В последние годы на российском рынке наблюдается большой интерес к промышленно-отопительным котлам, которые поставляют зарубежные фирмы. Стоимость котлов импортной поставки, как правило, выше стоимостианалогичных котлов отечественных производителей, тем не менее заказчики при комплектации промышленных и крупных отопительных котельных чаще предпочитают продукцию известных европейских фирм.

Главная особенность промышленных паровых котлов, поставляемых на российский рынокпроизводителями из Италии, Германии, Бельгии и других европейских стран, состоит в том, что практически все котлы - жаротрубные, точнее - жаротрубно-дымогарные. Это относится не только к водогрейным котлам, но и к паровым котлам с пароперегревателем производительностью до 30 т/ч и более. Преимущество жаротрубно-дымогарных котлов перед водотрубными объясняется просто: такая конструкция позволяет собирать котел полностью в заводских условиях и поставлять котел заказчику в виде одного блока, что значительно упрощает монтаж оборудования в котельной.

Жаротрубно-дымогарные котлы имеют, как правило, цилиндрический корпус,лежащий на боку. Даже в тех случаях, когда снаружи котел имеет вид вытянутого прямоугольника, можно не сомневаться, чтовнутри у него расположен цилиндрический корпус (рис. 1 ). Внутри корпуса у паровых котлов - водяной и паровой объемы.

Рис. 1

В большом объеме воды размещается одна, а иногда - две жаровые трубы. В переднем торце каждой жаровой трубы установлена наддувная, или, как говорят, вентиляторная горелка, рассчитанная на сжигание газа или жидкого топлива. Таким образом, жаровая труба является топочной камерой, в которой сгорает практически все топливо.

Тепловое напряжение топочного объема составляет обычно 1‑1,2 МВт/м 3 . В зависимости от диаметра и избыточного давления применяются гладкие или волнистые жаровые трубы. Расположены они всегда внижней части водяного пространства, чтоповышает теплообмен и улучшает циркуляцию котловой воды (рис. 2 ).

Рис. 2

В Германии имеются нормативные акты, требующие устанавливать две жаровые трубы при мощности котла более 10 МВт. В других странах нет жесткого требования по соотношению мощности и числа жаровых труб, поэтому можно встретить более мощные котлы с одной жаровой трубой, так же, как и менее мощные - с двумя жаровыми трубами.

Если производители не подчеркивают, чтоих котел - трехходовой, то это значит, что горелка практически прямоточная: она образует длинный факел. Продукты сгорания достигают противоположной водоохлаждаемой стенки, разворачиваются и двигаются в сторону передней стенки. Здесь они попадают в кольцевую камеру, из которой по дымогарным трубкам двигаются опять в сторону задней стенки, отдавая тепло котловой воде (рис. 3 ).

Рис. 3

Чаще в названии котла присутствует термин «трехходовой». Это значит, что продукты сгорания после жаровой трубы возвращаются назад уже по дымогарным трубам, расположенным, как правило, ближе к жаровой трубе. У фронтовой стены котла дымовые газы делают еще один поворот и проходят по дымогарным трубам третьего хода в сторону задней стенки.

Для более полного использования тепла дымовых газов многие производители устанавливают в дымогарные трубки третьего хода специальные турбулизаторы из высокопрочной стали. Такой же эффект достигается иногда без вставок, за счет специальной формы самих трубок. Турбулизация потока увеличивает теплоотвод и тем самым снижает температуру уходящих газов, то есть повышает КПД котла.

В более крупных котлах повышениеКПД обеспечивается установкой экономайзера после третьего хода дымовых газов. На рис. 3 показана схема такого котла с одной важной особенностью: заслонка в верхнейчасти дымовой камеры позволяет пропускать часть продуктов сгорания напрямую, шунтируя экономайзер. Благодаря этому при изменении нагрузкиили при недопустимом снижении температуры обратной котловой воды удается поддерживать постоянную температуру уходящих газов. При сжигании серосодержащих топлив это особенно важно, так как благодаря этому простейшему устройству удается поддерживать «сухой» режим работы экономайзера, не опускаясь ниже температуры точки росы.

Само по себе наличие экономайзера заметно повышает КПД котла. Так, например, водогрейный котел Omnimat 16PGфирмы Borsig Energy без экономайзера имеет КПД 93 %, а Omnimat 16PGA (с экономайзером) - 95,6 %. При равной полезной тепловой мощности этих котлов (8 МВт), первый потребляет при номинальной нагрузке 929 м 3 /ч природного газа, а второй - только 904 м 3 /ч. При этом оба котла имеют одинаковую высоту и ширину, но длина котла с экономайзером больше на ≈10% (4,81 м у 16PG и 5,30 м у котла 16PGA).

В большинстве случаев трехходовые котлы имеют на выходе из жаровой трубы так называемую дымогарно-огневую камеру. Продукты сгорания в этой камере разворачиваются на180 ° и поступают в дымогарные трубки второго газохода. Огневая камера обычно охлаждаетсяокружающей ее котловой водой, хотя встречаются и выносные огневые камеры, изготовленные из цельносварных экранных труб.

Поворот дымовых газов от второго хода к дымогарным трубкам третьего хода осуществляется в передней огневой камере. Эта кольцевая камера оснащена одним или двумя люками, которые позволяют добраться (разумеется, на остановленном котле) до дымогарных труб для их осмотра и очистки.

Цилиндрический корпус жаротрубных котлов всегда покрыт высокоэффективной теплоизоляцией толщиной 100- 120 мм. Поверх изоляции корпус обычно обшивают с двух сторон оцинкованными или алюминиевымилистами. Хорошая изоляция в сочетании с компактным исполнением самого котла способствует снижению потерь тепла в окружающую среду.

К корпусу котлов подсоединены штуцеры для возврата воды и для выдачи насыщенного пара. Для слива воды имеется специальный штуцер в нижней части у заднего конца корпуса. На верхней части корпуса имеются также штуцеры контрольно-измерительных приборов. На паровых котлах обязательны указатели уровня воды.

Большинство производителей поставляют паровые котлы вместе с питательным электронасосом и паровым инжектором. На верхней частивсех крупных котлов обычно имеется площадка для обслуживания арматуры и контрольно-измерительных устройств. В комплекте с основным оборудованием производители, как правило, поставляют блок управления, который иногда называют «панель» или даже «шкаф» управления. Этот блокна паровых котлах включает регулятор уровня, воздействующий на питательный насос. Блок управления соединен с манометром, с ограничительным и предохранительным реле давления. Здесь же имеется переключатель с ручного на автоматическое управление насосом, световая и звуковая сигнализации, включающиеся при аварийной ситуации.

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

Автоматизированное управление работой котла позволяет свести к минимуму занятость квалифицированного персонала даже при обслуживании крупных паровых или водогрейных котлов.

Несколько слов надо сказать о топливе для описанных выше промышленных и отопительных котлов. Эти котлы устанавливают, как правило, в черте города или, в крайнем случае, в пригородах. Жесткие нормыпо защите окружающей среды заставляют владельцев котельных ограничивать выбросы в атмосферу таких токсичных загрязнителей, как золовые частицы, оксиды азота (NO x), сернистый ангидрид (SO 2) и монооксид углерода (угарный газ - СО). Поскольку комплектация котельных установок аппаратами по очистке дымовых газов от этих токсичных компонентов повысила бы их стоимость в несколько раз, наиболее экономичным вариантом оказывается использование газообразного или жидкого топлива. В последнем случае обязательнымявляется использование дизельного топлива илилегких сортов мазута с низким содержанием серы. При таком выборе топлива практически единственным загрязнителематмосферы оказываются оксиды азота NO x .

Главным средством обеспечениядопустимых выбросов NO x на промышленных и отопительных котлах служат малотоксичные горелки. В некоторых случаях используется также рециркуляция дымовых газов через горелку. За счет специальной конструкции малотоксичные горелки создают факел с определенной интенсивностью смешения топлива с воздухом, что уменьшает скорость образования NO x . В сочетании с умеренным тепловым напряжением топочной камеры, интенсивным теплоотводом и трехходовой схемой большинства котлов малотоксичные горелки обеспечивают снижение выбросов NO x до уровня, удовлетворяющего требованиям Российской Федерации.

Конечно, производители промышленных котлов не могли не учитывать, что некоторые заказчики все же вынуждены сжигать твердое топливо: уголь, древесные отходы, твердые бытовые отходы и т.д. Для таких заказчиков также имеется широкий выбор котлов, в том числе стальных жаротрубных. Но заказчику такие агрегаты поставляются уже как минимум в виде трех блоков: собственно котла, выносной топки с механическойрешеткой и золоуловителя, после которого дымовые газы поступают к дымососу. Сжигание древесных или сортированных промышленных отходов происходит на наклонной механической решетке, а продукты сгорания направляются в жаровую трубу. Реже встречается другой вариант: цепнаямеханическая решетка вставлена непосредственно в жаровую трубу цилиндрического котла.

Описанные выше жаротрубные котлы во многом схожи с аналогичными котлами отечественных производителей, когда речь идет о конструкции собственно котлов. Поэтому все чаще встречается ситуация, когда потребитель предпочитает достаточно надежный и более дешевый отечественный котел, но просит установить на него импортную горелку - более дорогую, но обеспечивающую работу котла без обслуживающего персонала, пуск котла путем нажатия кнопки и минимальные выбросы токсичных загрязнителей в атмосферу (СО и NO x ).

В качестве примера расскажем о жаротрубных паровых котлах нескольких зарубежных компаний, активно действующих на российском рынке. Одна из таких компаний - B abcock W anson (Франция).

Эта компания представляет на российском рынке несколько серий жаротрубных паровых котлов. При небольших потребностях в паре B abcock W anson предлагает компактный паровой котел серии BWB (от 160 кг до 3 т/ч). Благодаря малым размерам такой котел можно использовать при проектировании модульной котельной. Котел - двухходовой, размещение жаровой трубы в центре улучшает распределение напряжений и увеличивает срок службы теплообменного блока котла, в особенности при многочисленных циклах запуска и остановки котла. Доступ к задней трубной панели обеспечивается путем отката задней осмотровой двери, подвешенной на консольном рельсе. Таким образом, облегчается как обслуживание котла, так и обязательные периодические инспекции органами технадзора.

При большей потребности в паре предпочтительнее использовать котел BWD (от 1 до 10,4 т/ч). Модель серии BWD является трехходовым котлом специальной конструкции, с частично водоохлаждаемым дном топки, разработанным компанией B abcock W anson . Сепаратор пара, расположенный внутри корпуса котла, а также короткое время адаптации горелки обеспечивают гарантированную сухость пара 99,5%.

Для крупных промышленных котельных компанией B abcock W anson была разработана серия BWR (12,5-30 т/ч). Это паровые трехходовые жаротрубно-дымогарные котлы специальной конструкции с трубным водоохлаждаемым дном топки (рис. 4 ). Данные котлы совмещают преимущества жаротрубной и водотрубной технологии. Конструкция обеспечивает максимально высокое допустимое для жаротрубных котлов давление в водогрейной камере (до 25 бар). Данная конструкция котла обеспечивает лучший уровень безопасности при низком уровне воды и исключает риск отложения шлама на дне котла. Оптимизация конструкции котла позволяет встроить в переднюю дымовую камеру модуль перегрева пара.

Рис. 4

КПД описанных выше котлов оптимизирован благодаря особой технической разработке компании B abcock W anson . Внутри гладкостенных дымогарных труб размещаются винтообразные направляющие, которые сообщают вращательное движение проходящим по трубе продуктам сгорания, в результате чего достигается значительное улучшение теплообмена . Компания B abcock W anson использует свои фирменные горелки во всем модельном ряде жаротрубных котлов. Каждая отдельно взятая горелка спроектирована с учетом особенностей камеры сгорания, что позволяет экономить топливо, тем самым повышая КПД. Горелки работают как на газе и дизельном топливе, так и на мазуте.

Для еще большего увеличения КПД, снижения расхода топлива и электроэнергии, а также для достижения чрезвычайно низких выбросов NO x , B abcock W anson предлагает для своих клиентов пакет Ecosteam, снижающий эксплуатационные затраты этих, и без того недорогих в эксплуатации котлов. Данный пакет включает в себя систему теплообменников вода-вода или/и вода-воздух. Также компания производит серию котлов VAB - BP (от 160 до 5300 кг/ч) с низким давлением пара (<0,5 бара), которыене попадают под действие органов по надзору за безопасностью. Для утилизации же тепла, образующегося в технологических процессах, предлагаются жаротрубные паровые котлы-утилизаторы.

Рассмотрим еще одну линейку - паровые жаротрубные котлы компании Bosch Industriekessel GmbH (Германия). Наиболее популярные котлы этой компании известны на рынке под маркой Buderus . Линейка котлов Buderus Logano SHD 815/ UL - S включает в себя жаротрубно-дымогарные котлы с одной жаровой трубой (трехходовая схема) паропроизводительностью от 1,25 до 28 т/ч.

Более крупные котлы (типоряд Buderus Logano SHD 915/ ZFR ) оборудованы двумя жаровыми трубами, а их паропроизводительность составляет от 18 до 55 т/ч. Все котлы серии Buderus Logano оборудованы малотоксичными горелками, обеспечивающими минимальную эмиссию токсичных оксидов азота. Потери в окружающую среду у этих котлов снижены за счет применения высококачественных теплоизоляционных матов и специальных утеплителей. На всех нагрузках котлы работают с низким уровнем шума. Уменьшение эксплуатационных расходов обеспечивается не только в результате снижения расхода топлива, но и за счет меньшего потребления электроэнергии на собственные нужды и высокоэффективной системы управления котлом.

В зависимости от требований потребителя пара в котельной могут быть установлены котлы на давление от 0,5 до 30 бар. Котлы с повышенной температурой пара оборудованы пароперегревателями. Котлы серии SHD 915/ ZFR имеют по 2 жаровых трубы, но при сниженной нагрузке могут работать и с одной включенной жаровой трубой. Важно отметить, что работа с одной жаровой трубой позволяет существенно повысить КПД котла на сниженной нагрузке (по сравнению с работой на двух горелках).

Жаротрубный котёл вместе с дымогарным котлом являются представителями древних бойлерных конструкций. Такие тепловые сооружения пользовались огромной популярностью в период XVIII века. Тогда основное применение универсальных жаротрубных-дымогарных котлов отмечалось на паровозах. Сегодня популярность несколько снизилась, но в частном секторе этот вид теплового оборудования продолжает пользоваться спросом. Причины очевидны – простая конструкция жаротрубного котла или дымогарного бойлера позволяет экономить на строительстве. А эффективность действия обеих систем вполне устраивает конечного пользователя.

Основу конструкций двух тепловых систем составляют:

• печь для топлива,
• бойлерный модуль,
• газоотводящий канал.

Бойлерный модуль встраивается в систему газоотводящего канала и представляет собой сочетание водно-парового сосуда, внутри которого расположена многорядная трубная система.

Это своего рода трубчатый теплообменный блок, сквозь который проходят продукты сгорания топлива в печи.

Конструкция дымогарного оборудования промышленного назначения: 1 — пульт управления; 2 — жаровая камера; 3 — горелка; 4 — спирально-гофрированные трубы; 5 — поток жара; 6 — экономайзер; 8 — слой изоляции

Именно способом построения трубной системы теплообменного блока различаются в первую очередь жаротрубные и дымогарные котлы. Потому как технически это почти идентичные конструкции, за исключением одной детали.

Жаротрубные котлы оснащаются трубной схемой теплообменника, при помощи которой дополнительно обеспечивается перегрев пара. Дымогарные котлы наделены трубной схемой нагрева воды для естественного парообразования (без перегрева).

Ещё из конструктивных особенностей обеих следует отметить их разновидности, исходя из направления движения продуктов сгорания. Применяются два вида исполнения каналов отвода жара:

1. Пролётный.
2. Оборотный.

Очевидно, что в первом случае поток жара прямиком (напролёт) следует сквозь внутреннюю область трубчатого теплообменника.

Во втором случае путь прохождения горячих газов изменяется с прямого на оборотный ход, за счёт изменения конфигурации газоотводящего канала. При этом схема построения канала может предусматривать несколько ходов.

Как действует система жаротрубного котла?

Принцип действия котлов жаротрубного типа так же прост, как схема сооружения. Когда внутри печи сжигается топливо, продукты горения устремляются через газовый канал на выход.

Схема жаротрубного котла: 1 — колосниковая решётка; 2 — малое пламя; 3 -большое пламя; 4 — предохранительный клапан; 5 — паровой купол; 6 — выход насыщенного пара; 7 — выход угарных газов; 8 — головка перегревателя; 9 — трубки перегревателя; 10 — выход перегретого пара

На пути нагретых газов находятся металлические трубы теплообменника. Жар проходит сквозь внутреннюю область труб и нагревает металл.

Нагретые трубы большого диаметра снаружи погружены в воду, соответственно, отдают тепло воде. Вода нагревается до температуры кипения и начинает превращаться в пар.

Образовавшийся пар собирается под крышей сосуда, откуда подаётся во вторичную трубную систему, состоящую из трубок малого диаметра пропущенных сквозь первые жаровые трубы большего диаметра.

Таким образом, проходящий сквозь трубы жар делает двойную работу – нагревает воду и перегревает пар. Перегрев осуществляется проходом через вторичную и уже в перегретом состоянии пар выводится на потребительские нужды.

По сути, жаротрубные котлы следует относить к паровым котлам, причём вырабатывающим перегретый (сухой) пар.

Как действует система дымогарного котла?

Принцип действия дымогарного котла фактически повторяет отмеченный выше. Однако трубная система в этом варианте выполнена обычным способом – трубной решёткой без ввода малых внутренних трубок под перегрев пара.

Схема дымогарного котла: 1 — печь; 2 — нагретый дым и газ; 3 — дымогарные трубы; 4 — выход насыщенного пара; 5 — водно-паровой накопительный сосуд; 6 — выход угарных газов

Поэтому используются трубы дымогарного котла, меньшие по диаметру и с меньшей толщиной стенки. Вместе с тем, количество труб, как правило, увеличено по сравнению с жаротрубной конструкцией.

За счёт наращивания объёма трубной решётки достигаются более высокие дымогарного котла. Однако здесь есть технологические ограничения, которые зачастую не позволяют нарастить решётку до максимума:

• увеличиваются габаритные размеры котла;
• снижается прочность торцевых панелей трубной решётки;
• уменьшается пропускная область для пузырьков пара.

Какой бы тип дымогарного котла не использовался, пар всегда отделяется от воды, скапливается в паровом пространстве. Скопившийся над поверхностью воды пар остаётся в состоянии насыщения жидкостью, так как постоянно контактирует с поверхностью воды.

Конструкция дымогарного котла содержит сосуд, где вода, находящаяся под давлением, нагревается до более высокой температуры, чем та, при которой вода закипает при атмосферном давлении (100ºС).

Схема на три хода с водяной рубашкой: 1 — горелка (печь); 2 — первый ход; 3 — второй ход; 4 — третий ход; 5 — сосуд с водой; 6 — область пара; 7 — выход пара Т=150 градусов; 8 — выход продуктов горения; 9 — водяная рубашка

В процессе нормальной работы вода занимает нижнюю область сосуда котла за счёт собственной силы тяжести. Пузырьки пара, образующиеся при контакте со стенками труб, поднимаются сквозь толщу воды и собираются вверху — под крышкой сосуда.

По мере увеличения количества пара в закрытом сосуде, давление внутри увеличивается, что приводит к увеличению температуры кипения воды. Этот фактор напрямую оказывает влияние на скорость производства пара, которая снижается.

Таким образом, дымогарный котел «сам по себе» контролирует и регулирует давление внутри сосуда. Иными словами, дымогарный котел является тепловым оборудованием, работающим под давлением и управляемый давлением.

Особенности конструктивного исполнения

Вода подается в бойлерную систему дымогарного (жаротрубного) котла традиционным способом — через входной трубопровод от центрального водоснабжения.

Поскольку пар и вода присутствуют в одном и том же сосуде, достаточно сложно получить пар высокого давления.

Обычно максимальное давление пара такого типа котлов достижимо на уровне не более 15-17 кг/см 2 . Производительность составляет не выше 10 м 3 /час.

Бойлерная система в процессе работы всегда находится под давлением. Поэтому котельного оборудования такой конструкции достаточно высока.

Тепловое оборудование может отличаться по расположению печной системы – наружная печь либо внутренняя. Также различается исполнение по размещению рабочего сосуда.

Существуют модели с горизонтальным либо вертикальным расположением. Исполнение с горизонтальным расположением сосуда находит более широкое применение в хозяйственной сфере.

Схемы экранирования: 1, 7 — водная среда; 2, 8 — тепловой канал; 3, 9 — двухходовые трубы; 4, 10 — вода; 5, 11 — область пара; 6 — «сухая» реверсивная камера; 12 — «мокрая» реверсивная камера

Сооружение котлов заставляет обратить внимание на важную деталь — экранирование. Существуют два варианта теплового экранирования:

1. Сухое.
2. Мокрое.

Сухое экранирование предусматривается на оборудовании, где стенка реверсивного канала отвода жара непосредственно контактирует с наружной средой. В этом случае выполняется облицовка стены канала огнеупорным материалом.

Однако более эффективным экранированием видится «мокрый» вариант, когда реверсивный канал не выводится наружу. Здесь пространство от стенки канала до наружной стенки котла занимает водяная «рубашка». Образуется эффективный экранный буфер, который позволяет отказаться от создания огнеупорной защиты.

Всё о дымоходах для котельного оборудования

Метки:

Уже второй век служит человечеству жаротрубное оборудование. Мощные модели используют в обогревательных системах в животноводстве, на производстве, в строительных организациях и воинских частях, более компактные – в коттеджах, квартирах и на дачах. Модернизированный жаротрубный котел отличается усовершенствованной конструкцией, которая позволяет без изменения размеров агрегата увеличивать его производительность при условии, что внутреннее давление имеет параметры выше атмосферного.

Конструкция и назначение жаротрубных котлов

Внешний вид оборудования может быть различным, но чаще встречается горизонтальная конструкция цилиндрической формы. Одножаровый агрегат состоит из двух резервуаров-цилиндров, один из которых прячется внутри другого. Оба сегмента сообщаются между собой посредством паросборника и фланцев. На передней торцевой части находится топка, на задней – трубоотводы. Чтобы происходил процесс горения у паровых моделей, необходима принудительная подача воздуха. Воздух подается под колосник вентилятором, зафиксированным на фронтальной площадке. Оборудование, работающее на угле, дизельном топливе или газе, имеет горелку и трубу для отвода дыма.

Схема пеллетного жаротрубного трехходового котла

Самым лучшим теплообменником считается стальной, так как он не подвержен коррозийному разрушению и не деформируется со временем от температурных перепадов.

Видео: Как выбрать котел для дома? Жаротрубный котел Roda RK2

В процессе работы котла получается пар, температура которого не превышает 110-115˚С, а давление – не более 0,07 МПа. Пар с такими показателями годится для обустройства обогревательной системы дома или для запуска производственных процессов, например, тепловой обработки продуктов. Выбор топлива зависит от модели котла и от удобства пользования. Такое топливо, как дрова или уголь, применяется все реже, чаще используют более дешевые виды – газ, мазут, дизель.

По данной схеме можно судить о размерах жаротрубных котлов, которые используются в промышленном производстве

Жаротрубное оборудование выбирают не только из-за простоты использования. Оно отличаются понятной конструкцией, и при возникновении поломки или износа можно оперативно произвести ремонт. Для многих важна безопасность – если действовать по инструкции, то неприятностей не произойдет. Однако не стоит забывать о том, что любое газовое или паровое оборудование требует соблюдения норм техники безопасности.

Так выглядит газоходный тракт в трехходовом жаротрубном котле

Главным преимуществом жаротрубных водогрейных и паровых моделей является высокая мощность при весьма скромных габаритах. Кроме того, функционирование агрегата можно автоматизировать, если подключить соответствующие приборы:

• отводы воздуха;
• датчики давления воды;
• манометр;
• термометр;
• блок управления.

Топливо в конструкциях трубчатого типа сгорает практически полностью, благодаря чему КПД аппарата достигает 92-93%. Агрегаты выгодно использовать в регионах с неблагоприятными климатическими условиями: тепловая мощность достаточно велика, а теплопотери минимальны.

Видео: Обзор жаротрубного котла длительного горения ДТМ

Принцип работы водогрейного оборудования

Как и любая печь, котел работает на одном из видов топлива, которое загружается или поступает по трубам в топку. При сгорании топлива, например, угля или газа, выделяется тепловая энергия. У обычной печи отопления она отдается корпусу, нагревая окружающий воздух, у котла – теплоносителю (например, воде), причем посредником является теплообменник.

Топочная часть окружена водяной «рубашкой», которая является инструментом охлаждения. Дым, полученный в процессе сгорания топлива, поступает в пучок труб в задней торцевой части, поднимается вверх и выходит наружу.

Образец водогрейного котла для систем отопления – продукция компании «Уралтеплокомплект»

Нагреваясь, вода преобразуется в пар, поднимается в верхнюю часть резервуара, где расположена паросборная камера. Оттуда она по трубам, которые называют паропроводом, поступает в различных направлениях для обогревания жилья или участия в технологических процессах. Как видите, принцип работы жаротрубного котла прост и подчиняется законам физики.

Существует две категории жаротрубных устройств, одна из которых функционирует за счет нагретого пара, вторая нагревает теплоноситель – воду. В зависимости от назначения оба вида могут отличаться конструктивно и иметь особенности, влияющие на их использование.

Видео: Процесс работы водогрейного котла

Преимущества и недостатки

Главное достоинство жаротрубных водогрейных котлов в их автономности: с помощью доступного оборудования можно собрать простую в использовании и прекрасно функционирующую систему отопления. При необходимости устройство может нагревать объем воды, необходимый для горячего водоснабжения загородного дома или дачи. Конечно, многое зависит от выбора топлива, поэтому перед покупкой необходимо ориентироваться на модели, работающие на определенном виде, например, на жидком топливе.

Также топливо и материал изготовления влияют на гарантированный срок службы отопительного устройства – от 20 до 50 лет. Обычно это соответствует действительности, так как водогрейное оборудование легко поддается ремонту. Автоматика, которой оборудовано большинство современных моделей, позволяет регулировать температуру на выходе или поддерживать ее в одном постоянном значении.

Недостатком обычно считают необходимость в постоянном обслуживании: через определенное время приходится загружать новую порцию топлива. Особенно это касается моделей, работающих на угле, дровах, мазуте, дизеле. Время от времени приходится производить чистку – убирать золу и шлак, освобождать трубы от копоти.

Как работают паровые котлы

Основная часть паровых жаротрубных котлов имеет особое строение, в котором главную роль играет трехходовый теплообменник. Газы, продвигаясь по трубам внутри водяной «рубашки», делают три хода:

• 1 – в камере сгорания, то есть в топочном отделении, где температура достигает максимума;
• 2 – в жаровом трубопроводе второго хода, который может использоваться для отвода горячей воды в систему водоснабжения;
• 3 – в жаровых трубах третьего хода, которые используются для отопительной системы.

Продвижение газов (пара) обеспечивают два фактора: работа вентилятора и тяга из дымохода. Владельцам паровых устройств необходимо контролировать уровень воды, который отличается нестабильностью. Некоторая часть испаряющейся воды оседает внутри конструкции в виде конденсата, для его сбора существует специальный собирающий элемент – сепаратор. Его работа защищает конструкцию от гидроударов и быстрого износа.

Продукты сжигания выходят через дымогарные трубы в каминную часть, затем в дымоход

Большая часть паровых устройств используется в промышленных технологических процессах, когда необходима высокая энергоэффективность: создает большое количество тепла для топливных баков, турбин или деаэраторов.

Процесс работы котла можно проследить по данной схеме

Особенности эксплуатации

Вовремя обслуживать жаротрубное устройство и следить за его стабильностью необходимо, в первую очередь, из целей личной безопасности и сохранения целостности оборудования. Требования безопасности обычно указаны в инструкции к использованию. Основными пунктами являются следующие:

• Минеральные отложения и накипь – результат использования воды в качестве теплоносителя. Именно они являются причинами поломок и паровых, и водогрейных аппаратов. Из-за конструктивных особенностей строения трубопровода внутри конструкции отложения скапливаются неравномерно и вызывают перегрев теплообменника.
• Жаротрубные котлы используют больший объем воды, чем, предположим, водотрубное оборудование, и это увеличивает их взрывоопасность.
• Строение труб вызывает снижение скорости теплоносителя и в результате вызывает появление застойных зон.

Жаротрубный паровой котел способен обслужить небольшое предприятие или несколько жилых домов

Обслуживание заключается в своевременной замене стальных теплообменников, регулярной технической чистке и контроле над работой жаротрубного устройства. Следование инструкции позволяет сохранять изначальные технические характеристики котла и увеличивает срок службы.

а-основной режим; б-пиковый режим; 1-подводящие и отводящие коллекторы; 2-соединительные трубы; 3-фронтальный экран; 4-конвективный пучок труб; 5, 6-левый и правый боковые экраны; 7-задний экран; 8-коллекторы контуров; - движение воды.

Вода в котле циркулирует с помощью насосов. Расход воды зависит от режима работы отопительного котла: при работе в зимний период применяется четырехходовая схема циркуляции воды по основному режиму, а в летний - двухходовая по пиковому режиму.

При четырехходовой схеме циркуляции вода в отопительном котле из теплосети подводится в один нижний коллектор и последовательно проходит через все элементы поверхности нагрева котла, преодолевая подъемы и опуски, после чего вода также через нижний коллектор отводится в тепловую сеть.

При двухходовой схеме вода в отопительном котле поступает одновременно в два нижних коллектора и, перемещаясь по поверхности нагрева, нагревается, после чего отводится в тепловую сеть. При двухходовой схеме циркуляции через котел пропускается почти вдвое больше воды, чем при четырехходовой схеме. Это объясняется тем, что при летнем режиме работы котла нагревается большее, чем в зимний период, количество воды и она поступает в отопительный котел с более высокой температурой (ПО вместо 70 °С).

Жаротрубные котлы

По конструкции является противоположностью водотрубному котлу.Котёл газотрубный - паровой или водогрейный котёл, у которого поверхность нагрева состоит из трубок небольшого диаметра, внутри которых движутся горячие продукты сгорания топлива.Теплообмен происходит посредством нагрева теплоносителя (как правило, это вода или масло), который находится снаружи трубок. Согласно ГОСТ 23172-78, различают жаротрубные , дымогарные и жаротрубно-дымогарные котлы: в жаровых трубах происходит горение, в дымогарных только движутся продукты сгорания. Обычно жаровые трубы толще и их количество меньше. Наиболее распространенная конструкция жаротрубных котлов - цилиндрический корпус, расположенный горизонтально.

Внутри корпуса у водогрейных котлов находится горячая вода, у паровых водяной и паровые объемы. В переднем торце каждой жаровой трубы устанавливается наддувная горелка, рассчитанная на сжигании газообразного или жидкого топлива. Таким образом, жаровая труба является топочной камерой, в которой сгорает почти все топливо. Агрегат состоит из металлического барабана цилиндрической формы с жаровой трубой, в которой устроена топка. Нагретый внутри газ выходит из трубы и обогревает боковые поверхности барабана котла, далее направляется в экономайзер или непосредственно в дымовую трубу. Существуют модели с двумя трубами, крайне редко - с тремя и более. Современные одножаротрубные котлы изготавливаются с поверхностями нагрева от 30 до 50 метров квадратных, нагреваемая плоскость двухжаротрубных котлов составляет от 80 до 100 метров квадратных. Отопительные агрегаты такого типа просты в изготовлении, потому и цена на них минимальна. Устройство жаротрубных котлов позволяет применять их в отопительных и водоснабжающих системах жилых объектов и промышленных предприятий. Максимальный КПД, высокую надежность функционирования и хорошие теплотехнические показатели такое оборудование демонстрирует при использовании газового топлива. Однако имеются и недостатки: значительный нагрев насадок у горелок, также может наблюдаться пульсирующее горение, которому сопутствуют выброс пламени и хлопки. Как правило, в большинстве случаев возможно устранение этих недостатков. Важным для сохранения работоспособности агрегата является соответствие диаметра форсунок конструкционным особенностям инжекционных горелок среднего давления, в противном случае полное сжигание газа не может быть достигнуто. Конструктивное устройство жаротрубного котла требует наличия узла редуцирования давления, поскольку агрегат снабжается газом от сетей среднего или высокого давления.

К минусам конструкции жаротрубных котлов относятся:

§ большие габариты;

§ значительная металлоемкость;

§ высокие требования внутренних топок к качеству топлива;

§ взрывоопасность.

Однако точное соблюдение инструкций производителя по эксплуатации котлов и правил техники безопасности полностью исключает возможность возникновения нештатных ситуаций.

Паровые жаротрубные котлы. Обмуровка одножаротрубных и двухжаротрубных котлов выполняется однообразно, видоизменяясь только в своей верхней части, в зависимости от того, работает ли котел как паровой или водогрейный. Этот тип обмуровки признается наилучшим; газоходы доступны для чистки и достаточно вместительны, в них может отлагаться летучая зола, не загромождая собой путь для газов. Топочные газы, пройдя жаровые трубы, попадают в поворотную камеру, размеры которой по ширине не следует обуживать, так как в этой камере собирается большая часть летучей золы. Минуя поворотную камеру, газы проходят по второму газоходу, не доходя до фронта котла, поворачиваются и идут по третьему-последнему газоходу, направляясь к общему сборному борову. В пределах поворотной камеры газы проходят особым каналом, разобщающим третий газоход от пространства поворотной камеры. Стены обмуровки выкладывают в 2 кирпича. Верхняя часть газохода не доходит 100 мм до наинизшего уровня воды в котле; это - требование Котлонадзора.

Значительные объемы нового строительства в России, привлечение к строительству малых предприятий и частных инвесторов и соответствующее формирование инвестиционной политики обусловили на большинстве строящихся объектов применение автономных отопительных котельных – от квартирных и коттеджных до РТС, а также источников теплоты на реконструируемых объектах, преимущественно с водогрейными котельными агрегатами малой мощности (до 20 МВт). В статье рассмотрены особенности основных типов котлов, представленных на российском рынке, – водотрубных и жаротрубных.

Важнейшей особенностью котлов малой мощности являются тепловые режимы топок и связанные с ними физико-химические процессы горения, обус-ловленные масштабным переходом к малым геометрическим размерам топок с уменьшением мощности котла. Это изменяет соотношение площади поверхности топки к ее объему обратно пропорционально ее характерному размеру. Следствием этого является тот факт, что в малых котлах видимые тепловые напряжения топочного объема в несколько раз превышают характерные для мощных котельных агрегатов, достигая значений qv = 2 МВт/м3 и выше (на газе и жидком топливе), при этом тепловые напряжения поверхностей нагрева в топке (qн = ~200 кВт/м2) примерно соответствуют видимым тепловым напряжениям поверхностей нагрева мощных котлов.

Водогрейная котельная техника представлена на российском рынке двумя основными типами котлов: водотрубными и жаротрубными.

Водотрубные котлы определенное время были основным типом отечественной водогрейной техники. В области малых мощностей такое положение дел себя не оправдало: с производства были сняты устаревшие котлы ТВГ, ТГ, НР 18, ЗиО 60 и др. Однако ряд конструкций котлов малой мощности серии КВ ГМ продолжает выпускаться. Отечественные разработки водогрейных котлов преимущественно представлены водотрубными котлами, выпуск которых осваивают как крупные заводы («Дорогобужкотломаш», Бийский котельный завод, «Вольф Энерджи Солюшен» и др.), так и небольшие котлостроительные фирмы.

Независимо от типа котла необходимо отметить, что тепловой режим металла стенки котла определяется состоянием внутренней поверхности (со стороны охлаждающего теплоносителя), наличием отложений, их толщиной и свойствами. Внешние шлаковые, сажевые и битумиозные отложения (как и внутренние) преимущественно влияют на эффективность теплопередачи от газового потока к теплоносителю и, следовательно, повышают температуру уходящих газов, снижают мощность и КПД котла.

Однако наибольшие неприятности часто связаны с увеличением аэродинамического сопротивления газового тракта котла, изменением и искажением характеристик горения, ухудшением экологических показателей работы.

Водотрубные водогрейные котлы

Основные преимущества водотрубных водогрейных котлов обусловлены организованным гидравлическим режимом в трубных водяных контурах, что позволяет, используя насосные схемы принудительной высокоскоростной циркуляции (в том числе с рециркуляцией), обеспечить допустимые тепловые (температурные) режимы, уменьшить негативные процессы загрязнения теплопередающих поверхностей со стороны теплоносителя, снизить требования по общей жесткости циркуляционной воды. В то же время в водотрубных котлах необходимо строгое соблюдение гидравлического режима движения теплоносителя, исключающего его вскипание на поверхностях нагрева, что, как отмечалось, для котлов малой мощности особенно важно на теплонапряженных участках топочных поверхностей нагрева. При обосновании скоростного режима необходимо ориентироваться на трубы с отпускным движением теплоносителя, в которых при указанных условиях теплообмена (qн = ~200 кВт/м2) скорость движения теплоносителя должна быть по известным зависимостям не менее 1,25–1,35 м/с.

Такой гидравлический режим обуславливает достаточно высокое гидравлическое сопротивление водотрубного водогрейного котла (обычно в пределах 0,5–1,5 бар). Причем не только в расчетном режиме, но и при всех промежуточных режимах работы с частичной или даже минимальной мощностью. Постоянный гидравлический режим, пожалуй, наиболее важный фактор, обеспечивающий надежную работу всей трубной системы водогрейного водотрубного котла.

Ряд конструкций водогрейных водотрубных котлов поставляются производителем в виде нескольких укрупненных блоков, что требует дополнительных затрат при доставке котла, его сборке и монтаже на строительной площадке.

Последнего недостатка лишены жаротрубные водогрейные котлы, полностью изготавливаемые в заводских условиях и поставляемые в виде компактной моноблочной конструкции, часто с уже смонтированной тепловой изоляцией, внешней оболочкой, опорной рамой и пр. Это делает конструкцию привлекательной для потребителя, существенно упрощает монтаж оборудования в котельной.

Жаротрубные водогрейные котлы

Использование жаротрубных котлов с наддувной газоплотной топкой, принцип действия которой основан на применении автоматизированных горелочных устройств, оснащенных встроенными (или комплектными) дутьевыми вентиляторами, позволяет работать без дымососов с регулированием параметров горения при переменных нагрузках, сохраняя высокую эффективность с КПД 92–95 %.

Заводы-изготовители переходят на большие объемы выпуска жаротрубных котлов, активно осваивают зарубежные технологии, покупают и перерабатывают под российские нормативы техническую документацию известных фирм, продукция которых пользуется спросом и хорошо себя зарекомендовала на рынке. Например, трехходовые котлы ФР–10, ФР–16, выпускаемые по технологии компании «Финрейла» (Финляндия), котлы GKS Dynaterm, Eurotwin производства «Волф Энерджи Солюшен» по технологии компании WOLF (Германия).

Конструктивные схемы практически всех жаротрубных водогрейных котлов предполагают размещение в водяном объеме внутри внешней прочной оболочки котла цилиндрической топки и дымогарных труб конвективных поверхностей. Компоновку котлов принято классифицировать как двухходовую и трехходовую. В обоих случаях развитие факела и движение продуктов сгорания по топочному объему считается первым ходом как для топок с осевым пролетным (без разворота факела) движением газов, так и для тупиковых реверсивных топок (с разворотом факела на 180° в задней части внутри топки к фронту котла) (рис. 2). Таким образом, 2 ходовые схемы предполагают один ход продуктов сгорания по конвективным жаровым трубам, а 3 ходовые – два хода с разворотом продуктов сгорания между пучками дымогарных труб на 180°

Важнейшие недостатки жаротрубных конструкций обусловлены малой скоростью движения теплоносителя во внутреннем водяном объеме котла, имеющем значительный объем (удельный объем воды от ~0,5 до ~1,5 м3/МВт) и большое расчетное живое сечение для движения котловой воды. Это приводит к неорганизованным гидравлическим режимам внутренней циркуляции со скоростями, соответствующими естественной конвекции порядка 0,01–0,02 м/с, а в ряде зон водяного объема и ниже. По этой причине значение тепловых напряжений поверхностей нагрева котла по условиям недопущения пристенного вскипания воды гораздо ниже, чем у водотрубных котлов, и является основным фактором, определяющим надежную и безаварийную работу котла (наряду с загрязнением поверхностей со стороны воды накипью и шламовыми отложениями и др.).

Конструктивные особенности жаротрубных котлов

Конструкция трехходового котла по сравнению с двухходовым у большинства производителей имеет большую конвективную поверхность нагрева (дымогарных труб) и за счет этого позволяет увеличить глубину охлаждения дымовых газов и повысить на 1–3 % КПД котла. Большего значения КПД удается достичь установкой за водогрейным котлом агрегатного или блочного экономайзера (в том числе и конденсационного типа).

Оценивая качество жаротрубного котла необходимо учитывать как конструктивные решения, так и совершенство технологии изготовления.

Так, наличие жесткого корпуса и безкомпенсационных по термическому удлинению торцевых поверхностей (трубные доски) с жесткой сваркой прямых жаровых труб и жестким креплением топки, близкое расположение жаровых труб к внешней необогреваемой оболочке котла приводят к повышенным напряжениям из-за некомпенсированной тепловой деформации как при холодных пусках, так и при переменных режимах эксплуатации. В этой связи весьма важно иметь информацию о расчетном значении на малоцикловую усталость металла, которая определяет количество циклов запуска из холодного состояния, измеряемое от нескольких сотен до десятков тысяч циклов. Помимо конструкции котла на эту величину влияет качество металла жаровых труб и трубных досок, технология и качество сварки, применение термоотпуска для снятия внутренних напряжений в сварной конструкции при изготовлении котла.

Менее надежными оказываются и котлы с низким расположением жаровых труб, которые наиболее интенсивно заносятся шламом, из-за чего теплообмен ухудшается, температура стенки трубы увеличивается, что приводит к дополнительному локальному перегреву, увеличению нагрузок на сварочные швы и трубную доску. Для выравнивания и интенсификации теплообмена в конвективных поверхностях часто используют различного рода турбулизаторы потока, вставляемые в жаровые трубы третьего хода или в концевые участки второго хода 2 ходового котла.

Здесь важно отметить, что жаровые котлы с реверсивной топкой, в силу отмеченных особенностей тепловых процессов, при развороте факела обеспечивают интенсификацию конвективного теплообмена в топке (этим достигается выравнивание тепловых потоков на поверхностях нагрева в топке). Также они позволяют за счет активной рециркуляции части продуктов сгорания в корне факела горелки снизить эмиссию оксидов азота. Однако при этом в значительной мере происходит интенсификация теплообмена на трубной доске и начальных участках дымогарных труб в зоне разворота факела у переднего шамотного блока с учетом его вторичного излучения. Из-за этих факторов трубная доска оказывается в чрезвычайно форсированном тепловом режиме, зачастую приводящем к ее перегреву.

Учитывая указанные особенности тепловых режимов фронтовой трубной доски, подавляющее большинство зарубежных производителей водогрейных жаротрубных котлов ограничивают область применения реверсивных топок котлами мощностью до 2,5 МВт.

Для любых топок жаротрубных котлов, особенно для реверсивных, необходим правильный подбор горелки не только по мощности, но и по соответствию конфигурации и размеров факела горелки топке котла. Должен быть исключен даже локальный «наброс» факела на холодную стенку топки во всех режимах ее работы, с учетом необходимого напора для преодоления аэродинамического сопротивления газового тракта котла и метода регулирования нагрузки.

Низкие скорости движения теплоносителя, большие объемы воды приводят к интенсивному выпадению взвешенных частиц шлама как в нижней части котла (формируя зоны интенсивной подшламовой коррозии), так и на верхней образующей жаровых труб. Даже на «чистой» трубе при работе котла на расчетные параметры воды с температурой +95 °C максимальные значения локальной температуры воды могут составлять ~130 °C, а при +105 °C – ~145 °C. Под пористыми шламовыми отложениями (и накипью) температуры металла стенки трубы и воды еще выше, что ведет к локальному вскипанию, интенсификации процесса накипеобразования, перегреву стенки трубы. Дополнительно необходимо отметить, что вскипание воды не только не смывает шламовые отложения на верхней образующей жаровых труб, но и интенсифицирует формирование локальных отложений накипи и фактически увеличивает размер и уплотняет эти отложения. По этой причине желательно не снижать гидростатическое давление в котле ниже 4,5–5 бар, что, однако, не может в полной мере подавить эти процессы. «Вялая» гидродинамика жаротрубных котлов объясняет необходимость глубокого умягчения воды до остаточной общей жесткости не более 0,01–0,02 (мг-экв)/л.

Максимальное уменьшение шламоотложения обеспечивается при использовании независимого подключения котлового контура в схеме теплоснабжения, исключающего попадание шлама из тепловых сетей и систем отопления потребителей. Следует ограничить использование магнитной и комплексонной обработки даже при наличии шламоотделителей в схеме и использовать периодическую продувку, периодичность и время осуществления которой из нижних точек котла определяется водно-химическим режимом работы котла.

Необходимо обязательно поддерживать гидравлический режим работы котла с расчетным расходом теплоносителя, определяемым при расчетной нагрузке по допустимому перепаду температур на входе и выходе из котла. Обеспечить требуемую рециркуляцию теплоносителя с проверкой во всех режимах работы для исключения низкотемпературной коррозии в хвостовых поверхностях нагрева котла, которая рассчитывается по условию превышения температуры воды на входе в котел температуры точки росы дымовых газов на 5 °C.

Рассматриваемые вопросы не только касаются проектирования и организации работы жаротрубных котлов, но напрямую связаны с режимами эксплуатации с позиции обеспечения технологических процессов. Так, позиционное регулирование отпускаемой потребителям мощности при режиме эксплуатации горелки «включено-выключено» объективно существенно сокращает ресурс работы котла, учитывая цикловую усталость металла. Однако иногда и использование модулируемых горелок, особенно в реверсивных топках, может на пониженных нагрузках вызывать преждевременный разворот факела вблизи горелки, а следовательно, перегрев отдельных участков топки и фронтовой трубной доски. Аналогичный процесс развивается при значительных разрежениях в газоотводящем борове за котлом. В некоторых случаях, при малом аэродинамическом сопротивлении котла, этот эффект проявляется при разрежении ~25 Па.

Недопустимы нарушения режимов эксплуатации котлов:
— с несоответствующей или отключенной химводоподготовкой (даже при кратковременном ее отключении);
— с внесением конструктивных изменений в котел – при удалении турбулизаторов, изменении схемы подключения вход-выход по теплоносителю и др.;
— с отключенными рециркуляционными насосами;
— без контроля температуры уходящих газов, аэродинамического сопротивления и гидравлических потерь давления в котле;
— без контроля утечек в тепловых сетях и без очистки сетевой воды от шлама, без периодической продувки.