Основные характеристики и классификация паровых котлов.

Основными величинами, характеризующими работу паровых котлов, являются паропроизводительность, давление и температура пара, КПД котла, поверхность нагрева котла и его узлов, масса котла.
Паропроизводительность D — массовое количество пара, вырабатываемое котлом в единицу времени в течение длительного периода. Она измеряется в т/ч, а для котлов малой мощности — в кг/ч.
В зависимости от наличия на судне главных машин и вспомогательных механизмов, а также от расхода пара на хозяйственно-бытовые и технологические нужды паровые котлы могут одновременно вырабатывать перегретый, охлажденный и насыщенный пар. Давление пара в этом случае будет одинаковым, а теплосодержание — разным.
D = Dпп + Dохл + Dнас ,
где Dпп,Dохл,Dнас - соответственно количество перегретого, охлажденного и насыщенного пара, вырабатываемого котлом, кг/ч.
Для более удобного и точного подсчета тепловой нагрузки котла введена характеристика — теплопроизводительность котла Q. Это количество тепла (Дж), затраченное на нагрев, испарение воды и перегрев пара в единицу времени (ч).
Q = Dпп ( iпп - iп.в ) + Dохл ( iохл - iпп ) + Dнас ( iх - iп.в ),
где iпп,iохл,iх — теплосодержание перегретого, охлажденного и насыщенного пара,Дж/кг; iпв— теплосодержание питательной воды, Дж/кг.
i = xiп + ( 1 + x)i1,
где х — степень сухости пара; (1+х)—степень влажности пара; iп — теплосодержание сухого насыщенного пара при рабочем давлении, Дж/кг; i1 — теплосодержание воды при температуре насыщения, Дж/кг.
Степень сухости является очень важной величиной, особенно, когда котел вырабатывает только насыщенный пар. Обычно она выражается в процентах.
Параметры вырабатываемого пара — давление и температура. Давление пара, измеряемое манометрами, называется избыточным, или манометрическим. Действительное давление в котле выше манометрического на величину барометрического давления. Оно носит название абсолютного давления. В технике используется величина, которая называется технической атмосферой. Она соответствует давлению 0,1 МПа (1 кгс/см2). Температура пара, как правило, выражается в градусах Цельсия (С).
КПД котла — это отношение полезного тепла, использованного на подогрев, испарение воды и перегрев пара, к общему количеству тепла, которое может выделить (при сгорании без тепловых потерь) топливо, затраченное для получения необходимого количества пара. КПД обычно выражается в процентах и характеризует экономичность работы парового котла. Величина его зависит от типа котла, его конструкции, назначения, режима работы и др. У высоконапряженных котлов с мазутным отоплением КПД составляет 77—83 %, а у слабонапряженных—88—93 %.
Поверхность нагрева котла — это поверхность его стенок, с одной стороны омываемая водой, с другой — горячими газами. Через нее передается тепло, полученное при сгорании топлива. Поверхность нагрева измеряется в м2 и подсчиты-вается со стороны прохода газов. Поверхность, на которой происходит образование пара, называется испарительной, или парообразующей. При наличии экранов их поверхность обычно входит в испарительную.
Масса котла, заполненного водой до среднего уровня по водомерному стеклу, измеряется в рабочем состоянии с полностью установленной штатной арматурой, гарнитурой и приборами.
Масса воды в котле — это масса объема воды, необходимого для заполнения котла до среднего уровня по водомерному стеклу.
Кроме рассмотренных характеристик есть и другие (производные): удельный паросъем, относительная масса, относительный объем, удельная тепловая нагрузка топочного объема и др. Эти характеристики применяются при сравнении однотипных котлов.
Паровые котлы, установленные на судах, классифицируются по ряду признаков. В зависимости от назначения различают главные и вспомогательные котлы.
Главными называются паровые котлы, вырабатывающие пар для двигателей (паровых машин, паровых турбин), приводящих в движение судовые движители, а также для вспомогательных механизмов. Вспомогательными называются паровые котлы, вырабатывающие пар только для вспомогательных механизмов, для хозяйственно-бытовых и технологических нужд судна.
В зависимости от циркуляции воды и пароводяной смеси различают котлы с естественной и принудительной циркуляцией. В котлах с естественной циркуляцией движение воды происходит из-за разности ее удельного веса в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных. В котлах с принудительной циркуляцией вода движется по трубам под действием давления, создаваемого специальными насосами. Котлы с принудительной циркуляцией разделяют на котлы с многократной принудительной циркуляцией и прямоточные.
В зависимости от рода сжигаемого топлива различают котлы, работающие на твердом и жидком топливе.
Особую группу составляют утилизационные котлы, в которых используется тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.
По величине давления вырабатываемого пара котлы бывают низкого, среднего, повышенного и высокого давления.
Морские паровые котлы с давлением пара до 1,5—2,2 МПа относятся к котлам низкого давления, с давлением 2,2— 3,2 МПа — к котлам среднего давления. Паровые котлы с рабочим давлением в пределах 3,2—6,4 МПа называют котлами повышенного давления, с давлением пара более 6,4 МПа — котлами высокого давления. Деление это весьма условно и меняется с развитием котлостроения.

Принцип действия паровых котлов.

Паровой котел — это агрегат, предназначенный для непрерывного производства пара с определенными параметрами в результате превращения любого вида энергии в тепловую. Наиболее распространенным источником тепловой энергии, используемым на судах, является твердое и жидкое топливо. В последние годы все шире используется тепло газов, отходящих от двигателей внутреннего сгорания (в утилизационных котлах) и имеющих температуру 300—450 С. Иногда для производства пара используют электроэнергию (в электрокотлах) и атомную энергию (в судовых реакторах).
В большинстве паровых котлов пар образуется в результате передачи тепла, выделяющегося при сгорании топлива в топке, рабочему веществу — воде.
В паровом котле происходят следующие процессы, в результате которых осуществляется непрерывное производство водяного пара: топочный — горение топлива в топке котла; аэродинамический— подача в топку воздуха и удаление из газоходов продуктов горения топлива; теплопередача — передача тепла от газов к воде через поверхность нагрева; гидродинамический— движение (циркуляция) воды и пара внутри котла, вдоль его поверхности нагрева.
Эти процессы тесно связаны между собой и сопровождаются такими побочными явлениями, как коррозия металла, образование отложений, нарушение прочности элементов котла и другими, что отражается на безаварийной и экономичной работе паровых котлов.
Паровые котлы, установленные на судах, разделяются на огнетрубные, водотрубные и комбинированные. В огнетрубных котлах горячие дымовые газы проходят внутри дымогарных труб, снаружи омываемых водой. В водотрубных котлах по водогрейным трубам движется вода и пар, а снаружи они омываются горячими газами. В комбинированных котлах сочетаются элементы конструкции огнетрубного и водотрубного котлов — в одной части поверхности нагрева газы движутся внутри труб, а снаружи их омывает вода, в другой части по трубам циркулирует вода, а газы омывают их снаружи.
Современный котел состоит из следующих основных узлов: корпуса с развитой поверхностью нагрева; каркаса и фундамента; обмуровки; изоляции и обшивки; внутрибарабанного устройства; водяного экономайзера; пароперегревателя и пароохладителя; топки с топочным устройством; воздухоподогревателя с воздухопроводами; дымоходов с дымовой трубой; арматуры и контрольно-измерительных приборов.
В состав судовой котельной установки обычно входят несколько паровых котлов. Обеспечение их нормальной работы осуществляется при помощи следующих систем: питания, топливоподачи, воздухоподачи и удаления газов, продувки, водообработки, сажеобдувки, контроля, регулирования и управления. Работа каждой системы обеспечивается различными механизмами и устройствами, которые выполняют определенные функции.

На рисунке выше дана простейшая схема парового водотрубного котла, работающего на жидком топливе, с воздухоподогревателем, экономайзером и пароперегревателем. Котел состоит из водяного 2 и пароводяного 14 барабанов, соединенных между собой водогрейными трубами 3.
Топка котла предназначена для сжигания топлива Т в потоке воздуха В. Она состоит из топочного пространства (топочной камеры) / и топочного устройства 15. Тепло газов передается воде в топке и газоходах 5, которые предназначены также для направления потока газов в дымоход, расположенный за хвостовой поверхностью нагрева и заканчивающийся дымовой трубой, через которую газы Г отводятся в атмосферу. Хвостовые поверхности нагрева в виде экономайзера и воздухоподогревателя являются важными элементами современных судовых паровых котлов, позволяющими обеспечить высокий КПД котла за счет более полного использования тепла отходящих газов, а следовательно, снижения их температуры. При установке экономайзера или воздухоподогревателя температура отходящих газов доводится до 10—160 С, а в отдельных случаях до 125—130 С, поэтому поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя работают в условиях относительно низких температур дымовых газов.
Для подогрева воздуха В, расходуемого на горение топлива,служит воздухоподогреватель 7. Подогретый воздух подается по воздухопроводу 4 к топочному устройству 15. Во время работы котла пар непрерывно отводится через главный стопорный клапан 10. Для поддержания внутри котла определенного (рабочего) уровня воды последняя постоянно подается через питательный клапан 12. Падение уровня воды ниже допустимого может привести к перегреву стенок котла, не омываемых водой, и их разрыву. Уровень воды контролируется по водоуказательным приборам 13, установленным на передней части парового котла.
В паровом котле имеются два отдельных тракта — пароводяной и воздушногазовый. Поверхность воды, разделяющая паровое и водяное пространства в котле, называется зеркалом испарения.
В процессе эксплуатации может произойти повышение давления в котле сверх расчетного (допустимого). Для предотвращения аварии, которая может в этом случае произойти, на паровом котле устанавливается предохранительный клапан 11. Контроль за давлением пара в котле осуществляется по манометру 9.
Перечисленные выше элементы котла являются минимально необходимыми для обеспечения длительного производства пара.
Для повышения экономичности работы паросиловой установки используют перегретый пар, для получения которого служит пароперегреватель 6, расположенный в газоходе котла. С этой целью питательную воду, поступающую в котел, предварительно подогревают в экономайзере 5, для чего используют тепло дымовых газов. Экономайзер также устанавливается в газоходе котла. Питательная вода может предварительно подогреваться в водоподогревателях, в которых используется тепло отработавшего пара от судовых вспомогательных механизмов. Подогретая вода из водоподогревателя по трубопроводам направляется в экономайзер, где происходит дальнейший ее подогрев. Из экономайзера нагретая вода поступает в котел. Паровой котел устанавливается на фундаменте 16.