Основные типы котлов, применяемых в модульных котельных

Паровые котлы

Паровой котел - устройство, служащее для получения водяного пара с давлением выше атмосферного за счет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, а также теплоты отходящих газов.

Основными элементами парового котла являются топка, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, каркас и обшивка.

Развитие паровых котлов шло по двум направлениям – по пути создания газо- и водотрубных котлов.

В газотрубных или жаротрубно-дымогарных котлах дымовые газы проходят внутри труб, а вода омывает их снаружи, а в водотрубных котлах - наоборот.

Жаротрубно-дымогарный котёл состоит из жаровой трубы и труб хода дымовых газов. Жаровые поверхности и поверхности нагреваемые топочными газами с наружной стороны омываются водой. Благодаря этой естественной внутренней циркуляции вода на поверхностях нагрева превращается в пар. Пузырьки пара поднимаются наверх и собираются в паровом объёме для отвода пара рис.3.7.

Рис.3.7. Внешний вид жаротрубно-дымогарного парового котла:

1 - поворотная камера; 2 - коллекторная камера; 3 - задняя огневая камера; 4 - взрывной люк; 5 - главный паровой патрубок; 6 - патрубок питательной воды; 7 - предохранительный клапан; 8 - горелка; 9 - жаровая труба; 10 - дымогарные трубы; 11 - водное пространство; 12 - паровое пространство; 13 - патрубок дымохода

Из недостатков жаротрубных котлов можно выделить большие габариты и значительную металлоемкость, наличие внутренней топки, применение лишь топлива высокого качества.

Самый большой недостаток жаротрубных котлов – они взрывоопасны. Если внезапно снизить давление внутри котла, при большом объеме кипящей воды, мгновенно выделиться большое количество пара, и произойдет взрыв. Это обстоятельство диктует тщательное соблюдение всех правил техники безопасности.

Сейчас зарубежные заводы, которые предлагают жаротрубные котлы, требуют выполнить два условия: первое – должна быть соответствующая химводоподготовка и должна использоваться только химоочищенная вода.

Технические характеристики жаротрубно-дымогарных котлов (ТТК, НА, FR, UNIVERSAL U-HD) приведены в табл. 3.2.

Вертикально-цилиндрические водотрубные паровые котлы состоят из концентрически расположенных цилиндров, пространство между которыми заполнено водой и образует так называемую водяную рубашку. В верхней части наружного цилиндра находится пар. Продукты горения движутся только вверх, омывая трубы и отдавая теплоту питательной воде. Питательная вода поступает в верхний коллектор, опускается по менее обогреваемым конвективным трубам в нижний коллектор, а по экранным трубам пароводяная смесь поступает в верхний коллектор, где происходит отделение пара от воды. Котел снабжен питательным насосом и дутьевым вентилятором. К котлам этого типа относятся котлы МЗК, имеющие рабочее давление 0,8 МПа и паропроизводительностью 0,4 и 1 т/ч. Внешний вид котла представлен на рис.3.8, его технические характеристики приведены в табл. 3.2.

Рис.3.8. Вертикаль-

но-цилиндрический водотрубный паро-

вой котел

МЗК-7АГ-2:

1 - крышка; 2 – поворот-

ная заслонка; 3 – горел-

ка; 4,5,7 - электроды соответственно верхне-

го, нижнего и аварийно-

го уровней воды; 6 - уровнемерная колон-

ка; 8 - воздушный регистр; 9 - вентиль продувки; 10 - нижний коллектор; 11 - трубы; 12 - топка; 13 - верхний коллектор

Водотрубные паровые котлы бывают следующих типов: горизонтальные с продольным или поперечным барабаном, вертикальные с одним или несколькими барабанами, радиационные, вертикальные с вертикальным или поперечным барабаном и комбинации перечисленных вариантов, в некоторых случаях с принудительной циркуляцией.

Вертикально-водотрубный паровой котел состоит из пучков труб, присоединенных своими концами к барабану (или барабанам) определенного диаметра. Направляющие перегородки заставляют топочные газы несколько раз проходить через трубные пучки, благодаря чему обеспечивается более полная теплоотдача. Барабаны служат резервуарами воды и пара. Вода по опускным трубам поступает из верхнего барабана в нижний, а образующаяся пароводяная смесь по остальным трубам котельного пучка поднимается в верхний барабан. Здесь происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Для снижения солесодержания и влажности пара в верхнем барабане установлено сепарационное устройство. При необходимости производства перегретого пара устанавливается пароперегреватель. Пар направляется в пароперегреватель, а вода снова в опускные трубы. К котлам этого типа относятся котлы Е-1-9, ДКВР-2,5; 4,0; 6,5; 10, ДЕ- 4,0; 6,5; 10. Внешний вид котлов ДКВР-6,5-13, Е-1-9 показан на рис. 3.9, 3.10, 3.11. Их технические характеристики приведены в табл. 3.2.

Рис.3.9. Паровой котел типа ДКВР-6,5-13:

1 - топочная камера; 2 - верхний барабан; 3 - манометр; 4 - предохранитель­ный клапан; 5 - питательные трубопроводы; 6 - сепарационное устройство; 7 - легкоплавкая пробка; 8 - камера догорания; 9 - перегородка; 10 - кипятильный пучок труб; 11 - трубопровод непрерывной продувки; 12 - обдувочное устрой­ство; 13 - нижний барабан; 14 - трубопровод периодической продувки; 15 - кирпичная стенка; 16 - коллектор

Рис.3.10. Вертикально-водотрубный паровой котел типа Е-1-9-1г:

1 - верхний барабан; 2 - главный паровой вентиль; 3 - боковой экран; 4 - потолочный экран; 5 - фронтальный экран; 6 - коллектор; 7 - горелка; 8 - камерная топка; 9 - нижний барабан; 10 - котельный пучок труб; 11 - дымовая труба

	Рис. 3.11. Паровой котел серии ДЕ: 1 - верхний барабан; 2 - трубопровод для фосфатирования; 3 - трубопровод для под­вода питательной воды; 4 - солевой отсек барабана; 5 - труба для продувки; 6 - го­релка; 7 - газоплотная перегородка; 8 - правый экран; 9 - топочная камера; 10 - нижний барабан; 11 - конвективный пу­чок; 12 - устройство для обдувки

Таблица 3.2

Технические характеристики паровых котлов, работающих на газообразном и жидком топливе

Водогрейные котлы

Водогрейные котлы предназначены для нагрева воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, а также на различные технологические нужды.

Максимальная температура воды на выходе из котлов составляет 95, 115, 150, 200 ºС, в зависимости от теплопроизводитель-

ности котла.

Все водогрейные котлы так же, как и паровые делятся на газотрубные (с дымогарными и жаровыми трубами) и водотрубные. В газотрубных котлах горячие газы движутся внутри труб, омываемых снаружи водой; в водотрубных – вода перемещается по трубам, а дымовые газы движутся снаружи их.

По материалу, из которого изготовливаются водогрейные котлы, их можно разделить на стальные и чугунные.

По характеру циркуляции воды все водогрейные котлы являются прямоточными, т.е. с однократным движением воды по его отдельным элементам.

Стальные водогрейные жаротрубно-дымогарные котлы

В настоящее время выпускается достаточно большое число стальных водогрейных жаротрубно-дымогарных котлов как отечественными производителями, так и за рубежом. Их широкое применение объясняется простотой монтажа (котел, как правило, поступает моноблоком в полной заводской готовности), простотой обслуживания, хорошей ремонтопригодностью, а также способностью работать при давлении в топке выше атмосферного (под наддувом). К числу достоинств можно отнести их высокую аккумуляционную способность (запас теплоты) из-за большого запаса воды внутри котла, что удобно при резких изменениях расхода горячей воды. К недостаткам таких котлов можно отнести их высокую металлоемкость, а также необходимость работы при относительно низких давлениях воды, не более 0,7 МПа.

Жаротрубно-дымогарные котлы имеют, как правило, цилиндрический корпус, расположенный горизонтально. Внутри корпуса у водогрейных котлов находится горячая вода и размещаются одна или иногда две жаровые трубы. В переднем торце каждой жаровой трубы устанавливается, как правило, вентиляторная горелка, рассчитанная на сжигание газообразного или жидкого топлива. Таким образом, жаровая труба является топочной камерой, в которой сгорает практически все топливо. В зависимости от длины и избыточного давления применяются гладкие или волнистые жаровые трубы. Расположены они всегда в нижней части водного пространства, что повышает теплообмен и улучшает циркуляцию котловой воды.

Если изготовитель котла не указывает, что котел трехходовой, значит горелка практически прямоточная и образует длинный факел. Продукты сгорания достигают противоположной водоохлаждаемой стенки, отдавая теплоту котловой воде.

Если в названии котла присутствует термин трехходовой, то продукты сгорания после жаровой трубы возвращаются назад уже по дымогарным трубам, расположенным, как правило, ближе к жаровой трубе, поворот осуществляется в поворотной камере, продукты сгорания в этой камере разворачиваются на 180º и поступают в дымогарные трубки второго газохода. У фронтовой стены котла дымовые газы в передней кольцевой камере делают еще один поворот и приходят по дымогарным трубам третьего хода в сторону задней стенки. Для более полного использования теплоты дымовых газов в дымогарных трубах третьего газохода устанавливаются специальные турбулизаторы из жаростойкой стали. В более крупных котлах повышение экономичности достигается установкой экономайзера.

Схема работы водогрейного жаротрубного котла приведена на рис.3.12.

Рис.3.12. Схема работы водогрейного жаротрубного котла без экономайзера:

1 - передняя крышка; 2 - топочная камера (жаровая труба); 3 - дымогарные трубы; 4 - трубные доски; 5 - каминная часть котла; 6 - люк в каминной части котла; 7 - горелочное устройство

Цилиндрический корпус жаротрубных котлов всегда покрыт высокоэффективной теплоизоляцией толщиной 100-120 мм. Поверх изоляции корпус обычно обшивают оцинкованными или алюминиевыми листами.

На корпусе котла имеются патрубки подающей и обратной воды (на паровых котлах – питательной воды и насыщенного пара). Для слива воды имеется специальный штуцер.

Камеры сгорания в жаротрубных котлах работают обычно при избыточном давлении. Поэтому установка дымососа для удаления газов не требуется. Воздух для горения обычно подается вентилятором, встроенным в горелочный блок.

На верхней части корпуса имеются штуцеры для предохранительных клапанов и контрольно-измерительных приборов.

На рис.3.13 показан общий вид жаротрубных котлов марки «ТУРБОТЕРМ» и «ЗИОСАБ», а на рис.3.14 приведено устройство этих котлов.

Рис.3.13. Общий вид жаротрубных котлов «ТУРБОТЕРМ» и «ЗИОСАБ»:

1 - корпус котла; 2 - фронтальная крышка котла; 3 - газогорелочное устройство; 4 - газовая рампа; 5 - щит управления, сигнализации и аварийных блокировок; 6 - смотровое окно; 7 - муфта для установки датчика температуры; 8 - штуцер для установки прибора, измеряющего разряжение в топке котла; 9 - газоход; 10 - патрубок входа воды в котёл; 11 - патрубок выхода воды из котла; 12 - патрубок слива конденсата из каминной части котла; 13 - дренажный патрубок котловой воды; 14 - люк прочистки камина; 15 - площадка для обслуживания и монтажа; 16 - зажимы передней крышки; 17 - рама котла; 18 - группа безопасности котла; 19 - такелажные петли

Котел имеет горизонтальную реверсивную камеру сгорания с концентрическим расположением дымогарных труб. Для оптимизации тепловой нагрузки, давления в камере сгорания и температуры отходящих газов дымогарные трубы оснащены турболизаторами из нержавеющей стали.

Технические характеристики водогрейных жаротрубных котлов приведены в табл.3.3 и 3.4.

Рис.3.14. Устройство жаротрубных котлов марки «ТУРБОТЕРМ» и «ЗИОСАБ»:

1 - корпус; 2 - дверца топки; 3 - короб дымовых газов; 4 - опора; 5 – теплоизоля-

ция; 6 - облицовка; 7 - строповая серьга; 8 - коллектор; 9 - дымогарные трубы; 10 - завихрители; 11 - настил; 12 - горелка

Водогрейные водотрубные котлы

Водогрейный водотрубный котел состоит из топки, топочных экранов и конвективных поверхностей нагрева, набираемые из змеевиков. Теплота сгорания топлива передается ограждающим изнутри топку экранам, в которых движется вода. Топочные экраны представляют собой ряд параллельно расположенных труб, объединенных входными и выходными коллекторами.

Недостатком водотрубного котла является то, что в его конструкции много агрегатов и узлов, соединения которых не должны допускать протечек при высоких давлениях и температурах. Кроме того, к агрегатам такого котла, работающим под давлением, затруднен доступ при ремонте.

Схема работы водотрубного котла представлена на рис.3.15.

Таблица 3.3

Технические характеристики котлов «ТУРБОТЕРМ» и «ЗИОСАБ»

Таблица 3.4

Технические характеристики водогрейных жаротрубных котлов

Рис.3.15. Схема работы водотрубного котла

Технические характеристики водотрубных котлов приведены в табл.3.5.

Гидронные котлы

Эви Льюис Миллер, калифорнийский инженер и изобретатель, в 1946 году выдвинул идею о создании высокоскоростных, малообъемных котлов с теплообменником из прямых медных ребристых труб. Он был уверен, что применение этой идеи устранит процессы образования накипи и электролитической коррозии, которые значительно снижают сроки эксплуатации котлов с чугунными секционными и стальными трубчатыми теплообменниками, когда они применяются в системах нагрева воды.

В процессе передачи тепла от горячих газов топки к воде в теплообменнике котла имеют место два основных барьера. Это - плёнка газа на наружной стороне теплообменника, со стороны горячих газов, и плёнка жидкости с внутренней его стороны, водяной части. С внутренней стороны вода формирует застойную зону в виде жидкой плёнки, которая как бы прилипает к металлической поверхности и действует как теплоизолятор, значительно замедляя процесс передачи тепла от металла к воде. Если же воду заставить двигаться с большой скоростью по теплообменнику, то застойная зона будет «смыта» турбулентным потоком, при этом теплопередача увеличится многократно. Темп передачи тепла в котлах, в которых используется принудительная конвекция, до 10 раз выше, чем в котлах со свободной конвекцией (котлы с чугунным секционным теплообменником, стальные котлы - водотрубные, жаротрубные и т.п.). Другими словами, в таких котлах теплосъём с квадратного метра поверхности теплообмена в 4 – 10 раз выше, чем с квадратного метра поверхности теплообменника котла, работающего в режиме свободной конвекции.

Таблица 3.5

Технические характеристики водогрейных водотрубных котлов

Позже котлы с прямоточным высокоэффективным теплообменником стали называть гидронными.

На сегодняшний день многие и европейские, и американские фирмы («ВОЛЬФ», «АТАГ», «СИМЭ» «РЕНДАМАКС», «ПРОТЕРМ», «ЛОШИНВАР» и др.) реализуют идею гидронных котлов в своих изделиях.

Технические характеристики гидронных котлов приведены в табл. 3.6 и 3.7.

Таблица 3.6

Технические характеристики гидронных котлов

Таблица 3.7

Характеристики гидронных котлов для крышных котельных

Вакуумные котлы

Основной идеей, заложенной в конструкцию котла (рис.3.16), является совмещение известной схемы жаротрубного парового котла с трубчатым теплообменным аппаратом.

В результате – единый котельный блок, состоящий из цилиндрической нижней части и прямоугольной верхней части.
В нижней части расположена топочная камера со встроенными подъёмными трубами, а верхняя представляет собой трубный пучок водонагревателя.

Принцип работы котла

Сгорая в топочной камере и проходя через конвективный пучок, продукты сгорания отдают тепло промежуточному теплоносителю - воде, которая кипит под разрежением. Образующийся при кипении пар поступает в межтрубное пространство водонагревателя, где конденсируется, отдавая тепло конденсации нагреваемой воде, проходящей по трубам.

Рис.3.16. Конструктивная схема вакуумного котла:

1 - корпус котла; 2 - жаровая труба; 3 - горелка; 4 - подъемные трубы; 5 - трубчатый теплообменник; 6 - дымовая труба

Конденсат стекает обратно в зону кипения. Нагретая вода отводится в систему теплоснабжения или ГВС. При нагреве воды до 90 °С и ниже котёл работает под вакуумом. Вакуумирование котла перед пуском и периодический отсос неконденсирующихся газов осуществляется штатным вакуумным насосом.

Благодаря отсутствию в котле кислорода, негативно влияющего на котельную сталь, а также использованию нержавеющей стали для изготовления теплообменника, срок службы котлов составляет не менее 20 лет.

В связи с тем, что парообразование в котле происходит при давлении ниже атмосферного, греющая среда – пар – имеет температуру ниже кипения нагреваемой среды, поэтому даже при остановке сетевого насоса сетевая вода, находящаяся в трубках теплообменника при давлении выше атмосферного, не закипит и не сможет создать твёрдых отложений.

Вакуумные котлы имеют естественную циркуляцию, что позволяет экономить электроэнергию.

Сравнение принципиальных блок-схем котельных с традиционными (секционными, жаротрубными, жаротрубно-дымогарными, водотрубными) котлами (рис.3.17а) и вакуумными котлами (рис.3.17б) показывает, что тепловая схема котельной на базе вакуумных котлов отличается простотой и гораздо меньшим количеством оборудования, требующим обслуживания.

а

б

Рис.3.17. Принципиальные блок-схемы котельной:

а- с традиционными котлами; б- с вакуумными котлами

Технические характеристики вакуумных котлов приведены в табл.3.8.

Таблица 3.8

Технические характеристики вакуумных котлов