На электростанции, работающей на ископаемом топливе, использующей паровой цикл для выработки электроэнергии, основным источником тепла будет сжигание угля , нефти или природного газа . В некоторых случаях побочное топливо, такое как отходящие газы коксовой батареи с высоким содержанием угарного газа, можно сжигать для нагрева котла; биотопливо, такое как жом там, где это экономически доступно, также можно использовать . На атомной электростанции котлы, называемые парогенераторами, нагреваются за счет тепла, выделяемого в результате ядерного деления. Если в результате какого-либо процесса имеется большой объем горячего газа, парогенератор-утилизатор или котел-утилизатор может использовать это тепло для производства пара с небольшим потреблением дополнительного топлива или без него; такая конфигурация распространена на электростанциях с комбинированным циклом , где используются газовая турбина и паровой котел. Во всех случаях отходящие газы продуктов сгорания отделены от рабочего тела парового цикла, что делает эти системы примерами двигателей внешнего сгорания .
В с острым паром моделях , часто используется медь или латунь поскольку их легче изготовить в котлах меньшего размера. Исторически медь часто использовалась для топок (особенно для паровозов ) из-за ее лучшей формуемости и более высокой теплопроводности; однако в последнее время высокая цена на медь часто делает этот выбор нерентабельным, и вместо него используются более дешевые заменители (например, сталь). [ нужна ссылка ]
На протяжении большей части викторианской «эпохи пара» единственным материалом, используемым для изготовления котлов, было кованое железо высочайшего качества , сборка которого осуществлялась путем клепки . Этот чугун часто получали на специализированных металлургических заводах , например, в районе Клитор-Мур (Великобритания), известных высоким качеством проката который , особенно подходил для использования в критических приложениях, таких как котлы высокого давления. В 20 веке практика проектирования перешла на использование стали со сварной конструкцией, которая прочнее и дешевле, а также может быть изготовлена быстрее и с меньшими трудозатратами. Котлы из кованого железа корродируют гораздо медленнее, чем их современные стальные аналоги, и менее подвержены локальной точечной коррозии и коррозии под напряжением. Это делает долговечность старых котлов из кованого железа намного выше, чем у сварных стальных котлов. [ нужна ссылка ]
Чугун можно использовать для нагревательного резервуара бытовых водонагревателей. Хотя в некоторых странах такие обогреватели обычно называют «котлами», их целью обычно является производство горячей воды, а не пара, поэтому они работают при низком давлении и стараются избежать кипения. Хрупкость чугуна делает его непрактичным для паровых котлов высокого давления.
Существует два метода измерения эффективности котла в соответствии с кодом испытаний производительности ASME (PTC) для котлов ASME PTC 4. [5] и для котла-утилизатора ASME PTC 4.4 и EN 12952-15. [6] для водотрубных котлов:
Примитивный «чайник», в котором огонь нагревает снизу частично заполненную емкость с водой. Котлы Хейкока XVIII века обычно производили и хранили большие объемы пара очень низкого давления, часто едва превышающего атмосферное. Они могли сжигать дрова или, чаще всего, уголь. Эффективность была очень низкой.
Здесь вода частично заполняет бочку котла, а сверху остается небольшой объем для размещения пара ( паровое пространство ). Этот тип котла используется почти во всех паровозах . Источник тепла находится внутри печи или топки , которая должна постоянно находиться в воде, чтобы поддерживать температуру поверхности нагрева ниже точки кипения . Печь может быть расположена на одном конце жаровой трубы, что удлиняет путь горячих газов, тем самым увеличивая поверхность нагрева, которую можно еще больше увеличить, заставив газы изменить направление через вторую параллельную трубу или пучок нескольких труб ( двухходовой или обратный котел); в качестве альтернативы газы могут отводиться по бокам, а затем под котлом через дымоходы (трехходовой котел). В случае котла локомотивного типа ствол котла выступает из топки, и горячие газы проходят через пучок жаровых труб внутри ствола, что значительно увеличивает поверхность нагрева по сравнению с одиночной трубой и дополнительно улучшает теплообмен. Жаротрубные котлы обычно имеют сравнительно низкую паропроизводительность, но высокую пароемкость. Жаротрубные котлы в основном работают на твердом топливе, но их легко адаптировать к жидкому или газовому топливу. Жаротрубные котлы также могут называться котлами «шотландского» или «морского» типа. [7]
В этом типе трубы, наполненные водой, расположены внутри печи в различных возможных конфигурациях. Часто водопроводные трубы соединяют большие бочки, нижние из которых содержат воду, а верхние — пар и воду; в других случаях, например, в однотрубном котле, вода циркулирует насосом через последовательность змеевиков. Этот тип обычно обеспечивает высокую производительность пара, но меньшую емкость хранения, чем описанный выше. Водотрубные котлы могут быть спроектированы для использования любого источника тепла и, как правило, предпочтительнее для применений с высоким давлением, поскольку вода / пар под высоким давлением содержится в трубах небольшого диаметра, которые могут выдерживать давление с более тонкими стенками. Эти котлы обычно строятся на месте, имеют примерно квадратную форму и могут достигать нескольких этажей. [7]
Бойлер мгновенного действия — это специализированный тип водотрубного котла, в котором трубы расположены близко друг к другу и через них прокачивается вода. Котел мгновенного действия отличается от однотрубного парогенератора, в котором трубка постоянно заполнена водой. В испарительном котле труба поддерживается настолько горячей, что подаваемая вода быстро превращается в пар и перегревается . Вспышочные котлы некоторое время использовались в автомобилях в 19 веке, и это использование продолжалось и в начале 20 века.
Иногда два вышеуказанных типа объединяют следующим образом: топка содержит набор водяных трубок, называемых термосифонами . Затем газы проходят через обычный жаротрубный котел. Водотрубные топки устанавливались на многих венгерских локомотивах. [ нужна ссылка ] но не имели большого успеха в других странах.
Секционный котел
В чугунном секционном котле, который иногда называют «котлом для свиных отбивных», вода содержится внутри чугунных секций. [ нужна ссылка ] Эти секции собираются на месте для создания готового котла.
Исторически котлы были источником многих серьезных травм и разрушения имущества из-за плохого понимания инженерных принципов. Тонкие и хрупкие металлические оболочки могут разорваться, а плохо сваренные или заклепочные швы могут раскрыться, что приведет к сильному выбросу сжатого пара. Когда вода превращается в пар, она расширяется более чем в 1000 раз по сравнению с первоначальным объемом и движется по паровым трубам со скоростью более 100 километров в час (62 мили в час). По этой причине пар является эффективным методом перемещения энергии и тепла по объекту от центральной котельной туда, где это необходимо, но без правильной очистки питательной воды котла пароподъемная установка будет страдать от образования накипи и коррозии. В лучшем случае это увеличивает затраты на электроэнергию и может привести к ухудшению качества пара, снижению эффективности, сокращению срока службы установки и ненадежной работе. В худшем случае это может привести к катастрофическому отказу и гибели людей. Обрушившиеся или смещенные трубы котла также могут выбрасывать обжигающе горячий пар и дым из воздухозаборника и топочного желоба, травмируя пожарных, загружающих уголь в топку. Чрезвычайно большие котлы, обеспечивающие работу заводов мощностью в сотни лошадиных сил, потенциально могут разрушить целые здания. [9]
Котел, в котором отсутствует питательная вода и который выкипает всухую, может быть чрезвычайно опасным. Если затем подать питательную воду в пустой котел, небольшой каскад поступающей воды мгновенно закипает при контакте с перегретой металлической оболочкой и приводит к сильному взрыву, который не удается контролировать даже предохранительными паровыми клапанами. Опустошение котла может произойти и в том случае, если в паропроводах возникнет протечка, превышающая возможности запаса подпиточной воды. Хартфордская петля была изобретена в 1919 году Хартфордской компанией по инспекции и страхованию паровых котлов как метод, помогающий предотвратить возникновение этого состояния и тем самым уменьшить их страховые выплаты. [10] [11]
При кипячении воды образуется насыщенный пар , также называемый «влажным паром». Насыщенный пар, хотя и состоит в основном из водяного пара, несет в себе некоторое количество неиспарившейся воды в виде капель. Насыщенный пар полезен для многих целей, таких как приготовление пищи , обогрев и санитария , но нежелателен, когда ожидается, что пар будет передавать энергию машинам, таким как двигательная система корабля или «движение» паровоза . Это связано с тем, что неизбежная потеря температуры и/или давления, возникающая при движении пара от котла к оборудованию, приведет к некоторой конденсации, в результате чего жидкая вода попадет в оборудование. Вода, увлечённая паром, может повредить лопатки турбины, а в случае парового двигателя возвратно-поступательного действия — вызвать серьёзное механическое повреждение из-за гидростатической блокировки .
Котлы с перегретым паром испаряют воду, а затем дополнительно нагревают пар в пароперегревателе , в результате чего температура выходящего пара существенно превышает температуру кипения при рабочем давлении котла. Поскольку полученный « сухой пар » намного горячее, чем необходимо для пребывания в парообразном состоянии, он не будет содержать значительного количества неиспарившейся воды. Кроме того, будет возможно более высокое давление пара, чем при использовании насыщенного пара, что позволит пару переносить больше энергии. Хотя перегрев добавляет больше энергии к пару в виде тепла, он не влияет на давление, которое определяется скоростью отбора пара из котла и настройками давления предохранительных клапанов . [12] Расход топлива, необходимый для выработки перегретого пара, превышает расход топлива, необходимый для выработки эквивалентного объема насыщенного пара. Однако общая энергоэффективность паровой установки (сочетания котла, пароперегревателя, трубопроводов и оборудования) в целом будет повышена настолько, чтобы более чем компенсировать возросший расход топлива.
Работа пароперегревателя аналогична работе змеевиков кондиционера , хотя и для другой цели. Паропровод проходит через путь дымовых газов в топке котла, где температура обычно составляет от 1300 до 1600 градусов Цельсия (от 2372 до 2912 градусов по Фаренгейту). Некоторые пароперегреватели относятся к излучающему типу, который, как следует из названия, поглощает тепло за счет излучения. Другие относятся к конвекционному типу и поглощают тепло из жидкости. Некоторые представляют собой комбинацию этих двух типов. В любом случае сильное тепло в тракте дымовых газов также будет нагревать паровой трубопровод перегревателя и пар внутри него.
Проектирование любой установки с перегретым паром представляет собой ряд инженерных проблем из-за высоких рабочих температур и давлений. Одним из соображений является введение питательной воды в котел. Насос , используемый для загрузки котла, должен быть способен преодолевать рабочее давление котла, иначе вода не будет течь. Поскольку перегретый котел обычно работает при высоком давлении, соответствующее давление питательной воды должно быть еще выше, что требует более прочной конструкции насоса.
Еще одним соображением является безопасность. Перегретый пар под высоким давлением может быть чрезвычайно опасным, если он непреднамеренно выйдет наружу. Чтобы дать читателю некоторое представление, паровые установки, используемые на многих ВМС США эсминцах , построенных во время Второй мировой войны , работали при давлении 600 фунтов на квадратный дюйм (4100 кПа ; 41 бар ) и перегреве 850 градусов по Фаренгейту (454 градуса по Цельсию). В случае серьезного разрыва системы, постоянно присутствующего на военном корабле во время боя , огромное энерговыделение выходящего перегретого пара, расширяющегося более чем в 1600 раз по сравнению с ограниченным объемом, было бы эквивалентно катастрофическому взрыву, который корабля последствия будут усугублены выбросом пара, происходящим в замкнутом пространстве, например, в машинном отделении . Кроме того, небольшие утечки, которые не видны в месте утечки, могут быть смертельными, если человек встанет на путь выходящего пара. Поэтому проектировщики стараются придать компонентам системы обработки пара как можно большую прочность для сохранения целостности. Для предотвращения утечек используются специальные методы соединения паровых труб, при этом в системах очень высокого давления используются сварные соединения, чтобы избежать проблем с утечками при резьбовых или герметичных соединениях.
Сверхкритические парогенераторы часто используются для производства электроэнергии . Они работают при сверхкритическом давлении. В отличие от «субкритического котла», сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (более 3200 фунтов на квадратный дюйм или 22 МПа), что физическая турбулентность, характеризующая кипение, перестает возникать; жидкость не является ни жидкостью, ни газом, а является сверхкритической жидкостью. В воде не образуются пузырьки пара, поскольку давление превышает критическую точку давления , при которой могут образовываться пузырьки пара. По мере того, как жидкость расширяется через ступени турбины, ее термодинамическое состояние падает ниже критической точки, поскольку она вращает турбину, которая вращает электрический генератор, из которого в конечном итоге извлекается мощность. Жидкость в этот момент может представлять собой смесь пара и капель жидкости, проходящей в конденсатор . Это приводит к немного меньшему использованию топлива и, следовательно, к меньшему производству парниковых газов . Термин «котел» не следует использовать для парогенератора сверхкритического давления, поскольку в этом устройстве не происходит «кипения».
Регуляторы давления для контроля давления пара в котле. Котлы обычно имеют 2 или 3 регулятора давления: регулятор давления с ручным сбросом, который действует как предохранитель, устанавливая верхний предел давления пара, регулятор рабочего давления, который контролирует зажигание котла для поддержания давления, а также для котлов, оснащенных модулирующей горелкой. , модулирующий регулятор давления, который контролирует интенсивность огня.
Индикаторы уровня воды: они показывают оператору уровень жидкости в котле, также известные как смотровое стекло , водомер или водяной столб.
Нижние продувочные клапаны: они обеспечивают удаление твердых частиц, которые конденсируются и оседают на дне котла. Как следует из названия, этот клапан обычно расположен непосредственно в нижней части котла и иногда открывается, чтобы использовать давление в котле для выталкивания этих частиц.
Клапан непрерывной продувки: позволяет постоянно сливать небольшое количество воды. Его цель – предотвратить насыщение воды в котле растворенными солями. Насыщение приведет к вспениванию и унесет капли воды с паром – состояние, известное как грунтование . Продувку также часто используют для контроля химического состава котловой воды.
Trycock: тип клапана , который часто используется для ручной проверки уровня жидкости в резервуаре. Чаще всего встречается на водогрейном котле.
Расширительный резервуар: продувка под высоким давлением поступает в этот резервуар, где пар может безопасно «вспыхнуть» и использоваться в системе низкого давления или быть выброшен в атмосферу, в то время как продувка под давлением окружающей среды стекает в дренаж.
Автоматическая система продувки/непрерывной рекуперации тепла: Эта система позволяет котлу продуваться только тогда, когда в котел поступает подпиточная вода, тем самым передавая максимально возможное количество тепла от продувки подпиточной воде. Как правило, расширительный бак не требуется, поскольку температура продувочной воды близка к температуре подпиточной воды.
Ручные отверстия: представляют собой стальные пластины, установленные в отверстиях в «коллекторе», позволяющие осуществлять осмотр и установку трубок, а также проверку внутренних поверхностей.
Внутренние части парового барабана, ряд сит, скрубберов и банок (циклонных сепараторов).
Отключение при низком уровне воды: это механическое средство (обычно поплавковый выключатель) или электрод с предохранительным выключателем, который используется для выключения горелки или отключения подачи топлива в котел, чтобы предотвратить его запуск, когда уровень воды опускается ниже определенного уровня. точка. Если котел работает всухую (сгорает без воды), это может привести к разрыву или катастрофическому выходу из строя.
Линия поверхностной продувки: обеспечивает удаление пены или других легких неконденсирующихся веществ, которые имеют тенденцию плавать на поверхности воды внутри котла.
Циркуляционный насос : предназначен для циркуляции воды обратно в котел после того, как она отвела часть тепла.
питательной воды Обратный клапан или обратный клапан: обратный запорный клапан на линии питательной воды . Его можно установить сбоку котла, чуть ниже уровня воды, или в верхней части котла. [13]
Верхняя подача: В этой конструкции для впрыска питательной воды вода подается в верхнюю часть котла. Это может снизить усталость котла, вызванную термическим напряжением. Распыление питательной воды по нескольким лоткам позволяет быстро нагревать воду, что позволяет уменьшить накипь .
Трубы или пучки пароохладителей: серия трубок или пучков трубок в водяном или паровом барабане, предназначенная для охлаждения перегретого пара с целью питания вспомогательного оборудования, которое не нуждается в сухом паре или может быть повреждено им.
Линия впрыска химикатов: соединение для добавления химикатов для контроля pH питательной воды .
Котел , обогреваемый топливом, должен подавать воздух для окисления топлива. Ранние котлы обеспечивали этот поток воздуха или тягу за счет естественного действия конвекции в дымоходе, соединенном с выхлопом камеры сгорания. Поскольку нагретый дымовой газ менее плотный, чем окружающий котел окружающий воздух, дымовой газ поднимается в дымоходе, втягивая более плотный свежий воздух в камеру сгорания. [ нужна ссылка ]
Большинство современных котлов зависят от механической тяги, 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 надлежащей тяги и, следовательно, делают механическое вытяжное оборудование гораздо более надежным и экономичным. [ нужна ссылка ]
Виды тяги также можно разделить на вынужденную тягу , при которой выхлопные газы вытягиваются из котла; принудительная тяга , при которой в котел нагнетается свежий воздух; и сбалансированная тяга , где используются оба эффекта. Естественная тяга за счет использования дымохода — это разновидность вынужденной тяги; Механическая тяга может быть вызванной, принудительной или сбалансированной.
Существует два типа механической тяги. Первый заключается в использовании струи пара. Струя пара, ориентированная в направлении потока дымовых газов, нагнетает дымовые газы в дымовую трубу и обеспечивает большую скорость дымовых газов, увеличивая общую тягу в печи. Этот метод был распространен на паровых локомотивах, у которых не могло быть высоких дымоходов. Второй метод заключается в простом использовании вытяжного вентилятора (ID-вентилятора), который удаляет дымовые газы из печи и нагнетает выхлопные газы вверх по дымовой трубе. Почти все печи с принудительной тягой работают при слегка отрицательном давлении.
Механическая принудительная тяга обеспечивается посредством вентилятора, нагнетающего воздух в камеру сгорания. Воздух часто пропускают через воздухонагреватель; который, как следует из названия, нагревает воздух, поступающий в топку, с целью повышения общего КПД котла. Заслонки используются для регулирования количества воздуха, поступающего в печь. Печи с принудительной тягой обычно имеют положительное давление.
Сбалансированная тяга достигается за счет использования как вынужденной, так и принудительной тяги. Это чаще встречается в котлах большего размера, где дымовым газам приходится преодолевать большие расстояния через множество проходов котла. Вытяжной вентилятор работает совместно с вытяжным вентилятором, позволяя поддерживать давление в печи немного ниже атмосферного.
^ Стайнгресс, Фредерик М. (2001). Котлы низкого давления (4-е изд.). Американские технические издательства. ISBN 0-8269-4417-5 .
^ Стайнгресс, Фредерик М.; Фрост, Гарольд Дж.; Уокер, Дэррил Р. (2003). Котлы высокого давления (3-е изд.). Американские технические издательства. ISBN 0-8269-4300-4 .
^ Хартфордская компания по инспекции и страхованию паровых котлов (1911 г.). Локомотив . Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Co. - через Google Книги. Статья о мощном взрыве котла пивоваренной компании Pabst Brewing Company в 1909 году, в результате которого было разрушено здание, а его части разлетелись на крыши близлежащих зданий. Этот документ также содержит список ежедневных аварий с котлами и сводки происшествий по годам, а также обсуждение претензий о повреждении котлов.
Ассоциация водных технологий: Ассоциация водных технологий (AWT).
Компания Бэбкок и Уилкокс (2010) [1902]. Steam, его создание и использование (переиздано под ред.). Нью-Йорк-Лондон: Набу Пресс. ISBN 978-1147-61244-8 .
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 61cc287042abe267c7c6071e66f13105__1712565180 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/61/05/61cc287042abe267c7c6071e66f13105.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Boiler - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
