Лекция № 3   Тема 2. ПАРОВЫЕ КОТЛЫ  История создания, устройство и принцип

парового котла 2.1.1 История создания парового котла
Еще в древности человек научился

использовать энергию огня – в начале для отпугивания хищников, охоты на диких животных, приготовления пищи и обогрева жилища. Затем, по мере совершенствования навыков, человек, став земледельцем, использовал огонь для выжигания участков леса с целью последующего использования земли для выращивания окультуренных растений и организации пастбищ для диких животных, на которых охотился, а в дальнейшем для одомашненного скота.

из воды получается пар. В глубокой древности появились простейшие устройства

для получения пара. К таковым можно отнести, например, шар Герона Александрийского. Однако, в течение многих столетий, вплоть до конца XVI – начала XVII веков энергия водяного пара практически не использовалась. Немногочисленные паровые водоподъемники, действовавшие в те времена, не имели собственного генератора пара – парового котла.

первого универсального двигателя – паровой машины, сконструированной и построенной российским

изобретателем И.И.Ползуновым в 1763 – 1765 годах на алтайских заводах. Котел И.И. Ползунова имел уже основные элементы, присущие любому паровому котлу.

3 ноября 1815 г. А в период 1815-1822 гг. было

построено еще несколько пароходов, на которых устанавливались медные и железные коробчатые котлы с давлением пара 0,2…0,3 ат (1 ат = 98066,5 Па).
Через 20 лет после постройки первого парового судна в мировом флоте насчитывалось уже около тысячи пароходов и их рост стал обгонять рост числа парусных судов.
Начиная с конца 30-х годов XX в. и особенно после окончания Великой Отечественной войны большое развитие получило морское котлостроение.
Освоение котельной техники и ее эксплуатация в сложных условиях морского плавания требует глубоких знаний теории современной судовой теплоэнергетики. Такие знания студенты получают при изучении дисциплины «Техническая термодинамика» и «Теплопередача»

для непрерывного производства (генерации) пара за счет превращения какого-либо вида

энергии в тепловую.
В любом котле имеется топка (рисунок 2.1), предназначенная для сжигания топлива в потоке специально подводимого воздуха. Воздух, расходуемый на горение топлива для лучшего сгорания, как правило, предварительно подогревается.

Рисунок 2.1 Схема огнетрубного котла: 1 – дымовая коробка; 2 – дымовая труба; 3 – переднее днище; 4 – дымогарные трубы; 5 – корпус; 6 – заднее днище; 7 – огневая камера; 8 – жаровая труба; 9 – форсунка.

которых за счет теплопроводности передается рабочей среде (воде, пару) через

поверхность нагрева котла.
Все паровые котлы в зависимости от организации потоков рабочего тела разделяются на огнетрубные и водотрубные.
В огнетрубных котлах горячие газы проходят внутри труб, а вода находится между ними.
В водотрубных котлах пламя и горячие газы омывают трубы снаружи, а внутри труб перемещается нагреваемая рабочая среда – вода и пар (за счет естественной тепловой конвекции).

Рисунок 2.2 Схема водотрубного однопроточного котла:
1 – пароводяной коллектор; 2 – трубы бокового экрана; 3 – форсунки; 4 – топка; 5 – водяной коллектор; 6 – основной пучок труб.

и избыточное давление, который в дальнейшем приводит в действие паровую

машину (поршневую) или турбину, а также используется для общесудовых нужд (нагрев воды, масла, топлива, в системе кондиционирования и т.д.).

ряду признаков:
по назначению – главные паровые котлы, вырабатывающие пар, используемый

в главных паровых турбинах; вспомогательные и утилизационные котлы, вырабатывающие пар для вспомогательных и технологических нужд (отопления, душевых, обогрева судовых систем, обработка рыбы и т.п.);
по конструкции – огнетрубные, водотрубные, комбинированные (соединяющие в себе элементы огнетрубных и водотрубных);
по роду используемого топлива – котлы, работающие на мазуте, либо утилизационные котлы (использующие теплоту отходящих газов дизелей
или других тепловых машин);
по типу циркуляции воды и пароводяной смеси – котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительной циркуляцией (под действием специального насоса);
по виду тяги – котлы с искусственной тягой (с помощью котельного вентилятора) и котлы с естественной тягой (с помощью дымовой

к резким колебаниям нагрузки (расхода пара) за счет большой аккумулирующей

способности котла (количество воды в котле в несколько раз превышает его паропроизводительность);
относительно малая чувствительность к качеству воды;
длительный срок службы (до 40 лет);
простота обслуживанием.
Недостатками огнетрубных котлов являются:
невозможность получения пара давлением более 8 мПа;
большая масса по сравнению с водотрубным котлом такой же паропроизводительности;
жесткость конструкции не допускает быстрого подъема и снижения давления пара, т.к. возникновение температурных напряжений может привести к образованию трещин и появлению течи. Из-за этого недостатка на подъем давления пара до рабочего значения затрачивается до 12 и даже 24 часов;
низкий коэффициент полезного действия;
взрывоопасность при значительной силе возможного взрыва, что почти всегда приводит к гибели судна.
Перечисленные недостатки ограничивают применение огнетрубных котлов на судах морского и речного транспорта.

применение на морском флоте, включая промысловые суда.
Достоинства водотрубных котлов:
удельный паросъем

(количество пара, получение с единицы площади нагрева) в 2…3 раза выше, чем у огнетрубных. Это объясняется лучшим теплообменом между горячими газами и водой. Так, общая паропроизводительность водотрубного котла в 10…15 раз выше максимальной паропроизводительности огнетрубного котла;
масса и габариты водотрубных котлов в несколько раз меньше, чем огнетрубных такой же производительности;
быстрый ввод в действие (минимальное время поднятия пара до рабочего давления составляет 1 – 1,5 часа);
меньшая взрывоопасность (из-за малого объема воды, находящейся внутри водогрейных труб котла).
Недостатки водотрубных котлов:
малая теплоаккумулирующая способность, что при резком изменении нагрузки отрицательно влияет на параметры пара;
высокая чувствительность к качеству питательной воды. Так, при значительных отложениях накипи на поверхности нагрева создается опасность перегрева металла водогрейных труб и их разрыва;
для обслуживания водотрубных котлов требуется более высокая квалификация персонала.

Вспомогательные котлы.
На судах дизельного флота необходим пар низкого давления для ответственных потребителей: подогревателей топлива, вспомогательных механизмов и хозяйственно-бытовых потребителей. Велика потребность в таком паре на танкерах для обеспечения работы грузовых насосов, обогрева груза и мойки танков, а также для бытовых нужд. На теплоходах для производства пара и воды устанавливаются вспомогательные котлы, называемые котельными агрегатами.
В зависимости от вида первичного энергоносителя вспомогательные котлы разделяют на автономные (вспомогательные), утилизационные и комбинированные. Автономные вспомогательные котлы работают на топливе, сжигаемом в их топках. Утилизационные котлы используют тепло выпускных газов дизелей. Это важно, так как потеря тепла с уходящими выпускными газами судовых дизелей составляет 25-30% от общего теплового баллона. Утилизация этого тепла необходима.

ответственных потребителей: подогревателей топлива, вспомогательных механизмов и хозяйственно-бытовых потребителей. Велика

потребность в таком паре на танкерах для обеспечения работы грузовых насосов, обогрева груза и мойки танков, а также для бытовых нужд. На теплоходах для производства пара и воды устанавливаются вспомогательные котлы, называемые котельными агрегатами.
В зависимости от вида первичного энергоносителя вспомогательные котлы разделяют на автономные (вспомогательные), утилизационные и комбинированные. Автономные вспомогательные котлы работают на топливе, сжигаемом в их топках. Утилизационные котлы используют тепло выпускных газов дизелей. Это важно, так как потеря тепла с уходящими выпускными газами судовых дизелей составляет 25-30% от общего теплового баллона. Утилизация этого тепла необходима.

водогрейные, водогрейные-глушители;
по виду – газотрубные и водотрубные;
по виду теплоносителя –

на выпускных газах дизеля или на выпускных газах и топливе, сжигаемом в топке котла (комбинированные).
Утилизационные котлы могут быть с ручным управлением и автоматизированные, а также огнетрубные и водотрубные. В связи с тем, что утилизационные котлы могут вырабатывать пар только во время работы главных дизелей, их объединяют со вспомогательными котлами в единую конструкцию. На ходу судна работают оба котла совместно, а на стоянке судна работает только вспомогательный котел, а утилизационный отключается.
В качестве вспомогательных и утилизационных применяется множество типов котлов.

рядом основных показателей. Рассмотрим основные из них.
Поверхность нагрев, F –

это площадь поверхности всех металлических стенок котла, которая с одной стороны обогревается пламенем горящего топлива и дымовыми газами, а с другой стороны омывается водой, из которой в результате нагрева образуется пар. Поверхность нагрева позволяет судить о размерах котла и измеряется в м2 со стороны обогрева пламенем и газом. На современных судах поверхность нагрева, например, вспомогательных паровых котлов составляет 10…100 м2.

Паропроизводительность, D – это количество пара, производимого котлом в единицу времени при заданных параметрах пара. Паропроизводительность вспомогательных судовых котлов составляет 0,5…12 т/ч, а утилизационных – до 250 кг/ч.

1 м2 поверхности нагрева в единицу времени:
d = D/

F, т/м2.ч) или Кт/(м2.с),
где d – удельный паросъем; D – паропроизводительность, кг/ч или т/ч; F – поверхность нагрева, м2.
Удельный паросъем d характеризует интенсивность производства пара. На современных судах с каждого м2 поверхности котла снимается до 60 кг пара в час, т.е. d=60 кг/ м2.ч.
К параметрам пара относятся рабочее давление P, мПа и температура пара t, ºС.
Коэффициент полезного действия (КПД) является основной качественной характеристикой, отражающей экономичность работы парового котла. Он представляет собой отношение теплоты, использованной для получения пара, ко всему количеству теплоты, выделившейся при сгорании топлива в топке. Для судовых котлов КПД равен 0,75…0,93. Это значит, что 75…93% теплоты, полученной от сжигания топлива, затрачивается на создание пара, а от 7 до 25% теплоты теряется с уходящими дымовыми газами или излучается в окружающую среду.