Водотрубный котёл: конструкции и принцип работы

Водотрубный котёл: конструкции и принцип работы

Котёл водотрубный – разновидность котельного оборудования, характерная применением технологии нагрева воды с проходом внутри металлических труб, в то время как рабочие трубы от внешней стороны нагреваются продуктами сгорания топлива. Таким признаком конструкции водотрубных котлов отличаются от жаротрубных (дымогарных) проектных вариантов, где принцип нагрева построен прямо противоположно — горячий газ проходит сквозь трубы, погруженные в воду.

Водотрубный котёл общая характеристика

Преимущественные стороны водотрубного котла очевидны. По этой причине подобные типы котлов чаще других используются на тепловых электростанциях большой мощности.

Конструкция оборудования позволяет увеличить поверхность нагрева за счет использования большего количества водопроводных труб.

Конвекционный поток таких систем способствует ускорению движения воды в большей степени, чем этот эффект проявляется у жаротрубных сооружений.

Соответственно, коэффициент передачи тепла водотрубных котлов более высокий, что сопровождается не менее высоким значением эффективности этого вида котельного оборудования.

Исполнение конструкции позволяет плавно наращивать давление внутри водотрубного котла до значений, равных 150-160 кг/см2.

Выход пара на подобных сооружениях может достигать 500 кг/с. При этом доступно получить верхнюю границу температуры пара на выходе из водотрубного котла, равную 550ºС.

Водотрубный котёл конструкция
Классическое исполнение парового оборудования, работающего по принципу термосифона. Подобные системы часто встречаются в составе проектов котельных разного назначения

По габаритным размерам водотрубные котлы успешно конкурируют с дымогарным (жаротрубным) оборудованием.

Небольшие по габаритам водотрубные паровые котлы традиционно собраны как единое целое оборудование, помещённое внутрь прочного корпуса.

Но крупные котельные установки обычно изготавливаются секционными модулями, которые собираются в единый модуль непосредственно на месте установки системы.

Водотрубный паровой котёл – принцип работы

Упрощённым технологическим действием можно охарактеризовать принцип работы водотрубного котла. Для большей наглядности процесса логично составить общую схему оборудования этого типа.

Схема содержит всего две основных детали:

  1. Верхний сосуд, именуемый паровым барабаном.
  2. Нижний сосуд, именуемый грязевым барабаном.

Оба сосуда — верхний и нижний, соединяются через две трубы.

Большая часть водотрубных паровых котлов работают по принципу естественной циркуляции воды (эффект термосифона). Картинка ниже помогает объяснить принцип действия:

Схема водотрубного котла
Схема принципа термосифона: 1 — лучистая энергия; 2 — вход питательной воды; 3 — сливной стакан; 4 — нижний барабан; 5 — труба подъёма; 6 — верхний барабан; 7 — выбор пара

Холодная питательная вода вводится внутрь паровой ёмкости (2), разделённой перегородкой. Поскольку холодная жидкость имеет высокую плотность по отношению к нагретой жидкости, питательная вода опускается через «сливной стакан» (3) в область нижнего («грязевого»)  сосуда (4).

Этим холодным потоком, более теплая вода с меньшей плотностью, вытесняется в область фронтальных (передних) труб (5) водотрубного котла.

За счёт нагрева в передних трубах образуются пузырьки пара. Пузырьковая  масса естественным образом отделяется от воды и скапливаются под сводом верхнего сосуда (6).

Между тем, по мере увеличения давления внутри водотрубного котла, разница плотности воды и насыщенного пара снижается. Следовательно, уменьшается скорость циркуляции.

Поэтому для поддержания стабильного уровня выхода пара, при условии более высоких расчетных давлений, расстояние между нижним и верхним сосудами увеличивают. Либо в схему вводятся средства принудительной циркуляции (циркуляционный насос).

Секции водотрубных котлов

Энергия источника тепла для конструкций водотрубных котлов может извлекаться как радиант, конвекция, кондукция. Один из распространённых применяемых источников энергии — печь (лучистая секция).

Лучистая секция водотрубного котла
Схема лучистой секции: 1 — открытое пламя; 2 — тепловой поток; 3 — трубы с водой металлические; 4 — изоляционный материал; 5 — элементы оребрения

Конструктивно такой источник видится модулем, где генерируется пламя горелки или нескольких горелок. При этом пламя непосредственно не контактирует с трубами водотрубного котла, так как прямой контакт грозит серьезной эрозией и повреждением трубного металла.

Стены лучистой секции, как правило, обвешены оребрёнными трубами — мембранными панелями. Эти мембранные панели предназначены для поглощения лучистого тепла, исходящего от пламени горелки.

Предназначение конвекционной секции – поглощение водой тепла горячих газов путем поточного проведения и эффекта конвекции. Большие по размерам котлы могут иметь несколько трубных модулей (подвесок), включенных последовательно.

Таким способом извлекают максимум энергии горячих газов. Согласно расчётам, эффективность использования тепла горелок (печей) достигает 90% в большинстве случаев применения.

Альтернативные схемы водотрубных котлов

Базовым элементом любой рассматриваемой конструкции бойлера считается барабан продольного размещения, действующий по принципу термосифона.

Схема с продольно размещённым барабаном

Типичные значения мощности для котлов с продольно размещённым барабаном составляют 2250 — 36000 кг/ч.

Схема котла с продольным размещением барабана
Схема продольного размещения: 1 — область пара; 2 — область воды; 3 — выбор пара; 4 — вход питательной воды; 5, 6 — путь хода лучистой энергии; 7 — коллектор трубный

Холодная питательная вода подается в барабан (4), размещённый в продольном направлении относительно источника тепла. Более холодная вода собирается в нижней области (7) циркуляционного трубного коллектора, расположенного под наклоном.

По мере того, как температура воды в трубах коллектора увеличивается за счёт нагрева от источника тепла, плотность жидкости уменьшается. Уменьшение плотности приводит к эффекту циркуляции.

Парожидкостная смесь устремляется к верхней части коллектора и далее поступает в барабан с противоположной стороны(2). Внутри барабана пузырьки пара отделяются от воды и собираются под сводом сосуда (1), откуда пар выбирается через задвижку (3).

Водотрубный котёл с барабаном поперёк

Конструкция с поперечным (перекрёстным) барабаном напоминает вариант продольной установки сосуда. Здесь также характерной чертой является размещение барабана, который установлен уже поперечно к источнику тепла. Диапазон мощностей для котлов с поперечным барабаном: 700 — 240000 кг/ч.

Схема водотрубного котла с поперечным барабаном
Схема с поперечным размещением: 1, 2 — путь лучистой энергии; 3 — источник нагрева; 4 — барабан; 5 — выбор пара; 6 — вход для питательной воды; 7 — коллектор трубный наклонный

Так называемый перекрестный барабан работает по тому же принципу, что и продольный барабан, за некоторым исключением. При такой схеме достигается более равномерная температура внутри области сосуда.

Однако имеется и высокий риск повреждения по причине нарушения циркуляции в условиях высоких нагрузок при производстве пара. Если верхние трубы остаются без жидкости, есть высокая вероятность их деформации и разрушения.

Энергетический котёл Стирлинга

Ещё одной разработкой водотрубного котла является энергетический котёл, использующий принцип Стирлинга.

Фактически здесь пять же действует принцип зависимости температуры и плотности воды. Правда, конструкция содержит четыре барабана, устроенных по следующей схеме.

Водотрубный котёл Стирлинга
Схема котла Стирлинга: 1 — верхние пароводяные ёмкости; 2 — нижний водяной сосуд; 3 — выбор пара; 4 — вход питательной воды; 5, 6 — путь лучистой энергии; 7 — трубный коллектор

Холодная питательная вода поступает в правый верхний барабан (4). За счёт большей плотности, питательная вода стекает в нижний барабан (2). Связь нижнего барабана и трёх верхних сосудов образована соединительными трубами.

Нагреваясь в нижнем сосуде и соединительных трубах, вода частично кипит с образованием пузырьков пара. Жидкостно-паровая смесь поднимаются по трубам к верхним сосудам (1), где происходит полное разделение жидкости и пара.

Водотрубный котёл Стирлинга позволяет использовать большую площадь поверхности теплообмена. Оборудование также отличается высокой способностью образования естественной циркуляции воды в процессе действия.

Преимущества и недостатки водотрубных конструкций

Из преимуществ можно отметить относительно небольшую потребность по массе питательной воды. Поэтому водотрубным котлам присущи свойства быстрой реакции на изменение нагрузки и ввода тепла.

Конструкции могут содержать множество горелок, установленных на любой стороне, что открывает варианты для организации горизонтального или вертикального обжига. Также контроль температуры допустимо организовать в различных частях системы.

Схема водотрубного котла с перегревом пара
Схема котла с перегревом пара: 1 — источник лучистой энергии; 2 — циркуляционный насос; 3 — сосуд; 4 — вход питательной воды; 5 — экономайзер; 6 — перегреватель; 7 — выход пара; 8 — испаритель

Организация температурного контроля особенно важна, когда водотрубный котёл имеет встроенную систему перегрева пара. В этом случае появляется необходимость контролировать температуру перегретого пара с высокой точностью по времени.

По недостаткам рассмотренных котлов отмечаются сложности их изготовления в компактном виде. Возможность использования нескольких горелок в котле обеспечивает гибкость регулировки нагрева. Однако массовое применение горелок требует сложных систем управления.

Жаротрубные и водотрубные котлы — отличительные особенности


При помощи материалов: Pointing.spiraxsarco


Один комментарий к “Водотрубный котёл: конструкции и принцип работы”

  1. I would like to voice my respect for your kind-heartedness for folks that really need assistance with in this subject. Your real commitment to passing the message along has been amazingly invaluable and has constantly permitted most people like me to realize their endeavors. Your new invaluable suggestions means so much a person like me and additionally to my office workers. With thanks; from each one of us.

Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *