2.7. Створення та удосконалення водогрійних котлів

Розвиток та удосконалення пристроїв для нагріву води нерозривно пов'язані з досягненнями людства в області науки й техніки: від найпростіших керамічних і металевих посудин до складних пристроїв з композитних матеріалів, оснащених комп’ютеризованими системами контролю та управління.

Загальне, спрощене, поняття «водогрійний котел», тобто посудина, пристосована для підігріву води, сягає далекого минулого людства.

Визначення водогрійного котла як пристрою для нагріву води під тиском виникло з появою необхідності розділити місце приготування гарячої води й місце її використання для побутових, господарських та інших потреб. Воно відноситься до початку XX століття.

Теплопостачання будинків і суспільних будівель у великих містах здійснювалось тоді за допомогою пари від парових котлів. Проте висока температура пари, значний гідравлічний опір опалювальної системи при її досить великій швидкості в трубах, невисокий к.к.д. процесу примусили пару замінити гарячою водою, володіючою значно більшою теплоємністю, здатною охолоджуватися без зміни фазового стану нижче температури її кипіння.

Спочатку ця задача реалізовувалася шляхом створення пароводяних котлів, що спалювали в своїх топках кам'яне вугілля або дрова. Ці котли мали у водяному об'ємі барабана змійовик, що обігрівається, проходячи яким, вода нагрівалася і потім прямувала в тепломережу. Проте, по-перше, в барабані вміщувався лише невеликий змійовик, подруге, тут, окрім внутрішньої поверхні труб змійовика, накипом покривалася і зовнішня, омивана котельною водою його поверхня. Це призводило до зниження температури гарячої води, що спрямовується в тепломережу, і до перевитрати палива, а кількість гарячої води для споживача була обмежена об'ємом води в барабані, поверхнею нагріву змійовика, розміщеного у водяному об'ємі барабана, і теплопровідністю металу змійовика. Вирішення проблеми пароводяних котлів знайшло вихід в розробці та впровадженні водогрійних котлів, що виробляють виключно гарячу воду необхідного тиску і температури. Постійна потреба людського суспільства в теплопостачанні та вибір води як основного теплоносія зумовили бурхливе зростання котлобудування у цьому напрямі.

Водогрійний котел – це пристрій, що має топку, котра обігрівається продуктами згорання спалюваного в ній палива, і призначений для отримання гарячої води з тиском вище атмосферного для використання її поза котлом. Котли можна класифікувати за тепловою потужністю, взаємним розташуванням гріючого середовища й того, що нагрівається; типом циркуляції теплоносія, типом тяги в газоповітряному тракті й видом спалюваного органічного палива.

За тепловою потужністю водогрійні котли поділяються на котли:

• малої потужності (до 400 кВт з температурою води до 115°С);

• середньої потужності (до 10 МВт з тиском води до 2,2 МПа і температурою води до 150°С);

• великої потужності (10–210 МВт з тиском води 2,5 МПа і температурою води до 150°С).

Створення і вдосконалення водогрійних котлів розвивалися відповідно до вимог, що висуваються до них, щодо економічності, надійності, екологічної безпеки, комфортності та доступності в управлінні, а також за видами палива, що використовується. Це зумовило різномаїття наукових та інженерних рішень, закладених у їх конструкції.

Простий циліндричний котел перетворений в жаротрубний і батарейний котли, а потім в котел з жаровими, димогарними трубами і далі у водотрубний. Циліндричний котел становив собою клепаний сталевий барабан, в якого обігрівалась газами майже вся зовнішня поверхня. Розвиток циліндричного котла йшов по лінії збільшення поверхні нагріву при одночасному зменшенні водяного об'єму. Збільшення поверхні нагріву здійснювалося за рахунок розвитку як внутрішніх, так і зовнішніх теплообмінних поверхонь. У першому випадку прийшли до конструкції котлів з жаровими і димогарними трубами, а в другому – до котлів батарейних і водотрубних. У котлів з жаровими і димогарними трубами вода омиває труби зовні, а у котлів батарейних і водотрубних – зсередини.

На початку XX століття В.Г.Шухов створив оригінальний водотрубний котел: секційний зі з'єднанням труб в окремі елементи, які далі поєднуються в необхідних комбінаціях між собою і з барабаном котла. В його конструкції передбачалася можливість компоновки котлів різної потужності з обмеженого числа типів окремих деталей, тим самим створювалася можливість організації виробництва стандартних деталей. Шуховські горизонтальні й вертикальні водогрійні котли отримали тоді широке розповсюдження і стали внеском в світову теплотехніку.

Водогрійні котли малої потужності призначені для забезпечення індивідуального опалювання і гарячого водопостачання квартир і котеджів, котли середньої потужності в основному використовуються для опалювання в об'єктах комунального господарства, а великої потужності – для організації централізованого теплопостачання міст і великих житлових масивів. В основному вони встановлюються в потужних котельних і теплоелектроцентралях. Удосконалення водогрійних котлів малої потужності йде шляхом розвитку як водотрубних, так і газотрубних котлів. При цьому вдосконалення конструкцій досягається за рахунок застосування більш ефективних і досконалих теплообмінних поверхонь, пальникових пристроїв, практично повної автоматизації процесів регулювання і управління.

За взаємним розташуванням гріючого середовища і того, що нагрівається, водогрійні котли поділяються на газотрубні, водотрубні й контактного типу.

У газотрубному котлі продукти згорання палива проходять всередині труб поверхонь нагріву, а вода – зовні труб. Розрізняють жаротрубні, димогарні й комбіновані газотрубні котли, тобто котли з жаровою трубою і димогарними трубками. У жаровій трубі паливо спалюється і основний теплообмін відбувається за рахунок випромінювання, а в димогарних трубах теплопередача здійснюється за рахунок конвективного теплообміну.

У водотрубному котлі вода рухається усередині труб поверхонь нагріву, а продукти згорання палива – зовні труб. За розташуванням труб розрізняють горизонтальноводотрубні і вертикально-водотрубні котли, як різновид зустрічається і похиле розташування труб.

У контактному котлі є безпосередній контакт між продуктами згорання палива й водою.

За типом циркуляції теплоносія водогрійні котли поділяються на котли з природною, примусовою і комбінованою циркуляцією.

У котлах з природною циркуляцією вода циркулює за рахунок різниць її густини, для забезпечення примусової циркуляції використовуються циркуляційні насоси, а котли з комбінованою циркуляцією мають контури з природною і примусовою циркуляцією води.

За типом тяги в газоповітряному тракті водогрійні котли поділяються на котли з природною, урівноваженою тягою та наддувом.

При природній тязі опір газового тракту долається за рахунок різниці густини атмосферного повітря і газів в димарі. У котлах з урівноваженою тягою рух продуктів згорання по газоповітряному тракту примусовий і здійснюється за рахунок спільної роботи димососа і дуттьового вентилятора. У котлах з наддувом опір газового тракту долається роботою тільки дуттьового вентилятора.

За видом спалюваного органічного палива водогрійні котли поділяються на котли, що спалюють тверде, рідке, газоподібне паливо, а також побутові відходи, дрова, біомасу.

Мал. 2.22. Водогрійний котел АВ-2: 1 – барабан; 2 – жарова труба (перший газохід); 3 – димогарні труби другого газоходу (124 шт.); 4 – димогарні труби третього газоходу (115 шт.); 5 – пальниковий пристрій

Застосовуються також водогрійні котлиутилізатори і електричні водогрійні котли. У водогрійному котлі-утилізаторі використовується теплота відхідних гарячих газів технологічного процесу або двигунів, в електричному водогрійному котлі – електрична енергія.

Газотрубні котли конструктивно поділяються на жаротрубні, котли з димогарними трубами і комбіновані.

До появи водотрубних котлів найпоширенішими у виробничо-опалювальних котельних були жаротрубні котли. У даний час вони через громіздкість конструкції, значну питому витрату металу і низьку ремонтопридатність застосовуються лише у малих котельних.

Основними недоліками котлів з димогарними трубами є часті ремонти, що викликано течею в місцях кріплення труб через термічні розширення в жорстко зв'язаних між собою трубах і днищах, незручність очищення від накипу тісно розташованих димогарних труб і, нарешті, занесення труб золою (при спалюванні високозольного палива). Внаслідок цих недоліків стаціонарні котли даного типу не отримали розповсюдження в енергетичних котельних. Більш широке застосування вони мали свого часу як котли-утилізатори для використання теплоти газів, що відходять із заводських печей.

Комбіновані котли, що отримали свого часу значне розповсюдження, є комбінацією або жаротрубного котла і котла з димогарними трубами (нижній котел – жаротрубний, верхній – з димогарними трубами), або котла з димогарними трубами та двома кип'ятильниками. Внаслідок громіздкості, дорожнечі й малої питомої продуктивності виготовлення цих котлів припинено.

У даний час з газотрубних котлів використовуються автоматизовані жаротрубногазотрубні котли. Вони, як правило, включають:

• горизонтальний триходовий жаротрубно-газотрубний котел;

• газопальниковий пристрій з резервною рідкопаливною форсункою;

• дуттьовой вентилятор;

• водяну і паливну арматуру;

• систему автоматичного управління, сигналізації і безпеки роботи котла.

На малюнку 2.22 показано жаротрубнодимогарний водогрійний котел типу АВ-2, який є типовим представником водогрійних котлів даного типу.

Цей котел призначений для нагріву 280 т/год води від 70 до 95°С при робочому тиску 0,07 МПа, що відповідає номінальній теплопродуктивності 8,15 МВт (7 Гкал/ч). Основне паливо – природний газ. Як резервне паливо передбачається застосування солярового і пічного палива.

Котел АВ-2 – триходовий по руху газів, складається з горизонтального циліндричного барабана з плоскими відбортованими днищами. Днища є одночасно трубними дошками для жарової труби, розташованої по осі барабана, труб другого газоходу, що знаходяться в нижній частині барабана, і труб третього газоходу, розділеного на два пучки, розташовані по обидві сторони жарової труби. Переднє і заднє днища посилені косинками, встановленими у верхній частині барабана, які пов'язують днища з обичайкою барабана.

У передній частині жарової труби встановлюється пальник. Для недопущення перегріву металу жарової труби в районі пальника внутрішня її поверхня на довжині, приблизно рівній діаметру, захищена шамотною кладкою.

Котел встановлений на рамі, яка сприймає навантаження через дві опори. Задня опора є нерухомою. Температурні переміщення при нагріві та охолоджуванні барабана котла забезпечуються конструкцією передньої опори.

У задній частині котла розташована охолоджувана поворотна камера, в якій гази повертають з жарової труби в труби другого газоходу. Поворотна камера конструктивно виконана з двох еліптичних днищ, надітих одне на інше із зазорами, сполучених між собою зварюванням по периферії і в центральній горловині. Камера з'єднується із заднім днищем через кільце. Зазор між днищем і камерою заповнюється теплоізоляційною масою.

Поворот газів з другого газоходу в третій здійснюється в передній охолоджуваній газовій камері, розташованій біля фронту котла. До опорного кільця в центральній частині газової камери приварюється паливно-пальниковий блок.

До заднього днища барабана приєднується вихідна газова камера, в якій гази з обох пучків димогарних труб третього газоходу, що відходять, об'єднуються і спрямовуються до вихідного патрубка, розташованого у верхній частині задньої стінки газоходу.

Водотрубні водогрійні котли, що мають постійну витрату води, через їх поверхні нагріву включаються у теплову мережу подібно водопідігрівникам. Як паливо у таких котлах застосовують газ, мазут або тверде паливо.

У водогрійних котлах, на відміну від парових, відсутні барабани (найдорожчі й найбільш складні елементи котла), паросепаруючі пристрої, водоопускні й парові труби. Крім того, теплопередача від продуктів згорання палива до теплоносія у водогрійних котлах вища, ніж у парових, отже, вище ефективність використання поверхонь нагріву котла. Для водогрійних котельних установок відпадає необхідність включення в теплову схему пароводяних підігрівачів. Ці переваги дозволяють спростити схему котельної установки, зменшити її габарити і металоємність.

Залежно від теплового навантаження в окремо розташованих котельних використовуються котли різної теплопродуктивності до 58 МВт (50 Гкал/ч).

У пікових котельних, як правило, встановлюють водогрійні котли тепловою потужністю до 209 МВт (180 Гкал/ч).

У даний час основним напрямом еволюції і розвитку конструкцій водогрійних котлів середньої й великої потужності стало вдосконалення конструкцій водотрубних котлів, спрямоване в першу чергу па підвищення ефективності використання спалюваного палива, зниження об'єму викидів шкідливих речовин в світлі постійно зростаючих вимог щодо захисту навколишнього середовища, забезпечення високого ступеня маневреності в поєднанні зі збільшенням діапазону регулювання, підвищенням рівня автоматизації, можливістю спалювання широкої гами палив.

Це досягається шляхом застосування високоефективних поверхонь нагріву і пальникових пристроїв, сучасних топкових пристроїв і способів спалювання палива, останніх досягнень в області мікропроцесорної техніки.

Прикладом підвищення ефективності водогрійних установок шляхом інтенсифікації теплоі масообміну між рідиною і гріючими продуктами згорання (газами) є водогрійні котли контактного типу. Ці котли характеризуються безпосереднім контактом між рідиною і газом, тобто відсутністю роздільної стінки. Такі котли останнім часом все ширше стали застосовуватися в об'єктах комунальної енергетики.

Основними визначальними чинниками інтенсифікації теплоі масообмінних процесів в цих апаратах є висока відносна швидкість руху газу і рідини; розвинута поверхня безпосереднього контакту; висока дисперсність і маса середовищ в об'ємі теплоі масообміну; рівномірність розподілу швидкостей, дисперсності та маси газу і рідини в об'ємі реакційного простору; достатньо тривалий час контакту середовищ; протитечійний характер взаємного руху контактуючих середовищ.

Принципова схема водогрійного котла контактного типу конструкції НТУУ «Київський політехнічний інститут» і напрямок руху матеріальних потоків усередині котла представлено на малюнку 2.23.

Контактний водогрійний котел, як правило, є збірно-зварною конструкцією баштової форми, усередині якої розміщені камера згорання, барботажний теплообмінник-конденсатор і контактна ємність. У нижній частині котла розташована накопичувальна ємність, розділена по водяному об'єму гідрозатвором. На бічній стороні котла встановлений газовий модульний пальник з частковим попереднім змішенням, який є збірною одиницею водогрійного котла. Мал. 2.23. Принципова схема водогрійного котла контактного типу конструкції НТУУ «КПІ»: 1 – пальник; 2 – гідрозатвор; 3 – накопичувальна ємність; 4 – контактна ємність; 5 – камера спалювання; 6 – блок решіток; 7 – дуттьове повітря від вентилятора; 8 – природний газ; 9 – газоповітряна суміш; 10 – вторинне повітря; 11 – продукти згорання; 12 – парогазова суміш; 13 – подача холодної сітьової води; 14 – видача гарячої сітьової води

Нижня частина контактного водогрійного котла споряджена патрубками виходу прямої циркуляційної води, а кришка котла споряджена патрубками виходу парогазової суміші, входу зворотної циркуляційної води, підживлення і вибуховою мембраною.

Дуттьове повітря конструктивно розподіляється на два потоки – первинний і вторинний. Первинне повітря надходить в паливозмішувальні елементи, де і відбувається перемішування повітря з паливом. Вторинне повітря надходить в зону горіння паралельно руху паливної суміші у паливозмішувальних елементах.

Високотемпературні продукти згорання по жаровій трубі камери згорання (зверху вниз) надходять в контактну ємність, наповнену проточною водою, що нагрівається. У процесі теплообміну насичені й охолоджені продукти згорання (парогазова суміш) прямують у конденсатор-теплообмінник, а потім, частково сконденсовані, відводяться в атмосферу через димар. Нагрів води у водогрійному котлі організований в дві стадії: парогазовою сумішшю в конденсаторі-теплообміннику і високотемпературними продуктами згорання природного газу в контактній місткості. Сітьова вода із системи теплопостачання подається через патрубок у верхній частині котла в конденсатор-теплообмінник, звідки стікає в контактну ємність і через гідрозатвор в нижню частину корпусу водогрійного котла, яка служить накопичувальною місткістю для нагрітої води.

За рахунок високої ефективності процесів контактного теплообміну в апараті малих габаритів забезпечується якісне охолоджування димових газів і їх низька температура на виході з апарату. При цьому досягається високий коефіцієнт використання тепла спаленого палива.