Котел или парогенератор — это устройство, используемое для создания пара путем подачи тепловой энергии в воду . Хотя определения несколько гибкие, можно сказать, что старые парогенераторы обычно назывались котлами и работали при низком и среднем давлении (7–2000 кПа или 1–290 фунтов на квадратный дюйм ), но при давлениях выше этого чаще говорят парогенератора .
Котел или парогенератор используется везде, где требуется источник пара. Форма и размер зависят от применения: в мобильных паровых двигателях, таких как паровозы , портативные двигатели и паровые дорожные транспортные средства, обычно используется котел меньшего размера, который является неотъемлемой частью транспортного средства; Стационарные паровые двигатели , промышленные установки и электростанции обычно имеют более крупную отдельную парогенерирующую установку, соединенную с точкой использования трубопроводом. Заметным исключением является беспожарный локомотив с паровым двигателем, в котором отдельно вырабатываемый пар передается в ресивер (резервуар) на локомотиве.
Парогенератор или паровой котел является неотъемлемым компонентом парового двигателя , если рассматривать его как первичный двигатель . Однако его необходимо рассматривать отдельно, поскольку в некоторой степени различные типы генераторов могут сочетаться с различными агрегатами двигателей. Котел включает в себя топку или печь для сжигания топлива и выработки тепла . Вырабатываемое тепло передается воде для образования пара , процесса кипения . При этом образуется насыщенный пар со скоростью, которая может варьироваться в зависимости от давления над кипящей водой. Чем выше температура печи, тем быстрее вырабатывается пар. Полученный таким образом насыщенный пар может затем либо немедленно использоваться для производства энергии через турбину и генератор переменного тока , либо может быть дополнительно перегрет до более высокой температуры; это заметно снижает содержание взвешенной воды, заставляя заданный объем пара производить больше работы и создает больший температурный градиент, что помогает снизить вероятность образования конденсата . Любое оставшееся тепло в дымовых газах может быть либо отведено, либо пропущено через экономайзер , роль которого заключается в нагреве питательной воды до того, как она достигнет котла.
Для первого двигателя Ньюкомена 1712 года котел представлял собой не что иное, как большой пивной котел , установленный под силовым цилиндром. Поскольку мощность двигателя обеспечивалась за счет вакуума , создаваемого конденсацией пара, требовались большие объемы пара при очень низком давлении, едва превышающем 1 фунт на квадратный дюйм (6,9 кПа ). Весь котел был заложен кирпичной кладкой , сохранявшей некоторое количество тепла. На решетке под слегка вогнутой сковородой, образувшей очень маленькую поверхность нагрева, горел большой угольный огонь; поэтому в дымоход уходило много тепла . В более поздних моделях, особенно Джона Смитона , поверхность нагрева была значительно увеличена за счет того, что газы нагревали стенки котла, проходя через дымоход . Смитон еще больше удлинил путь газов с помощью спирального лабиринтного дымохода под котлом. Эти котлы с недостаточной топкой использовались в различных формах на протяжении 18 века. Некоторые были круглого сечения (сена). Более длинная версия прямоугольного плана была разработана примерно в 1775 году Бултоном и Ваттом (котел на крыше вагона). Это то, что сегодня известно как трехходовой котел: огонь нагревает нижнюю часть, газы затем проходят через центральный трубчатый дымоход квадратного сечения и, наконец, вокруг боковых сторон котла.
Одним из первых сторонников цилиндрической формы был британский инженер Джон Блейки, предложивший свою конструкцию в 1774 году. [1] [2] Другим ранним сторонником был американский инженер Оливер Эванс , который справедливо признал, что цилиндрическая форма была лучшей из всех существующих. точки зрения механического сопротивления и к концу XVIII века начал включать ее в свои проекты. [ нужна цитата ] Вероятно, вдохновленный работами Леупольда о схеме двигателя «высокого давления», которые появились в энциклопедических трудах с 1725 года, Эванс отдавал предпочтение «сильному пару», то есть неконденсирующим двигателям, в которых только давление пара приводило в движение поршень, а затем истощалось до атмосфера. Преимущество сильного пара, по его мнению, заключалось в том, что больший объем работы можно выполнить меньшими объемами пара; это позволило уменьшить размеры всех компонентов, а двигатели можно было адаптировать для транспортных средств и небольших установок. С этой целью он разработал длинный цилиндрический горизонтальный котел из кованого железа , в который была включена одна дымовая труба, на одном конце которой была помещена жаровая решетка . Затем поток газа направлялся в проход или дымоход под корпусом котла, затем разделялся и возвращался через боковые дымоходы, чтобы снова присоединиться к дымоходу (котел с двигателем Колумбия). Эванс включил свой цилиндрический котел в несколько двигателей, как стационарных, так и мобильных. Из соображений занимаемого места и веса последние имели одноходовую вытяжку непосредственно из жаровой трубы в дымоход. Другим сторонником «сильного пара» в то время был корнуоллец Ричард Тревитик . Его котлы работали при давлении 40–50 фунтов на квадратный дюйм (276–345 кПа) и имели сначала полусферическую, а затем цилиндрическую форму. С 1804 года Тревитик производил небольшой двухходовой котел с обратным дымоходом для полупортативных и локомотивных двигателей. Корнуоллский котел , разработанный примерно в 1812 году Ричардом Тревитиком, был одновременно более мощным и эффективным, чем предыдущие простые котлы. Он состоял из цилиндрического резервуара для воды длиной около 27 футов (8,2 м) и диаметром 7 футов (2,1 м) и имел угольную решетку, расположенную на одном конце единственной цилиндрической трубы шириной около трех футов, которая проходила продольно внутри резервуара. . Огонь велся с одного конца, и горячие газы из него проходили по трубе и выходили из другого конца, чтобы циркулировать обратно по дымоходам, идущим снаружи, а затем в третий раз под стволом котла, прежде чем выйти в дымоход. Позже он был усовершенствован другим трехходовым котлом, котлом Ланкашира , в котором была пара топок в отдельных трубах, расположенных рядом. Это было важным улучшением, поскольку каждую печь можно было топить в разное время, что позволяло очищать одну во время работы другой.
Котлы железнодорожных локомотивов обычно были одноходовыми, хотя раньше были распространены двухходовые котлы с «обратным дымоходом», особенно в локомотивах, построенных Тимоти Хаквортом .
Значительный шаг вперед был сделан во Франции в 1828 году, когда Марк Сеген изобрел двухходовой котел, второй проход которого представлял собой пучок нескольких труб. Аналогичной конструкцией с естественной индукцией, используемой в морских целях, был популярный морской котел Scotch .
Перед испытаниями в Рейнхилле 1829 года Генри Бут , казначей Ливерпульско-Манчестерской железной дороги , предложил Джорджу Стефенсону схему многотрубного одноходового горизонтального котла, составленного из двух агрегатов: топки, окруженной водными пространствами, и бочки котла. состоящая из двух телескопических колец, внутри которых были закреплены 25 медных трубок; пучок трубок занимал большую часть водного пространства в стволе и значительно улучшал теплообмен . Старый Джордж немедленно сообщил о схеме своему сыну Роберту, и это был котел, использованный на « Ракете» Стивенсона , которая выиграла испытания. Эта конструкция легла в основу всех последующих локомотивов, построенных Стефенсоном, и была немедленно подхвачена другими конструкторами; этот образец жаротрубного котла строится до сих пор.
Котел 1712 года был собран из клепанных медных пластин с куполообразной крышкой, сделанной в первых образцах из свинца. Позже котлы стали делать из небольших кованых пластин, склепанных вместе. Проблема заключалась в производстве достаточно больших пластин, так что даже давление около 50 фунтов на квадратный дюйм (344,7 кПа ) не было абсолютно безопасным, а чугунный полусферический котел первоначально не использовался Ричардом Тревитиком. Эта конструкция с небольшими пластинами сохранялась до 1820-х годов, когда стали возможными пластины большего размера, которые можно было свернуть в цилиндрическую форму с помощью всего лишь одного стыкового шва, усиленного косынкой ; Sans Pareil 11 Тимоти Хакворта 1849 года имел продольный сварной шов. [3] Сварные конструкции для котлов локомотивов приживались крайне медленно.
Прямоточные однотрубные водотрубные котлы, используемые Доблом, Ламонтом и Притчардом, способны выдерживать значительное давление и сбрасывать его без опасности взрыва.
Источником тепла для котла является сжигание любого из нескольких видов топлива, например , древесины , угля , нефти или природного газа . Ядерное деление также используется в качестве источника тепла для производства пара. Парогенераторы-утилизаторы (HRSG) используют тепло, отводимое от других процессов, таких как газовые турбины .
Чтобы создать оптимальные характеристики горения огня , воздух необходимо подавать как через решетку, так и над огнем. Большинство котлов теперь зависят от оборудования с механической тягой , а не с естественной тягой . Это связано с тем, что естественная тяга зависит от условий наружного воздуха и температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от высоты дымохода. Все эти факторы затрудняют достижение эффективной тяги и, следовательно, делают механическое вытяжное оборудование гораздо более экономичным. Существует три типа механической тяги:
Следующий этап процесса — вскипятить воду и получить пар. Цель состоит в том, чтобы обеспечить максимально полную передачу тепла от источника тепла к воде. Вода заключена в ограниченном пространстве, нагреваемом огнем. Образующийся пар имеет меньшую плотность, чем вода, и поэтому будет накапливаться в резервуаре на самом высоком уровне; его температура останется на уровне кипения и будет только увеличиваться по мере увеличения давления. Пар в этом состоянии (находящийся в равновесии с жидкой водой, испаряющейся внутри котла) называется « насыщенным паром ». Например, насыщенный пар при атмосферном давлении кипит при 100 °C (212 °F). Насыщенный пар, отбираемый из котла, может содержать увлеченные капли воды, однако хорошо спроектированный котел будет подавать практически «сухой» насыщенный пар с очень небольшим количеством увлеченной воды. Продолжающийся нагрев насыщенного пара приведет пар в «перегретое» состояние, когда пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения, и в этом состоянии жидкая вода существовать не может. В большинстве поршневых паровых двигателей XIX века использовался насыщенный пар, однако современные паровые электростанции повсеместно используют перегретый пар , что обеспечивает более высокую эффективность парового цикла .
Л.Д. Порта приводит следующее уравнение, определяющее КПД паровоза , применимое к паровым двигателям всех типов: мощность (кВт) = производство пара (кг·ч -1 )/удельный расход пара (кг/кВт·ч).
Из данного количества воды можно получить большее количество пара, перегревая ее. Поскольку огонь горит при гораздо более высокой температуре, чем насыщенный пар, который он производит, гораздо больше тепла может быть передано когда-то образовавшемуся пару за счет его перегрева и превращения взвешенных в нем капель воды в большее количество пара, что значительно снижает потребление воды.
Пароперегреватель работает так же, как змеевики кондиционера , но с другой целью. Паропровод (с проходящим по нему паром) направляется через тракт дымовых газов в топку котла. Эта область обычно находится в диапазоне 1300–1600 ° C (2372–2912 ° F ). Некоторые пароперегреватели относятся к лучистому типу (поглощают тепло за счет теплового излучения ), другие — конвекционного типа (поглощают тепло через жидкость, например газ), а некоторые представляют собой комбинацию этих двух типов. Таким образом, будь то конвекция или излучение, чрезмерное тепло в топке котла/тракте дымовых газов также будет нагревать паровой трубопровод пароперегревателя и пар внутри него. Пока температура пара в пароперегревателе повышается, давление пара не повышается: турбина или движущиеся поршни создают «постоянно расширяющееся пространство», а давление остается таким же, как в котле. [4] Процесс перегрева пара, прежде всего, предназначен для удаления всех капель, вовлеченных в пар, чтобы предотвратить повреждение лопаток турбины и/или связанных с ними трубопроводов. Перегрев пара увеличивает объем пара, что позволяет заданному количеству (по весу) пара генерировать больше энергии.
Когда капли удаляются полностью, говорят, что пар находится в перегретом состоянии.
В стефенсоновском паровозном котле с жаротрубными трубами это влечет за собой направление насыщенного пара через трубы малого диаметра, подвешенные внутри жаротрубных труб большого диаметра, приводя их в контакт с горячими газами, выходящими из топки; насыщенный пар течет назад из мокрого коллектора в топку, а затем снова направляется в сухой коллектор. Перегрев стал широко применяться для локомотивов только примерно в 1900 году из-за проблем перегрева и смазки движущихся частей в цилиндрах и паровых камерах . Многие жаротрубные котлы нагревают воду до кипения, а затем используют пар при температуре насыщения, другими словами, температуре кипения воды при заданном давлении (насыщенный пар); он все еще содержит большую часть воды во взвешенном состоянии. Насыщенный пар может и использовался непосредственно в двигателе, но поскольку взвешенная вода не может расширяться и совершать работу, а работа предполагает падение температуры, большая часть рабочей жидкости тратится впустую вместе с топливом, затрачиваемым на ее производство.
Другой способ быстрого производства пара — подача воды под давлением в трубу или трубы, окруженные дымовыми газами. Самый ранний пример этого был разработан Голдсуорси Герни в конце 1820-х годов для использования в паровых вагонах. Этот котел был сверхкомпактным и легким по весу, и с тех пор такая конструкция стала нормой для морских и стационарных установок. Трубки часто имеют большое количество изгибов, а иногда и ребер, чтобы максимально увеличить площадь поверхности. Этот тип котла обычно предпочтителен для систем с высоким давлением, поскольку вода/пар под высоким давлением содержится в узких трубах, которые могут выдерживать давление с более тонкими стенками. Однако он может быть подвержен повреждению из-за вибрации в наземных транспортных средствах. В чугунном секционном котле, который иногда называют «котлом для свиных отбивных», вода содержится внутри чугунных секций. Эти секции механически собираются на месте для создания готового котла.
Сверхкритические парогенераторы часто используются для производства электроэнергии . Они работают при сверхкритическом давлении. В отличие от «подкритического котла», сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (свыше 3200 фунтов на квадратный дюйм или 22,06 МПа ), что фактическое кипение перестает происходить, в котле отсутствует разделение жидкой воды и пара. В воде не образуются пузырьки пара, поскольку давление превышает критическое давление , при котором могут образовываться пузырьки пара. Он проходит ниже критической точки, поскольку работает в турбине высокого давления, и попадает в конденсатор генератора . Это приводит к немного меньшему использованию топлива и, следовательно, к меньшему производству парниковых газов . Термин «котел» не следует использовать для парогенератора сверхкритического давления, поскольку в этом устройстве фактически не происходит «кипения».
Питательная вода для котлов должна быть максимально чистой с минимальным содержанием взвешенных веществ и растворенных примесей, вызывающих коррозию , пенообразование и унос воды . Наиболее распространенными вариантами деминерализации питательной воды котлов являются обратный осмос (ОО) и ионный обмен (IX). [6]
Когда вода превращается в пар, она увеличивается в объеме в 1600 раз и движется по паровым трубам со скоростью более 25 м/с. По этой причине пар является хорошим способом перемещения энергии и тепла по объекту от центральной котельной туда, где это необходимо, но без правильной очистки питательной воды котла пароподъёмная установка будет страдать от образования накипи и коррозии. В лучшем случае это увеличивает затраты на электроэнергию и может привести к ухудшению качества пара, снижению эффективности, сокращению срока службы установки и ненадежной работе. В худшем случае это может привести к катастрофическому отказу и гибели людей. Хотя в разных странах могут существовать различия в стандартах, применяются строгие требования законодательства, тестирования, обучения и сертификации, чтобы свести к минимуму или предотвратить такие случаи. Режимы отказа включают в себя:
В паровой машине Doble используется противоточный генератор прямоточного типа, состоящий из непрерывной трубы. Огонь здесь находится сверху змеевика, а не снизу. Вода закачивается в трубку внизу, а пар отводится вверху. Это означает, что каждая частица воды и пара обязательно должна пройти через каждую часть генератора, вызывая интенсивную циркуляцию, которая предотвращает образование осадка или накипи внутри трубки. Вода поступает на дно этой трубки со скоростью 600 футов (183 м) в секунду, при этом в любой момент времени в трубке находится менее двух литров воды.
По мере того, как горячие газы проходят вниз между змеевиками, они постепенно охлаждаются, поскольку тепло поглощается водой. Последней частью генератора, с которой вступают в контакт газы, остается холодная поступающая вода.
Огонь автоматически прекращается, когда давление достигает заранее определенной точки, обычно устанавливаемой на уровне 750 фунтов на квадратный дюйм (5,2 МПа), давление холодной воды; предохранительный клапан , установленный на 1200 фунтов (544 кг), обеспечивает дополнительную защиту. Огонь автоматически отключается по температуре и давлению, поэтому, если бы котел был полностью сухим, было бы невозможно повредить змеевик, поскольку огонь автоматически отключался бы по температуре. [7]
Подобные генераторы с принудительной циркуляцией , такие как котлы Pritchard, Lamont и Velox, обладают теми же преимуществами.
Паровые котлы применяются там, где необходим пар и горячий пар. Следовательно, паровые котлы используются в качестве генераторов для производства электроэнергии в энергетическом бизнесе. Его также используют на рисовых мельницах для пропаривания и сушки. Помимо множества различных областей применения в промышленности, например, в системах отопления или производстве цемента , паровые котлы также используются в сельском хозяйстве , а также для пропаривания почвы . [8]
Наиболее распространенными нормами для испытаний парогенераторов с огневым нагревом в США являются нормы испытаний производительности Американского общества инженеров-механиков (ASME), PTC 4. Соответствующим компонентом является регенеративный воздухонагреватель. Основной пересмотр правил испытаний на производительность воздухонагревателей будет опубликован в 2013 году. Копии проекта доступны для ознакомления. [9] [10] Европейскими стандартами приемочных испытаний паровых котлов являются EN 12952-15 [11] и EN 12953–11. [12] Британские стандарты BS 845-1 и BS 845-2 также продолжают использоваться в Великобритании. [13] [14]
Цилиндрический котел Блейки.
СМИ, связанные с паровыми котлами, на Викискладе?