В этой статье не рассматриваются атомные реакторы и парогенераторы АЭС .

Котёл ( мн. ч. — котлы) — конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройств для передачи некоторому теплоносителю тепловой энергии за счёт сжигания топлива , при протекании технологического процесса или преобразовании электрической энергии в тепловую .

В значительной части случаев теплоносителем котлов служат вода и водяной пар , однако также им может быть масло , ртуть , воздух (см. теплогенератор ) и т. д.

Котлы (кроме электрических) являются разновидностью теплообменных аппаратов , где греющей средой являются продукты сгорания , а нагреваемой — теплоноситель котла.

Термины «котлоагрегат» и «котельная установка»

Название котлоагрегат ( котельный агрегат , неправильно парогенератор ) появилось исторически в ходе развития паровых котлов . Изначально котёл представлял собой простое устройство без разделения по функциям. Впоследствии необходимость получать пар более высоких параметров с лучшей эффективностью и при меньших габаритах заставила развить поверхности нагрева в топке , добавить пароперегреватель , водяной экономайзер , воздухоподогреватель . Всё это с примыкающими трубопроводами , газо- и воздуховодами, арматурой , связанное в единое органическое целое, и получило название котельный агрегат в отличие от «собственно котла». Дополнительными устройствами часто оснащались уже существующие простые котлы либо котлы ранее выпускавшихся серий. В современных котлах большой мощности, особенно прямоточных, выделить «собственно котёл» не представляется возможным, для них термины «котёл» и «котлоагрегат» фактически синонимичны .

Котельная установка — это совокупность устройств и механизмов , предназначенных для производства водяного пара или получения горячей воды. Помимо одного или нескольких котлов, в её состав входят вспомогательные устройства и механизмы: дымососы , , и водоподготовительные установки, топливоподача , в зависимости от вида топлива — ГРП , мазутное хозяйство, системы золо шлакоудаления и . Данные системы могут быть индивидуальными или общими для группы котлов.

Применение

Котлы генерируют пар для привода паровых двигателей (например, турбин электростанций , двигателей паровозов ), теплоту для нужд промышленности (например, текстильной ) и сельского хозяйства , пар и горячую воду для отопления и горячего водоснабжения потребителей.

Теплоносители

Котельные агрегаты, работающие с теплоносителями — водой и паром, делятся на паровые , генерирующие пар , и водогрейные , в которых вода не меняет агрегатного состояния ; встречаются также пароводогрейные ( водогрейно-паровые ) котлы, генерирующие воду и пар одновременно. Котлы на сверхкритические параметры относят к паровым. Котлы с теплоносителем других типов также могут работать с его переходом из жидкого в парообразное состояние или без такового. Применение теплоносителя с высокой температурой кипения при низком давлении (например, определённых типов масла ) либо газового позволяет уменьшить толщину стенок и облегчить эксплуатацию трубопроводов и теплопотребляющего оборудования.

Паровые котлы могут генерировать насыщенный или перегретый пар . В виду высокой стоимости и сложности эксплуатации пароперегревателя и удовлетворительности свойств насыщенного пара (с сухостью обычно не менее 99%) для многих задач, в небольших промышленных и отопительных котлах с давлением пара до 16 атм генерируется почти всегда насыщенный пар.

Часто теплоноситель на выходе из котла отличается от поставляемого непосредственно потребителям (например, в сетях теплоснабжения циркулирует сетевая вода достаточно низкого качества в плане жёсткости , насыщения газами и т. д., при подаче её в котёл он быстро загрязняется). В таком случае передачу тепла осуществляют через специальные теплообменники (в частности, бойлера паровых котельных ).

В некоторых случаях осуществляется перевод паровых котлов на водогрейный режим .

Топливо

Котлы могут потреблять твёрдое , жидкое или газообразное топливо различных видов, в зависимости от которых их топочные и горелочные устройства и некоторые другие элементы могут иметь существенные особенности.

Пиролизные котлы имеют отличительною особенность от твердотопливных котлов классического типа горения. В первой камере котла пиролизного типа топливо древесного происхождения (поленья, колотые дрова, обрезки, щепа, опилки, стружка) в условиях термического разложения и недостатка кислорода выделяет газовую смесь, насыщенную углеродом. При контакте с раскаленной поверхностью форсунок газовая смесь воспламеняется во второй камере пиролизного котла и горит с большим выделением тепла . Коэффициент полезного действия таких газогенераторных котлов существенно выше, чем эффективность работы классических котлов на твердом топливе прямого горения.

Иногда производится переделка котлов с одного вида топлива на другой (как правило, твердотопливных на газ) .

Энерготехнологические котлы в своих топках производят переработку технологических материалов (например, токсичных стоков и , мелкозернистых материалов типа керамзита , природных фосфатов ) ; теплота от уходящих газов, чтобы её не выбрасывать бесполезно в атмосферу , воспринимаются поверхностями котла.

Топливо непосредственно не потребляют электрические котлы , а также котлы-утилизаторы , в которых используется теплота горячих газов технологического процесса или двигателей (например, газовой турбины в ПГУ ) . Возможны комбинированные котлы, использующие электричество или внешнюю теплоту и при этом (одновременно или альтернативно) сжигающие внутри себя топливо. Топка котла-утилизатора, где в основной поток газов добавляется горящее топливо и иногда дополнительный воздух , носит название камера дожигания .

Топочные и горелочные устройства

Вид топлива, для которого разработан котёл, влияет прежде всего на топочные и горелочные устройства. Основные конструкции топок следующие:

Твердотопливные

• Исторически первый тип топок, ведущий происхождение от первобытного костра .

  • С неподвижной колосниковой решёткой и неподвижным слоем топлива

    Топливо может загружаться вручную, через дверцу, или механически, из бункера (часто с помощью ).

  • С цепной решёткой (прямого или обратного хода)

    Топливо перемещается от места загрузки на полотне из фасонных колосников, соединённых цепями , надетыми на звёздочки . Основной недостаток — большая неполнота сгорания топлива.

• Топки с кипящим слоем

Для жидкого и газообразного топлива

Классификация

По транспортабельности

Энергетические паровые и водогрейные котлы могут быть стационарными (устанавливаются на неподвижном фундаменте) или передвижными (на средстве передвижения или на подвижном фундаменте) .

Режим газового тракта

Под наддувом, под разрежением, газоплотные.

Конструкция котлов

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Водотрубные, ланкаширские, «девятка», барабанные…

Крупные котлы с камерной топкой могут иметь следующие типы компоновки :

Башенная

П-образная

Т-образная

Бытовые котлы могут быть настенными или напольными. Многие котлы мощностью до 1-2 МВт собираются из чугунных секций, аналогичных секциям радиаторов отопления .

Элементы пароводяного тракта котлоагрегатов

Барабан

Барабан парового котла — это сосуд, как правило, в виде горизонтально лежащего цилиндра , в котором начинаются и заканчиваются трубопроводы циркуляции среды через испарительные поверхности и в котором происходит сепарация (прежде всего гравитационная) паровой фазы от жидкой. В барабан поступает вода из экономайзера (или питательная вода, если экономайзера нет), из верхней части забирается пар, из нижней обычно забирают воду по мере накопления в ней с испарением солей (продувка). Для улучшения сепарации внутри барабана имеются различные устройства. Барабан является наиболее толстостенным элементом барабанного котла, поэтому стоит дорого, а тепловые напряжения в металле барабана определяют маневренность котлов. Однако применение паровых котлов без барабана (прямоточных) требует более сложной водоподготовки .

Жаротрубный котёл , фактически, представляет собой барабан, вдоль оси пронизанный трубами, по которым проходят газы. Водотрубные котлы , напротив, развились из котлов с несколькими барабанами, обогреваемыми снаружи газами . В крупных современных водотрубных котлах барабан не омывается газами или получает от них лишь незначительную часть тепловой мощности котла, в то время как основная её часть воспринимается поверхностями нагрева , состоящими из множества параллельных труб, внутри которых протекает рабочее тело.

Поверхности нагрева

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 23 апреля 2012 )

Поверхности нагрева могут быть нагревательными (для жидкой фазы), испарительными (для полного или частичного перехода жидкой фазы в пар ) или перегревательными (для нагрева паровой фазы выше температуры насыщения ) ^:9 . Также по механизму теплообмена с газами их делят на радиационные (в основном лучистый теплообмен ), конвективные (в основном теплообмен путём конвективной теплоотдачи) и радиационно-конвективные (оба механизма имеют примерно одинаковое значение).

Экономайзер

Экономайзер — поверхность нагрева полностью или в основном нагревательного характера (иногда встречаются кипящие экономайзеры, где до 10% воды всё же переходит в пар). Термин применяется к паровым котлам; в трубы экономайзера поступает , то есть такая, давление которой повышено до максимального в цикле тепловой установки. Во многих котлах экономайзер — последняя по ходу газов поверхность, не считая воздухоподогревателя. При низких температурах газов в этой области лучистый теплообмен не эффективен, поэтому экономайзер — типично конвективная поверхность нагрева: он состоит из большого количества параллельных пучков изогнутых труб, как правило, с развитым спиральным или плавниковым .

Топочные экраны

В большинстве современных котлов, как водогрейных, так и паровых, значительная часть поверхности топки покрыта экранами — блоками параллельно расположенных труб. Исторически это делалось для того, чтобы защитить несущие конструкции котла от термического воздействия открытого пламени , но в современных котлах топочные экраны воспринимают весьма значительную часть общей тепловой мощности за счёт лучистого теплообмена. Различают передний (фронтальный), задний, боковые и потолочный экраны, в некоторых котлах экраны продолжаются и по поду (дну) топки; кроме того, в котле могут быть двусветные экраны, которые с обеих сторон подвергаются излучению. Во фронтальных экранах должны быть промежутки (обычно обеспечиваемые изгибами близлежащих труб), в которые открываются сопла горелок. В прямоточных котлах принято различать в экранах нижнюю (НРЧ), среднюю (СРЧ) и верхнюю (ВРЧ) радиационные части ^:11—12 .

Экранные трубы обычно гладкие, за исключением плавников или листовых проставок, которыми они могут быть соединены друг с другом (излучение, попавшее на эти листы, передаётся к трубам за счёт высокой теплопроводности металла, таким образом обмуровка топки в промежутках между трубами так же защищается). В наиболее мощных котлах в зоне в близи горелок поток излучения настолько высок, что экраны приходится защищать там огнеупорными обмазками; чтобы они держались, а также для улучшения теплообмена, к трубам привариваются со стороны топки шипы или плавники. Также есть опыт применения необмазанных труб с плавниками внутри топки для защиты труб от действия топлива ^{[ источник не указан 4301 день ]} . Снаружи котла экраны теплоизолируют , обычно обмуровывают и покрывают обшивкой для газоплотности ^{:86, 87} . Тем не менее, добиться газоплотности топки в виду огромной площади экранов весьма сложно.

Наиболее обычное применение экранов в энергетических котлах с естественной циркуляцией — в качестве испарительной поверхности; трубы при этом располагаются вертикально с минимальным числом гибов, , в которые они вварены — горизонтально. Для того, чтобы напора циркуляции хватало на преодоление сопротивления экрана, диаметр труб должен быть достаточно большим (∅ 50—60 мм). Процесс кипения позволяет очень эффективно отводить тепло и не допускать перегрева металла труб, возможного в виду высокой напряжённости теплового потока к экранам. За проход экрана испаряется 4–25 % воды ^:14 . Чтобы неравномерность обогрева различных частей топки меньше сказывалась на надёжности циркуляции, испарительные экраны делят на секции, каждая из которых формирует отдельный циркуляционный контур, — панели ^{:86, 87} . В верхней части топок (где тепловые нагрузки не так велики, а также в потолочном экране, где естественная циркуляция затруднена) нередко размещают пароперегревательные экранные поверхности, в которых направление труб принципиальной роли обычно не играет.

В прямоточных котлах часто применяют ленточную с многоходовыми подъёмными и подъёмно-опускными панелями. НРЧ в котле Л. К. Рамзина (на докритические параметры) выполняется в виде ленты труб с горизонтально-подъёмной навивкой (под углом 15—20°) и служит для испарения примерно 80 % воды; далее смесь следует в конвективную поверхность переходной зоны в опускном газоходе, а оттуда пар возвращается на перегрев в СРЧ и ВРЧ ^{:18—20, 89, 90} . Соответственно, в прямоточных котлах бывают вертикальные коллектора; однако в испарительной части поверхности на некоторых режимах возможно расслоение среды в таких коллекторах, что существенно ухудшает условия работы следующих поверхностей .

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Прочие устройства

Этот раздел статьи ещё не написан . Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его. ( 30 сентября 2016 )

Регулирование котлоагрегатов

Этот раздел статьи ещё не написан . Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его. ( 30 сентября 2016 )

В Советском Союзе

В Советском Союзе производством отопительного оборудования занимались Братский завод Отопительного Оборудования (котёл "Братск", УКМТ-1 ), "Союзлесстрой" ("КВАНТ-1", 1983 г.), Билимбаевский завод (несущие конструкции котельной "КВАНТ"), Ярославский завод технологических конструкций и металлооснастки ("Аксиома-3", 1985 г.) по разработкам НИИСТ Минстройматериалов СССР и ЦНИИЭП инженерного оборудования .

Цельноперевозные котельные на твердом топливе демонстрировались на выставке «Мобильные здания-86» ВДНХ СССР .

Котельная "КВАНТ"

Водогрейная автоматизированная транспортабельная котельная "КВАНТ" появилась в 1983 г. У котельных рассматриваемого типа трубчатый механизированный котлоагрегат, оснащённый механической топкой с шурующей планкой.

Технические характеристики . Мощность — 1 МВт. КПД котла достигает 82% (на каменном угле) и 78% (на буром угле). Температура теплоносителя перед котлом не ограничивается, а на выходе из котла достигает 115°. Минимальный расход теплоносителя — 8 т/ч.

Котельная "АКСИОМА-3"

Агрегатируемая секционная инвентарная отопительная автоматизированная котельная "АКСИОМА-3" появилась в 1985 г.

Подачи топлива в топку, разравнивание и рыхление топлива, а также сброс шлака осуществляется с помощью управляющего центра «РОБОТ».

Технические характеристики . Мощность — 3 МВт. КПД котла достигает 82,5% (на каменном угле) и 79% (на буром угле) ; температура теплоносителя перед котлом не ограничивается, а на выходе из котла достигает 130°; минимальный расход теплоносителя — 5 т/ч.; абсолютное давление теплоносителя — 1,6 МПа; габариты составляют 11,0х3,2x3,2 м. при массе 19 т.

Примечания