парові машини і де вони найбільш популярні?

Що таке паровий котел?

Паровий котел – агрегат для виробництва пари. При цьому пристрій може давати 2 види пари: насичений і перегрітий. Насичена пара має температуру 100ºC і тиск 100 кПа. Перегріта пара відрізняється підвищеною температурою (до 500ºC) та високим тиском (більше 26 МПа).

На замітку Насичену пару використовують в опаленні приватних будинків, перегріту — у промисловості та енергетиці. Він краще переносить тепло, тому використання перегрітої пари підвищує ККД роботи установки.

Де використовуються парові котли:

1. В опалювальній системі пар є енергоносієм.
2. В енергетиці використовуються промислові парові машини (парогенератори) для отримання електроенергії.
3. У промисловості — перегріта пара може бути використана для перетворення на механічний рух та переміщення транспортних засобів.

Парові котли: сфера застосування

Побутові парові пристрої використовуються як джерело тепла для опалення будинку. Вони підігрівають ємність з водою і женуть пар, що утворився, в труби опалення. Часто таку систему облаштують разом із вугільною стаціонарною піччю або котлом. Як правило, побутові прилади для опалення парою створюють тільки насичену, неперегріту пару.

Для промислового застосування пар перегрівають. Його продовжують гріти після випаровування, щоб ще більше підняти температуру. Такі установки вимагають якісного виконання, щоб запобігти вибуху парової ємності.

Перегріта пара з котла може витрачатися на освіту електрики або механічний рух. Як це відбувається? Після випаровування пар потрапляє до парової турбіни. Тут потік пари обертає вал. Це обертання надалі переробляється на електрику. Так одержують електричну енергію в турбінах електростанцій – при обертанні валу турбомашин утворюється електричний струм.

Крім утворення електричного струму, обертання валу може передаватися безпосередньо на двигун та на колеса. Внаслідок чого паровий транспорт починає рухатися. Відомий приклад парової машини – паровоз. У ньому при спалюванні вугілля нагрівалася вода, утворювалася насичена пара, яка обертала вал двигуна та колеса.

Принцип роботи парового казана

Джерелом тепла для нагрівання води в паровому казані може бути будь-який вид енергії: сонячна, геотермальна, електрична, тепло від згоряння твердого палива чи газу. Пар, що утворюється, є теплоносієм, він переносить тепло згоряння палива до місця його застосування.

У різних конструкціях парових котлів використовується загальна схема підігріву води та її перетворення на пару:

• Вода очищається та подається в резервуар за допомогою електронасосу. Як правило, резервуар розташований у верхній частині казана.
• З резервуару трубами вода стікає вниз в колектор.
• З колектора вода піднімається знову нагору через зону нагрівання (горіння палива).
• Усередині водної труби утворюється пара, яка під дією різниці тисків між рідиною та газом піднімається вгору.
• Вгорі пара проходить через сепаратор. Тут він відокремлюється від води, залишки якої повертаються до резервуару. Далі пара надходить у паропровід.
• Якщо це не простий паровий котел, а парогенератор, його труби вдруге проходять через зону горіння і нагріву.

Влаштування парового котла

Паровий котел є ємністю, всередині якої нагріта вода випаровується і утворює пару. Як правило, це труба різного розміру.

Крім труби з водою, в котлах є камера топки (в ній згоряє паливо). Конструкція топки визначається видом палива, котрого сконструйований котел. Якщо це тверде вугілля, дрова, то внизу камери топки є колосникові грати. На ній розташовують вугілля та дрова. Знизу через колосники в топку проходить повітря. Для ефективної тяги (руху повітря та горіння палива) вгорі топки влаштовують димар.

Якщо енергоносій – рідкий або газоподібний (мазут, газ), то в камеру топки вводять пальник. Для руху повітря також роблять вхід і вихід (колосникові грати та димар).

Гарячий газ від згоряння палива піднімається до ємності із водою. Він нагріває воду і виходить через димар. Нагріта до температури кипіння вода починає випаровуватися. Пара піднімається вгору і надходить у труби. Так відбувається природна циркуляція пари у системі.

Класифікація парових казанів

Парові котли класифікують за кількома ознаками. По виду палива, на якому вони працюють:

• газовые;
• угольные;
• мазутные;
• электрические.

За призначенням:

• бытовые;
• промышленные;
• энергетические;
• утилизационные.

За конструктивними особливостями:

• газотрубные;
• водотрубные.

Давайте розглянемо, чим відрізняється конструкція газотрубних та водотрубних машин.

Газо- та водотрубні котли: відмінності

Місткість для утворення пари часто являє собою трубу або кілька труб. Воду в трубах обігрівають гарячі гази, що утворюються під час згоряння палива. Пристрої, в яких гази піднімаються до труб із водою, називають газотрубними казанами. Схема газотрубного агрегату наведено малюнку.

Є інші конструкції, в яких газ рухається трубою всередині ємності з водою. У таких пристроях водні ємності називають барабанами, а самі пристрої водотрубними паровими котлами. Залежно від розташування барабанів із водою, водотрубні котли класифікують на горизонтальні, вертикальні, радіальні, а також комбінації різних напрямків труб. Схема руху води водотрубного котла наведено малюнку.

Газо- та водотрубні котли: порівняння

Для порівняння газо- та водотрубних котлів наведемо деякі факти:

1. Розмір труб для води та пари: у газотрубних котлів труби – більше, у водотрубних – менше.
2. Потужність газотрубного котла обмежена тиском 1 МПа і теплоутворювальною здатністю – до 360 кВт. Це з великим розміром труб. У них може утворюватися значна кількість пари та високий тиск. Збільшення тиску і кількості теплоти, що утворюється, вимагає значного потовщення стінок. Ціна такого котла з товстими стінками буде невиправдано високою, економічно невигідною.
3. Потужність водотрубного котла – вище, ніж газотрубного. Тут використовують труби невеликого діаметру. Тому тиск і температура пари може бути більшою, ніж у газотрубних агрегатах.

На замітку Водотрубні котли безпечніші, потужніші, виробляють високу температуру і допускають значні навантаження. Це дає їм перевагу перед газотрубними агрегатами.

Додаткові елементи агрегату

У конструкцію парового котла можуть входити не лише топкова камера та труби (барабани) для циркуляції води та пари. Додатково використовуються пристрої, які збільшують ефективність роботи системи (піднімають температуру пари, її тиск, кількість):

1. Пароперегрівач – підвищує температуру пари вище за +100ºC. Це своє чергу підвищує економічність і ККД роботи машини. Температура перегрітої пари може досягати 500 ºC (так працюють парові казани в атомних станціях). Пара додатково нагрівається в трубах, в які він надходить після випаровування. При цьому він може мати власну камеру топки або бути вбудований в загальний паровий котел. Конструктивно розрізняють конвекційні та радіаційні пароперегрівачі. Радіаційні конструкції нагрівають пару в 2-3 рази сильніше, ніж конвекційні.
2. Сепаратор пари – видаляє з пари вологу і робить його сухим. Цим збільшується ефективність роботи пристрою, його ККД.
3. Паровий акумулятор – пристрій, який відбирає із системи пар, коли його багато, і додає його до системи, коли його недостатньо, мало.
4. Пристрій для підготовки води – знижує кількість розчиненого у воді кисню (що попереджає корозію), видаляє розчинені у воді мінерали (хімічними реагентами). Ці заходи попереджають засмічення труб накипом, який погіршує тепловіддачу та формує умови для прогорання труб.

Крім того, є клапани для зливу конденсату, повітропідігрівачі, і обов’язково — система контролю та керування. До неї входять вмикач та вимикач горіння, автоматичні регулятори витрати води, палива.

Парогенератор: потужна парова машина

Парогенератор – це паровий котел, який забезпечений кількома додатковими пристроями. До його конструкції входять один або кілька проміжних пароперегрівачів, які збільшують потужність його роботи в десятки разів. Де використовуються потужні парові машини?

Головне застосування парогенераторів знайшли в атомних електростанціях. Тут за допомогою пари енергія розпаду атома перетворюється на електрику. Опишемо два способи підігріву води та утворення пари в реакторі:

1. Вода омиває корпус реактора зовні, при цьому нагрівається сама і охолоджує реактор. Таким чином, утворення пари відбувається в окремому контурі (вода нагрівається об стінки реактора і передає тепло випарний контур). У такій конструкції використовується парогенератор – він виконує роль теплообмінника.
2. Труби для нагрівання води проходять усередині реактора. При подачі труб у реактор він стає камерою топки, а пара передається безпосередньо в електрогенератор. Така конструкція отримала назву киплячого реактора. Тут парогенератор не потрібний.

Промислові парові агрегати – потужні машини, які забезпечують людей електрикою. Побутові агрегати також працюють на службі людини. Парові котли дозволяють обігрівати будинок та виконувати різну роботу, а також дають левову частку електричної енергії для металургійних заводів. Парові котли – основа промисловості.