Котел или парогенератор — это устройство, используемое для создания пара путем подачи тепловой энергии к воде . Хотя определения довольно 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 давлении выше этого обычно говорят о парогенераторе .
Котел или парогенератор используется везде, где требуется источник пара. Форма и размер зависят от области применения: мобильные паровые двигатели, такие как паровозы , переносные двигатели и паровые дорожные транспортные средства, как правило, используют меньший котел, который является неотъемлемой частью транспортного средства; стационарные паровые двигатели , промышленные установки и электростанции обычно имеют более крупное отдельное парогенераторное оборудование, подключенное к точке использования трубопроводом. Заметным исключением является паровой беспламенный локомотив , где отдельно вырабатываемый пар передается в приемник (бак) на локомотиве.
Парогенератор или паровой котел является неотъемлемым компонентом парового двигателя , если рассматривать его как первичный двигатель . Однако его необходимо рассматривать отдельно, так как в некоторой степени различные типы генераторов могут быть объединены с различными двигательными агрегатами. Котел включает в себя топку или печь для сжигания топлива и выработки тепла . Вырабатываемое тепло передается воде для получения пара , процесс кипения . Это производит насыщенный пар со скоростью, которая может варьироваться в зависимости от давления над кипящей водой. Чем выше температура печи, тем быстрее выработка пара. Полученный таким образом насыщенный пар затем может быть либо немедленно использован для выработки электроэнергии с помощью турбины и генератора 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 потенциал для образования конденсата . Любое оставшееся тепло в дымовых газах затем может быть либо откачано, либо пропущено через экономайзер , роль которого заключается в нагреве питательной воды перед тем, как она достигнет котла.
Для первого двигателя Ньюкомена 1712 года котел был немного больше, чем большой пивоваренный котел, установленный под силовым цилиндром. Поскольку мощность двигателя была получена от вакуума, создаваемого конденсацией пара, требовались большие объемы пара при очень низком давлении, едва ли превышающем 1 фунт на квадратный дюйм (6,9 кПа ). Весь котел был установлен в кирпичную кладку , которая сохраняла некоторое тепло. Объемный угольный огонь разжигался на решетке под слегка вогнутым поддоном, что давало очень маленькую поверхность нагрева; поэтому много тепла терялось в дымоходе . В более поздних моделях, в частности, Джона Смитона , поверхность нагрева была значительно увеличена за счет того, что газы нагревали стороны котла, проходя через дымоход . Смитон еще больше удлинил путь газов с помощью спирального лабиринтного дымохода под котлом. Эти котлы с нижним огнем использовались в различных формах на протяжении всего 18 века. Некоторые из них были круглого сечения (копна сена). Более длинная версия прямоугольного плана была разработана около 1775 года Болтоном и Уаттом (котел с верхним кузовом). Это то, что сегодня известно как трехходовой котел, огонь нагревает нижнюю часть, затем газы проходят через центральный трубчатый дымоход квадратного сечения и, наконец, вокруг сторон котла.
Одним из первых сторонников цилиндрической формы был британский инженер Джон Блейки, предложивший свой проект в 1774 году. [1] [2] Другим ранним сторонником был американский инженер Оливер Эванс , который справедливо признал, что цилиндрическая форма была лучшей с точки зрения механического сопротивления, и к концу XVIII века начал включать ее в свои проекты. [ требуется ссылка ] Вероятно, вдохновленный работами по схеме двигателя «высокого давления» Леупольда, которые появились в энциклопедических трудах с 1725 года, Эванс отдавал предпочтение «сильному пару», т. е. неконденсирующимся двигателям, в которых только давление пара приводило в движение поршень , а затем выбрасывалось в атмосферу. Преимущество сильного пара, по его мнению, заключалось в том, что большую работу можно было выполнить меньшими объемами пара; это позволило уменьшить размеры всех компонентов, а двигатели можно было адаптировать для транспортировки и небольших установок. С этой целью он разработал длинный цилиндрический горизонтальный котел из кованого железа , в который была встроена одна жаровая труба, на одном конце которой была размещена колосниковая решетка . Затем поток газа возвращался в проход или дымоход под стволом котла, затем разделялся для возврата через боковые дымоходы, чтобы снова соединиться в дымоходе (котел Колумбийского двигателя). Эванс встроил свой цилиндрический котел в несколько двигателей, как стационарных, так и мобильных. Из-за соображений пространства и веса последние были одноходовыми, выбрасывающими газ непосредственно из жаровой трубы в дымоход. Другим сторонником «сильного пара» в то время был корнуолльский житель Ричард Тревитик . Его котлы работали при давлении 40–50 фунтов на квадратный дюйм (276–345 кПа) и сначала имели полусферическую, а затем цилиндрическую форму. С 1804 года Тревитик производил небольшой двухходовой или обратный дымоходный котел для полупереносных и локомотивных двигателей. Корнуолльский котел, разработанный около 1812 года Ричардом Тревитиком, был и прочнее, и эффективнее, чем простые котлы, которые ему предшествовали. Он состоял из цилиндрического водяного бака длиной около 27 футов (8,2 м) и диаметром 7 футов (2,1 м), и имел угольную решетку, размещенную на одном конце единственной цилиндрической трубы шириной около трех футов, которая проходила продольно внутри бака. Огонь поддерживался с одного конца, а горячие газы из него проходили по трубе и выходили с другого конца, чтобы циркулировать обратно по дымоходам, проходящим вдоль внешней стороны, а затем третий раз под стволом котла, прежде чем выбрасываться в дымоход. Позже это было усовершенствовано другим 3-ходовым котлом, котлом Ланкашира , который имел пару топок в отдельных трубах бок о бок. Это было важным усовершенствованием, поскольку каждую печь можно было топить в разное время, что позволяло чистить одну, пока другая работала.
Котлы железнодорожных локомотивов обычно были одноходовыми, хотя в ранние времена были распространены двухходовые котлы с «возвратным дымоходом», особенно в локомотивах, построенных Тимоти Хаквортом .
Значительный шаг вперед был сделан во Франции в 1828 году, когда Марк Сеген разработал двухходовой котел, второй ход которого был образован пучком нескольких труб. Похожая конструкция с естественной индукцией, используемая для морских целей, была популярным шотландским морским котлом .
До испытаний в Рейнхилле в 1829 году Генри Бут , казначей Ливерпульско -Манчестерской железной дороги, предложил Джорджу Стефенсону схему многотрубного одноходового горизонтального котла, состоящего из двух блоков: топки, окруженной водяными пространствами, и котлового барабана, состоящего из двух телескопических колец, внутри которых были установлены 25 медных труб; трубный пучок занимал большую часть водяного пространства в барабане и значительно улучшал теплопередачу . Старый Джордж немедленно сообщил о схеме своему сыну Роберту, и это был котел, используемый на «Ракетах» Стефенсона , абсолютных победителях испытаний. Конструкция легла в основу всех последующих локомотивов, построенных Стефенсоном, и была немедленно подхвачена другими конструкторами; эта модель жаротрубного котла строится с тех пор.
Котел 1712 года был собран из заклепанных медных пластин с куполообразной верхней частью из свинца в первых образцах. Более поздние котлы изготавливались из небольших кованых железных 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, как и чугунный полусферический котел, первоначально используемый Ричардом Тревитиком. Эта конструкция с небольшими пластинами сохранялась до 1820-х годов, когда стали возможны более крупные пластины, которые можно было свернуть в цилиндрическую форму всего одним стыковым швом, усиленным косынкой ; Sans Pareil 11 Тимоти Хакворта 1849 года имел продольный сварной шов. [3] Сварная конструкция для локомотивных котлов приживалась 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, таких как древесина , уголь , нефть или природный газ . Ядерное деление также используется в качестве источника тепла для получения пара. Теплоутилизационные парогенераторы (HRSG) используют тепло, отводимое от других процессов, таких как газовые турбины .
Для создания оптимальных характеристик горения огня воздух должен подаваться как через решетку, так и над огнем. Большинство котлов теперь зависят от оборудования с механической тягой , а не от естественной тяги . 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 оборудование с механической тягой намного более экономичным. Существует три типа механической тяги:
Следующий этап процесса — кипячение воды и образование пара. Цель — сделать так, чтобы поток тепла от источника тепла к воде был максимально полным. Вода находится в ограниченном пространстве, нагреваемом огнем. Образующийся пар имеет меньшую плотность, чем вода, и поэтому будет накапливаться на самом высоком уровне в сосуде; его температура будет оставаться на уровне точки кипения и будет только увеличиваться по мере увеличения давления. Пар в этом состоянии (в равновесии с жидкой водой, которая испаряется в котле) называется « насыщенным паром ». Например, насыщенный пар при атмосферном давлении кипит при 100 °C (212 °F). Насыщенный пар, взятый из котла, может содержать вовлеченные капли воды, однако хорошо спроектированный котел будет поставлять практически «сухой» насыщенный пар с очень небольшим количеством вовлеченной воды. Продолжение нагрева насыщенного пара приведет пар в «перегретое» состояние, в котором пар нагревается до температуры выше температуры насыщения, и никакая жидкая вода не может существовать в этом состоянии. Большинство поршневых паровых машин XIX века использовали 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 его. Поскольку огонь горит при гораздо более высокой температуре, чем насыщенный пар, который он производит, гораздо больше тепла можно передать однажды образованному пару, перегревая его и превращая взвешенные в нем капли воды в большее количество пара, что значительно снижает потребление воды.
Пароперегреватель работает как змеевики в блоке кондиционирования воздуха , однако с другой целью. Паропровод (с паром, протекающим через него) направляется через путь дымовых газов в топке котла. Эта область обычно находится в диапазоне от 1300 до 1600 °C (2372–2912 °F ). Некоторые пароперегреватели являются лучистыми (поглощают тепло за счет теплового излучения ), другие — конвекционного типа (поглощают тепло через жидкость, т. е. газ), а некоторые представляют собой комбинацию этих двух типов. Таким образом, будь то за счет конвекции или излучения, экстремальное тепло в топке котла/пути дымовых газов также будет нагревать паропровод пароперегревателя и пар внутри него. В то время как температура пара в пароперегревателе повышается, давление пара не повышается: турбина или движущиеся поршни предлагают «непрерывно расширяющееся пространство», и давление остается таким же, как и у котла. [4] Процесс перегрева пара наиболее важен для удаления всех капель, захваченных паром, чтобы предотвратить повреждение лопаток турбины и/или связанных с ней трубопроводов. Перегрев пара расширяет объем пара, что позволяет заданному количеству (по весу) пара вырабатывать больше энергии.
Когда все капли удаляются, говорят, что пар находится в перегретом состоянии.
В паровозном котле с жаротрубами Стефенсона это подразумевает направление насыщенного пара через трубы малого диаметра, подвешенные внутри жаротруб большого диаметра, приводя их в контакт с горячими газами, выходящими из топки; насыщенный пар течет обратно из мокрого коллектора к топке, затем снова вперед к сухому коллектору. Перегрев начал широко применяться для локомотивов только около 1900 года из-за проблем перегрева и смазки движущихся частей в цилиндрах и паровых ящиках . Многие паротрубные котлы нагревают воду до кипения, а затем пар используется при температуре насыщения, другими словами, температуре кипения воды при заданном давлении (насыщенный пар); он все еще содержит большую долю воды во взвешенном состоянии. Насыщенный пар может и использовался непосредственно двигателем, но поскольку взвешенная вода не может расширяться и выполнять работу, а работа подразумевает падение температуры, большая часть рабочей жидкости теряется вместе с топливом, затраченным на ее производство.
Другой способ быстрого получения 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 дорожных экипажах. Этот котел был сверхкомпактным и легким, и с тех пор такое расположение стало нормой для морских и стационарных применений. Трубы часто имеют большое количество изгибов и иногда ребер для максимального увеличения площади поверхности. Этот тип котла обычно предпочитают в приложениях высокого давления, поскольку вода/пар высокого давления содержится в узких трубах, которые могут удерживать давление с более тонкой стенкой. Однако он может быть подвержен повреждению из-за вибрации в наземных транспортных устройствах. В чугунном секционном котле, иногда называемом «котлом для свиной отбивной», 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 «докритического котла», сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (более 3200 фунтов на квадратный дюйм или 22,06 МПа ), что фактическое кипение прекращается, в котле отсутствует разделение жидкой воды и пара. В воде не образуются пузырьки пара, поскольку давление выше критического давления, при котором могут образовываться пузырьки пара. Она проходит ниже критической точки, поскольку работает в турбине высокого давления и поступает в конденсатор генератора . Это приводит к немного меньшему потреблению топлива и, следовательно, к меньшему образованию парниковых газов . Термин «котел» не следует использовать для сверхкритического парогенератора, поскольку в этом устройстве фактически не происходит «кипения».
Питательная вода для котлов должна быть максимально чистой с минимальным содержанием взвешенных твердых частиц и растворенных примесей, которые вызывают коррозию , пенообразование и перенос воды . Наиболее распространенными вариантами деминерализации питательной воды для котлов являются обратный осмос (RO) и ионный обмен (IX). [6]
Когда вода превращается в пар, она расширяется в объеме в 1600 раз и движется по паровым трубам со скоростью более 25 м/с. Благодаря этому пар является хорошим способом перемещения энергии и тепла по площадке от центральной котельной до места, где это необходимо, но без правильной обработки питательной воды котла паровая установка будет страдать от образования накипи и коррозии. В лучшем случае это увеличивает затраты на электроэнергию и может привести к некачественному пару, 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 правовые, испытательные, обучающие и сертификационные меры, чтобы попытаться свести к минимуму или предотвратить такие случаи. Виды отказов включают:
Паровая машина Doble использует генератор противотока прямоточного типа, состоящий из непрерывной трубы. Огонь здесь находится сверху змеевика, а не снизу. Вода закачивается в трубу снизу, а пар отводится сверху. Это означает, что каждая частица воды и пара должна обязательно пройти через каждую часть генератора, вызывая интенсивную циркуляцию, которая предотвращает образование любого осадка или накипи внутри трубы. Вода поступает в нижнюю часть этой трубы со скоростью потока 600 футов (183 м) в секунду, при этом в трубе одновременно находится менее двух квартов воды.
По мере того, как горячие газы проходят вниз между катушками, они постепенно охлаждаются, поскольку тепло поглощается водой. Последняя часть генератора, с которой соприкасаются газы, остается холодной входящей водой.
Огонь автоматически отключается, когда давление достигает заданной точки, обычно установленной на 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 как температурой, так и давлением, поэтому, если бы котел был полностью сухим, было бы невозможно повредить змеевик, поскольку огонь автоматически отключался бы температурой. [7]
Аналогичные генераторы с принудительной циркуляцией , такие как котлы Притчарда и Ламонта, а также котлы Велокс, обладают теми же преимуществами.
Паровые котлы используются там, где необходим пар и горячий пар. Таким образом, паровые котлы используются в качестве генераторов для производства электроэнергии в энергетическом бизнесе. Он также используется на рисовых мельницах для пропаривания и сушки. Помимо множества различных областей применения в промышленности, например, в системах отопления или для производства цемента , паровые котлы используются в сельском хозяйстве, а также для пропаривания почвы . [8]
Основным кодексом для испытаний огневых парогенераторов в США является кодекс испытаний производительности Американского общества инженеров-механиков (ASME), PTC 4. Связанным компонентом является регенеративный воздухонагреватель. Основная редакция кодекса испытаний производительности для воздухонагревателей будет опубликована в 2013 году. Копии проекта доступны для просмотра. [9] [10] Европейскими стандартами для приемочных испытаний паровых котлов являются EN 12952-15 [11] и EN 12953–11. [12] Британские стандарты BS 845-1 и BS 845-2 также используются в Великобритании. [13] [14]
Цилиндрический котел Блейки.
Медиа, связанные с паровыми котлами на Wikimedia Commons