Эффективность котельного оборудования во многом зависит от выбранной схемы нагрева воды. Барабанный котел появился в результате попыток разработчиков сделать безопасный греющий агрегат с максимальной производительностью. Надежность этого оборудования такова, что котлы подобной конструкции используют даже для теплоэлектростанций.
Технические характеристики
Содержание статьи
Устройство изначально планировалось для получения большого объема пароводяной смеси высокой температуры и давления. При том, что раскаленный пар обладает сильным окислительным действием на любые марки металла, а процесс нагрева котельной стали всегда связан с появлением термических деформаций.
Благодаря особой схеме барабанного котла основная часть конструкции – теплообменник – избавлен от возможных неприятностей, связанных с интенсивным выделением пара внутри греющих труб даже при полной нагрузке.
Важные характеристики барабанного парового котла:
- Высокая производительность по пару. В зависимости от водного режима, барабанные котлы способны выдавать от 300 кг/ч до 20 т/ч (зависит от модели и назначения).
- Высокий КПД – в среднем 90%. Небольшие барабанные котлы, используемые в качестве оборудования теплопунктов и станций отопления, работают с КПД 85-90%. Коэффициент полезного действия котлоагрегатов электростанций – 90-93% и более.
- Рабочее давление теплоносителя – от 15 до 180 бар.
- Котельное оборудование может работать на газу, мазуте, смешанном топливе, угле и угольной пыли.
Высокое давление и температура, наличие водяного пара и раскаленных газов создают идеальные условия для развития коррозии. Поэтому барабаны изготавливают из котельной стали значительной толщины (10-40 мм).
Запас прочности котельного бака получается заведомо больше, чем это требуется по условиям прочности или устойчивости барабанного котла. Но это единственный способ избежать разрушения бака в условиях перепада температур, термических напряжений в сварных швах емкости.
Устройство котла
Свое название аппарат получил из-за использования в конструкции специальных емкостей цилиндрической формы – барабанов. Эта часть котельного оборудования была позаимствована у паровых машин, работающих на перегретом паре.
Мощные аппараты с высокой тепловой нагрузкой выдают на выходе смесь закипающей воды и пара.
Содержание паровой фазы может колебаться в пределах 5-20%. Подавать ее непосредственно в машину или турбину нельзя, поэтому смесь пропускают через разделяющее устройство барабанного типа.
Основной бак был выполнен в виде цилиндрической емкости, внутри которой располагалась топка с колосниками и дымоходом. И хотя современные котельные установки, предназначенные для генерации перегретого пара высокого давления, уже мало похожи на прежние паровые машины, название барабанный котел так и используется для оборудования большой производительности.
Для современного барабанного котлоагрегата характерны следующие технические особенности:
- Теплообменник выполнен в виде пучка или пакета труб небольшого диаметра, охватывающих горячую зону топки, в которой сжигается газ или мазут.
- Трубы теплообменника закольцованы с накопительной барабанной емкостью. В барабане происходит разделение и испарение паровой фазы от жидкой воды.
- Топочная камера – в ней сжигается топливо. Трубы охватывают зону горения «коконом» так, чтобы большая часть конвективного и излучаемого тепла поглощалась стенками трубчатого теплообменника, а не обмуровкой камеры термостойкими материалами.
Несмотря на внешнюю простоту, барабанные котлы считаются одними из самых сложных в ремонте и обслуживании, прежде всего из-за проблем с коррозией металла труб теплообменника. Причиной тому высокое содержание окислов серы в дымовых газах.
Виды барабанных котлов
В номенклатуре моделей практически нет универсальных конструкций, способных работать как на выработку горячей воды, так и для генерации перегретого пара высокого давления. Все варианты котельного оборудования барабанного типа являются специализированными. Условно по конструкции и функциональному назначению их делят на две большие группы – отопительные и парогенерирующие.
Соответственно отличаются и схемы циркуляции воды в трубах. Водяной поток может двигаться через теплообменник прямотоком либо многократно протекать через закольцованный горячий контур, с возвратом в барабанный накопитель.
Чтобы понять, чем принципиально отличается барабанный котел от прямоточного, достаточно взглянуть на схему.
В прямоточных моделях вода протекает через греющие трубы однократно, в барабанных – циркулирует по кольцу.
Батарейные котлы
Применяются преимущественно для получения горячей воды под большим давлением. Часто их называют паро-водяными или бойлерными, так как на выходе из барабанного котла получают перегретый кипяток и небольшое количество пара.
Конструктивно батарейный нагреватель выглядит как цилиндр большого размера, внутри которого несколько нагревающих контуров из жаростойких труб.
Котлы занимают немного места, поэтому их объединяют в группы или батареи. Так как количество пара на выходе из теплообменника относительно невелико, то барабанный сборник-разделитель воды и пара устанавливают один на батарею из 4-6 бойлерных котлоагрегатов.
Работают батарейные котлы только на газовом топливе.
Водотрубные котлы
Отличаются от бойлерных моделей более сложной конструкцией. Разобраться в устройстве можно на примере бытового отопительного котла барабанного типа.
Конструктивно водотрубный котел представляет собой огромный бак или барабан, заполненный водой. Размеры его могут быть очень большими.
По обе стороны вдоль стенок барабана вварены два ряда нагревательных труб. Под нагревательным контуром расположены одна или две горелки. В данном случае используется естественная циркуляция барабанного котла. Чтобы обеспечить стабильный отбор тепла от разогретых стенок водотрубных регистров, насосы не нужны.
В процессе нагрева в трубах вода расширяется, плотность снижается, и по закону Архимеда вытесняется более холодной из емкости, установленной в верхней части барабанного котла. Так как регистр выполнен в виде пары труб, то образуется естественная циркуляция жидкости, которая будет поддерживаться, пока работает горелка.
Водотрубные котлы могут работать на любом топливе, поэтому сама схема часто используется при изготовлении самодельного отопительного оборудования. Компоновка водотрубного теплообменника встречается в бытовых угольных котлах отопления, выпускаемых фабричным способом компаниями-производителями.
Водотрубная схема нагрева воды и получения пара массово используется в барабанных котлах мощных парогенераторов. В этом случае топка выполняется в виде арки.
Одна часть постройки отведена под топку, внутри которой на стенах уложены вертикальные трубы теплообменника, называемые трубным экраном. Они отбирают тепло и передают его естественной циркуляцией в барабанный бак в верхней части котла. Вторая часть арки отведена под экономайзер и нагрев воздуха.
Принцип работы
Бойлерные котлы работают, как прямоточные. Теплообменник выполнен в виде навитых спиралью труб, образующих цилиндр или барабан. В одном барабанном котле обычно установлены несколько контуров, вложенных друг в друга. Раскаленные дымовые газы перемещаются из зоны горелки в поворотный коллектор и последовательно обтекают каждый ряд навитых труб теплообменника.
Такие устройства не могут работать в режиме естественной циркуляции. Из–за высокой плотности шагов навивки и большой тепловой мощности газового факела нагрев воды происходит очень быстро. Если остановить циркуляционный насос, то вода закипит и разрушит стенки теплообменника.
В конструкции котла предусмотрен аварийный люк, с помощью которого можно перенаправить горячие газы от теплообменника непосредственно в дымоход.
Парогенераторы небольшой мощности могут работать в режиме естественной конвекции (обычно на разогреве) и с принудительной циркуляцией теплоносителя.
Для барабанных котлов большой мощности основным продуктом является пар, поэтому нагретая вода, побывав в барабане – отделителе пара, прокачивается насосом.
Отделенный от жидкости пар, прежде чем попадет к потребителю, должен пройти от теплообменника через перегреватель, для того, чтобы избавиться от микрокапель воды.
Разделительный барабан представляет собой сложное устройство. С его помощью на котле выполняется сразу несколько операций:
- Конденсируется остывший пар. Соответственно выделяется тепло, которым подогревается вода, выбрасываемая в контур отопления.
- Регулируется количество воды и давление в контуре котла.
- Проводится обработка теплоносителя химическими реагентами.
В последнем случае в барабанный накопитель заливается водный раствор солей ортофосфорной кислоты.
Благодаря этому удается снизить жесткость воды до нужного уровня и перевести часть в растворенное состояние, чтобы слить промывочный раствор и далее промыть и очистить водотрубные регистры котла чистым теплоносителем.
Особенности ремонта
Большая часть солей собирается именно в барабанной емкости. Поэтому хотя бы раз в 20 дней для мощных котлов проводят промывку-продувку водотрубных регистров от отложений. Для бытового котельного оборудования обычно промывку проводят перед началом отопительного сезона. Корректируют жесткость теплоносителя уже в процессе эксплуатации.
Барабанные конструкции рассчитаны на нагрев огромных количеств воды и пара. Поэтому заправить систему обессоленной водой, пропущенной через фильтр обратного осмоса, невыгодно. Стоимость дистиллированной воды получается выше, чем расходы на промывку.
Помимо удаления солевого шлама, проверяется толщина стенок водотрубных регистров. Если образовалась каверна, то секцию теплообменника выводят в капитальный ремонт и заменяют на новый. Ремонтировать трубы можно только на промышленном оборудовании. Никаких латаний сваркой или латками не допускается.
Сфера применения
Маломощные барабанные котлы используются в котельных централизованного отопления многоэтажных построек. Водотрубные аппараты на мазутном и угольном топливе устанавливаются в теплопунктах или цехах предприятий химического производства, пищевых фабриках, нефтеперерабатывающих установках.
Самые мощные котлы барабанного типа применяются в ТЭЦ и ТЭС.
Барабанный котел – сложное устройство, требующее тщательного обслуживания и постоянного контроля за работой всех узлов. Несмотря на это, конструкция считается одной из наиболее эффективных.
Поделитесь своим опытом – приходилось ли вам строить или эксплуатировать котлоагрегаты с теплообменниками барабанного типа? Какие проблемы возникали, и как их удавалось решить? Добавьте статью в закладки, чтобы не потерять полезную информацию.
