Устройство парового котла: как менялась конструкция
Принцип работы парового котла остается неизменным с момента его изобретения: тот или иной источник тепла нагревает воду, заключенную в большом или малом металлическом сосуде до температуры кипения и испарения. Скапливаясь в верхней части сосуда продукты испарения достигают необходимых величин давления и температуры, после чего направляются через паропровод потребителям или в пароперегреватель для достижения более высоких рабочих параметров. Эффективность процесса выработки пара определяется наиболее полным использованием теплоты, выделяемой источником. Развитие инженерной мысли в этом направлении можно отследить по тому, как менялась конструкция парового котла.
цилиндрический котел с внешней топкой
Первые парогенераторы напоминали котлы для варки пищи. Дровяная или угольная топка располагалась снаружи, нагревая бак с водой снизу. При такой схеме значительная часть тепла расходовалась на обогрев окружающей среды, что и обуславливало крайне низкий КПД первых паровых котлов.
паровой котел с жаровыми трубами
Разумным решением стало размещение топки внутри водяного объема котла. Вкупе с теплоизоляцией внешней обшивки бака это значимо повысило КПД, позволив расходовать тепло преимущественно на нагрев воды.
жаротрубно-дымогарный котел
Поскольку высокой температурой обладало не только открытое пламя в топке, но и выделяющиеся при сгорании дымовые газы, следующей задачей усовершенствования конструкции парового котла стало удержание тепла уходящих газов внутри водяного объема. Задача была решена размещением в нем дымогарных труб малого диаметра. Перед удалением через дымоход газы проходили по этим трубам, ускоряя нагрев и испарение воды.
В принципиально ином направлении развивалась конструкция паровых водотрубных котлов, чаще всего используемых в качестве силовых установок в электроэнергетике, на железнодорожном и водном транспорте. В случае водотрубного котла не источники тепла – топка и газоходы – размещались внутри водяного объема, а наоборот: водяной объем, распределенный по трубам малого диаметра, размещался в газоходах, по которым движутся продукты сгорания.
Такая конструкция с высокой эффективностью позволяет вырабатывать пар критического давления, избыточного для технологических процессов большинства отраслей. Принципиальные различия в конструкции водотрубных и жаротрубных котлов легли в основу большинства классификаций котельного оборудования.
Как самому сделать паровое отопление в частном доме?
Существует несколько ограничений на применение парового отопления, но, несмотря на них, его часто используют в качестве автономного. Большинство владельцев выбирает паровое отопление в частном доме за небольшое количество затрат на возведение магистралей. Пар в качестве теплоносителя дает более высокую температуру, сокращая затраты на топливо для котла. Разберемся, как использовать этот экономичный вид отопления для обогрева коттеджа.
Достоинства и отрицательные стороны паровых магистралей
Прежде чем использовать паровое отопление в частном доме, необходимо изучить его подробнее. У этого теплоносителя есть достоинства:
- низкая себестоимость;
- круглогодичная эксплуатация без риска заморозки;
- отсутствие потерь тепла;
- энергия передается обоими способами (конвекцией и излучением), тогда как при водяном обогрев происходит только путем оборота жидкости;
- радиаторы и трубы можно использовать с небольшим диаметром.
Снижение цен на монтаж, безусловно, весьма привлекательно, но до начала разработки проекта, нужно учесть недостатки таких систем:
- пар шумит при движении по магистрали;
- радиаторы раскаляются до 100 градусов;
- при прорыве аварийная опасность наиболее высока;
- теплоносители сильно подвергаются коррозии.
Особенности схем обогрева
Основным и самым дорогостоящим элементом парового отопления является котел, который разогревает воду. Наиболее рационально использовать модели, работающие на дровах или газу. Горячий пар движется по контуру, проходящему через все помещения, а остывая конденсируется на трубах. После того как он сменил агрегатное состояние на жидкое, конденсат собирается в специальной емкости и перекачивается насосом обратно в котел. Есть еще один вариант его возврата в систему – при помощи наклонных труб. В зависимости от выбранного типа создания обратки, контуры на закрытые и открытые. Замкнутый вариант предполагает тщательную проработку проекта и точный монтаж, при котором создается верный наклон труб.
Давление пара в магистралях может быть разным, в зависимости от вида сети:
- у обычной – более 1, но менее 6 атмосфер;
- у вакуумной – равно атмосферному.
Подачу тепла можно регулировать при помощи специальных вентилей. Если вам нужно прекратить обогрев дома, то достаточно просто отключить подачу пара. В качестве излучателей тепла используйте только традиционные радиаторы или реберные трубчатые конструкции.
Возведение магистралей
Пароводяная система возводится по инструкции:
Создайте на основании готовых проектов схему разводки, которая подходит именно к вашему дому. Она должна быть максимально подробной и точной.
Выберите места под радиаторы и установите их. Лучше всего располагайте их под окнами, чтобы сместить точку росы и предотвратить запотевание стекол. Доп олнительно желательно оборудовать радиаторы краном Маевского, который служит для удаления воздушных пробок из системы.
Установите расширительный бак на участке от теплогенератора до радиаторов
Обратите внимание, что при паровом отоплении бак должен располагаться в самой высокой точке системы, иначе он работать не будет. Это связано с тем, что столб пара может подниматься до 8 метров
Специалисты рекомендуют использовать в паровом отоплении бак открытого типа, он должен быть максимально близко расположен к котлу.
Проведите систему из труб. Для этого: каждую магистраль подведите к радиатору, обрежьте, прочно присоедините выводы и вводы. Аналогично велите трубу к остальным теплоизлучателям.
Замкните контур, подведя магистраль обратно к бойлеру. Оборудуйте котел фильтром и циркуляционным насосом. Последний агрегат используйте только по необходимости. Если вы установили трубы наклонно, то можно обойтись без насоса.
На последнем этапе подключается котел. Его лучше всего размещать в отдельном помещении: гараже, кладовой, бойлерной. На качестве отопления не скажется удаленное расположение котла от жилых помещений.
Завершите работу подключением труб для залива системы и слива отработанной жидкости в конце сезона. Протестируйте работу отопления, предварительно убедившись в герметичности соединений. Помните, что пар в этом контуре отопления может сильно обжечь. В систему можно включить и дополнительные контуры для обогрева полов. Из-за высокой эффективности вместе с ними не нужно ставить радиаторы. Для того чтобы регулировать температуру обогрева, установите термостат.
Устройство парового котла
Конструктивно паровой котел – это емкость, в которой происходит процесс преобразования воды в пар. Емкость обычно выполняется из трубы, диаметр которой может варьироваться в достаточно широких пределах. Помимо заполненной трубы, схема парового котла включает в себя топочную камеру, предназначенную для сжигания топлива.
Топка может иметь определенные особенности, которые напрямую зависят от используемого вида топлива. Например, твердотопливные топочные камеры в нижней части оборудуются колосниковой решеткой, сквозь которую в камеру поступает кислород. В верхней части конструкции устанавливается традиционный дымоход, создающий тягу и обеспечивающий нормальное горение. В случае использования жидких энергоносителей или газа топочная камера снабжается горелкой.
В любом случае, выделяемый при сгорании топлива газ подступает к заполненной водой емкости, отдает ей свое тепло и выводится в атмосферу дымоходом. Вода в определенный момент начинает кипеть и превращаться в пар, который направляется в верхнюю часть емкости, а потом – в трубы.
Почему пар лучше
При желании можно сделать такое отопление у себя в жилище, но эти системы не слишком популярны сегодня. Скорее, к нему прибегают единицы. Вместе с тем можно выделить как достоинства, так и недостатки таких систем.
Паровое отопление бывает однотрубнын и двухтрубным
Плюсами можно считать:
- Эффективность обогрева. Она довольно высока. Вот почему даже небольшого количества радиаторов хватит для обслуживания больших помещений. Иногда удается обойтись даже без них, установив только трубы.
- Пониженная инерционность. Она способствует быстрому прогреву отопительных контуров. Соответственно, как только проходит несколько минут после включения котла, в помещениях чувствуется тепло.
- Почти нулевые теплопотери. По этой причине такая система является выгодной.
- Возможность использовать относительно редко. В трубах имеется небольшое количество жидкости, поэтому нет необходимости в разморозке системы. В качестве альтернативного варианта допустимо применение в дачном домике, куда приезжают время от времени.
Паровое отопление в частном доме своими руками по схеме можно обустраивать при наличии определенного опыта. Основной плюс здесь — экономичность. С самого начала для обустройства требуются скромные затраты. В процессе применения системы тратятся незначительные суммы.
Обзор системы отопления:
Но даже при таком внушительном ассортименте достоинств имеют место значимые недостатки. Они связаны с применением водяного пара в качестве теплоносителя: его температура может быть достаточно высокой. Соответственно, все компоненты системы прогреваются до +100°С и даже больше.
Нельзя прикасаться к такой поверхности даже мимолетно, чтобы не заработать ожог. Поэтому любые трубы и радиаторы непременно закрывают. Воздух в таком помещении активно перемещается. Когда используется паровое отопление, воздух становится сухим, приходится прибегать к увлажнителю.
Далеко не все отделочные материалы, которые применяются в помещении, могут выдерживать соседство с предельно раскаленными радиаторами и трубами, поэтому их выбор ограничен. Лучшим вариантом будет цементная штукатурка, которую покрывают термостойкой краской. Всё остальное не гарантирует безопасности. Кроме того, проходящий по трубе пар — источник большого шума.
Система недостаточно хорошо регулируется. Теплоотдача не поддается контролю, поэтому помещение легко перегревается. Ситуацию может решить установка автоматики, которая будет самостоятельно отключать паровые котлы для частного дома при перегреве и включать их при остывании комнаты. Другим трудоемким, но более реальным способом является монтаж параллельных веток, которые будут работать в случае необходимости. Основной минус — аварийная опасность системы.
Если труба или радиатор получили серьезные повреждения, наружу вырвется горячий пар под давлением. Это небезопасно, в многоквартирных домах такие варианты не используются. Собираясь сделать паровое отопление, владелец частного домовладения может получить на это разрешение, но только под собственную ответственность.
Материалы и оборудование
Чтобы качественно обустроить паровое отопление, требуется подготовить:
- теплообменник;
- радиаторы;
- трубы (желательно стальные оцинкованные, медные);
- редукционный клапан;
- кронштейны;
- вентили;
- хомуты, колена, крепеж;
- сварочный агрегат;
- гидравлический затвор;
- редукционно-охладительное устройство;
- насос;
- емкость для сбора конденсированного пара.
Радиаторы для парового отопления выбирают в соответствии с характеристиками материала, из которого они произведены, с учетом рабочей температурыИсточник otoplenieblog.ru
Теплообменник
При возведении печки из кирпича теплообменное устройство придется заказать либо сделать собственными силами. Для этого потребуется сварочный аппарат, металлические трубы. Толщина стенок последних должна быть больше 2,5 мм. С помощью сварки их необходимо соединить в виде змеевика. Вдобавок стоит позаботиться о герметичности стыков
При этом важно учитывать, что 1 м2 поверхности изогнутой спирали отдает около 9 кВт
Впоследствии создания конструкцию важно проверить на проницаемость: заполнить керосином, затем места швов обвести мелом. Потемнение последнего будет свидетельствовать о проникновении в теплообменник горючей жидкости
Потому применять такой прибор для отопления паром недопустимо.
Самостоятельное изготовление теплообменника под силу только людям, имеющим определенные навыки, инструменты и знанияИсточник heatylab.com
Процесс монтажа
Паровое отопление в частном доме от печи следует монтировать таким образом:
- При возведении печки уложить теплообменник в топочное пространство. Если печное устройство планируется использовать под варку, сверху не должно оставаться труб.
- Установить радиаторы, подсоединить к ним трубопровод. Для обеспечения в дальнейшем естественной циркуляции нужно соблюдать уклон (3 мм на 1 м).
- Все конверторы снабдить кранами, предназначенными для удаления воздуха.
- С целью безопасности перед каждой батареей поставить запорный кран либо один на всю систему.
- В начале контура установить охладительное устройство, редукционный клапан.
- Присоединить емкость для накопления конденсата. С нее вода под углом будет перетекать назад в теплообменник. Применять мембранный расширитель нежелательно: он не рассчитан на температуру больше 85°С.
- При использовании принудительной циркуляции прямо перед печкой (в обратном контуре) установить насос.
Если отопление планируется производить твердым топливом (например, дровами), то для монтажа системы обязательно требуется применять металлические трубыИсточник 1poteply.ru
Топка парового котла
Паровой котел не может функционировать без тепловой энергии, которая выделяется при сжигании топлива в топке.
Конструктивно этот агрегатный узел состоит из:
- Клетки, образованной вертикальными трубами, концы которых присоединены к барабанам коллекторного типа, имеющим небольшой диаметр. Эти барабаны являются частью всей циркуляционной системы парового котла.
- Теплоизолирующей огнеупорной обшивки, закрепленной на наружной стороне клетки.
- Кирпичей специальной формовки, закрывающих задние поверхности труб клетки. Такая конструкция топки не задерживает на себе золу и шлак.
Однако в последнее время все больше потребителей, использующих паровые котлы в индивидуальных системах отопления, отдают предпочтение электрическим котлам.
Котельное оборудование и виды топлива
В качестве источника энергии, нагревающей воду и доводящей ее до состояния пара, используются разные виды топлива:
природный газ;
В настоящее время это наиболее экономичный источник энергии. Работая на таком виде топлива, прибор имеет малый процент загрязнения атмосферы и полное сгорание поступающего топлива. Наиболее распространены на территории России вследствие небольшой стоимости и доступности. Кроме того, поставка газа осуществляется круглогодично и постоянно, поэтому в строительстве дополнительных резервуаров не нуждается.
Котельная установка с барабанным паровым котлом.
Промышленное оборудование, работающее на природном газе, не нуждается в специализированном уходе на протяжении всего рабочего процесса, и КПД у таких устройств самый высокий среди всех. Конструкторы добились полной автоматизации и 100% безопасности.
Учитывая все составляющие, такое оборудование является самым выгодным и популярным в промышленной области. Переходить на другие виды топлива нецелесообразно и экономически невыгодно, но такие варианты рассматриваются в том случае, если поставка газа прекращена, сопряжена со многими сложностями или транспортировка слишком дорогая.
дизельное топливо;
Схема работы парового котла сходна с газовым, но небольшое отличие заключается в виде топлива – солярке. Затруднения в процессе эксплуатации могут вызвать разновидности солярки, зимняя и летняя, каждая приспособлена для определенного времени года.
Дизель очень распространен по всему миру, его используют как основной вид топлива или в качестве резервного. При длительном хранении его характеристики не меняются.
возможность оборудования работать на двух видах топлива дает возможность эксплуатировать котлы везде, не меняя конструкции и схемы;
Такие устройства периодически работают на солярке и газе. Принцип эксплуатации сходен с вышеуказанным оборудованием.
твердое топливо.
Используется в отдаленных регионах, куда доставка газа нерентабельна вследствие небольшого производства. Поэтому в качестве топлива здесь используются дрова и уголь. Кроме того, при сгорании КПД угля намного ниже, чем газа. По этим характеристикам уголь никогда не использовался в качестве источника энергии для тепловых и электростанций. Транспортировка его довольно затруднительна и затратна.
В процессе сжигания выделяются вредные вещества, вызывающие различные природные отклонения, поэтому вся мировая промышленность стремится отходить от использования угля и постепенно происходит его повсеместное замещение природным газом.
Жаротрубный паровой котел или котел с большим водяным объемом
Жаротрубный паровой котел
Основным отличием жаротрубных водогрейных паровых котлов от прямоточных является их конструкция. Паровые котлы данного типа основываются на двух либо трех ходовом принципе работы. Такие котлы оснащены жаровыми трубами и трубами дымовых газов. Во многих случаях такие котлы также называют — жаротрубно-дымогарный паровой котел. Такой тип котлов распространен на предприятиях которые нуждаются в постоянных параметрах пара, а также когда приоритет стоит в высоком качестве пара, где постоянное давление и температура является необходимым циклом производства.
Описание и устройство газовых котлов отопления
Если вблизи от вашего дома проходит газовый трубопровод, вам очень повезло. Вопрос отопления решится намного проще и дешевле, да и пищу готовить на газовой плите в разы выгоднее.
При описании газовых котлов отопления рационально рассматривать всю систему отопительного оборудования: в неё входят собственно котел, радиаторы, газопровод, подводящий газ, запорная арматура и приборы автоматики, обеспечивающие безопасность. Газовое отопление весьма экономично. Современные газовые котлы, оборудованные автоматикой, позволяют не следить за процессом. Если пламя погаснет, то система вновь разожжет горелку. Этот вид отопительных котлов обладает высоким КПД. Он способен обогреть большие по площади помещения.
При установке газового отопления могут возникнуть определенные сложности. Во-первых, установку оборудования придется согласовать с Газтехнадзором. Для этого нужно предоставить целый пакет документов, состоящий из проекта котельной, договоров с организацией по монтажу и обслуживанию, приложить лицензию проектной и монтажной фирмы, а также заключить трехсторонний договор об установлении отношений по ответственности за оборудование и разграничение полномочий.
Для обустройства газовой котельной нужно выбрать хорошо проветриваемое помещение, , куда будут выходить отработанные газы. Горелки могут коптить. Основная причина — понижение давления в системе.
2 Преимущества и недостатки
Современные схемы парового отопления частного дома являются очень востребованными. Объясняется это такими преимуществами:
- 1. Доступная стоимость и экономичность работы.
- 2. Возможность использования в течение круглого года. Жидкий теплоноситель не боится замерзания.
- 3. Высокий процент КПД, что объясняется применением метода конвекции и излучения.
- 4. Возможность использования труб с меньшим диаметром и компактных радиаторов.
- 5. Быстрое прогревание любых помещений.
- 6. Минимальная теплопотеря. По заявлениям экспертов, коэффициент теплоотдачи настолько высокий, что теплопотеря практически сведена к нулю.
- 7. Поддержка взаимодействия с системой теплых полов.
Но помимо видимых плюсов, у таких котлов есть и существенные недостатки. Один из них заключается в интенсивном шуме при циркуляции теплоносителя. Более того, конструкция способна прогреваться до температуры от 100 градусов, что повышает вероятность получения ожогов при соприкосновении с кожей. Чтобы избежать подобных последствий, радиатор лучше защитить специальным экраном. Из-за неустойчивости к коррозии срок службы оборудования существенно снижается.
Сфера применения
Выделяют три основные области применения паровых котлов:
- Отопительные системы. Пар выступает в роли энергоносителя.
- Энергетика. Промышленные паровые машины, или, как их еще называют, парогенераторы, используются для получения электрической энергии.
- Промышленность. Пар в промышленности используют не только для обогрева «рубашек» аппаратов и трубопроводов, но и для преобразования тепловой энергии в механическую и перемещения транспортных средств.
Бытовые паровые котлы используются для отопления жилых помещений. Простыми словами, их задача состоит в подогреве воды и передвижении пара по трубопроводу. Такую систему часто обустраивают вместе со стационарной печью или котлом. Обычно бытовые приборы вырабатывают насыщенный не перегретый пар, которого вполне достаточно для решения возложенных на них задач.
В промышленности пар перегревают – продолжают греть после испарения с целью еще больше повысить температуру. К таким установкам предъявляют особые требования по качеству, так как при перегреве пара емкость рискует взорваться. Перегретый пар, полученный из котла, может идти на образование электричества или механическое движение.
Электрический ток с помощью пара образуется следующим образом. Испаряясь, пар попадает в турбину, где он, благодаря плотному потоку вращает вал. Таким образом, тепловая энергия переходит в механическую, а та, в свою очередь, преобразовывается в электрическую. Так работают турбины электростанций.
Вращение вала, которое возникает при испарении больших количеств перегретого пара, может передаваться непосредственно на мотор и колеса. Так в движение приводится паровой транспорт. В качестве популярных примеров работы парового двигателя можно привести парогенератор паровоза или же судовой паровой котел. Принцип работы последних довольно прост: при сжигании угля образуется тепло, которое нагревает воду и образует пар. Ну а пар, в свою очередь, вращает колеса, или в случае с судном, винты.
Устройство
Паровые котлы собой представляют емкость, в которой вода нагревается и образовывает пар. В большинстве случаев они делаются в виде труб, разных размеров. Помимо трубы с водой, котел всегда имеет камеру для сгорания топлива (камеру сгорания). Ее конструкция может изменяться в зависимости от типа используемого топлива. Если это дрова, или твёрдый уголь, то снизу камеры сгорания ставится колосниковая решётка, на которую кладут горючее. С части которая находится снизу колосников, в топку подается воздух. А вверху камеры сгорания обустраивают дымотвод, который нужен для эффектной тяги – воздушной циркуляции и горения топлива.
Рабочий принцип паровых твердотопливных котлов немного выделяется от устройств, в которых в виде теплоносителя применен жидкий или газообразный материал. В другом варианте, топка подразумевает горелку, которая не прекращает работу сродни горелкам бытовой газовой печи. Для воздушной циркуляции также применяют колосниковую решётку и дымотвод, потому что в независимости от варианта топлива, воздух считается важнейшим требованием горения.
Горючий газ, получившийся от сгорания топлива, подымается к емкости с водой. Он отдает воде собственное тепло и выходит через дымотвод в атмосферу. Когда вода нагревается до температуры кипения, она начинает испаряться. Нужно отметить, что вода выветривается и раньше, однако не в подобных количествах и не с подобной температурой пара. Испарившийся пар собственными силами поступает в трубы. Подобным образом, циркуляция пара и смена агрегатных состояний воды происходит по настоящему. Рабочий принцип парового котла с конвективной циркуляцией подразумевает небольшое вмешательство человека. Все, что необходимо выполнить оператору, это обеспечить стабильный нагрев воды и проверить процесс при помощи специализированных устройств.
В случае с электробойлерами разогрев воды происходит легче. Она нагревается при помощи ТЕНОВ типа нагревательных элементов или находится в роли проводника и нагревается Согласно закону Джоуля-Ленца.
Особенности эксплуатации
В жаротрубных котлах принцип работы основан на подогреве воды и образовании пара, поэтому необходимо использовать воду без примесей и постоянно следить за показаниями датчиков с целью обеспечения стандартных режимов работы. Для подготовки воды рекомендуется применять двухступенчатые натрий-катионные фильтры или обратный осмос с натрий-катионированием.
Кроме того, необходимо выполнять деаэрирование для получения необходимого pH уровня, а также введение специальных химических средств, предотвращающих коррозию металла. Связана эта мера с тем, что при пониженной кислотности воды в ней образуются сульфиты и фосфаты железа, которые стимулируют отложения накипи на внутренних поверхностях. Слой накипи опасен в первую очередь для топочной трубы одно- или трёхходового жаротрубного котла, так как она охлаждается только водяной рубашкой.
Периодичность проверки качества воды через каждые 3-4 суток. Это делает встроенная автоматика или лаборатория. Контролируются следующие параметры:
- жёсткость;
- электропроводимость;
- содержание щёлочи, кислорода и кислородного связующего компонента;
- уровень pH.
В этот же период следует проводить частичную или полную продувку объёма для удаления шлама. Для этого в устройстве жаротрубных котлов предусмотрена запорная арматура, расположенная в его нижней части. Некоторые конструкции предполагают не периодическую, а постоянную продувку с количеством удаляемой воды 5-10% от общего объёма.
В процессе эксплуатации, чтобы избежать ремонта жаротрубных котлов, важно следить за их внутренним давлением. Большие объёмы поступающей в ёмкость воды благоприятно сказываются на стабильности давления при резких изменениях потребления пара отопительной системой
Однако термоаккумулирующие свойства жидкости даже при небольших колебаниях давления стремятся привести термодинамическую систему в стабильное состояние за счёт стремительного парообразования. В итоге, получаем опасный рост давления пара, который может привести к взрыву котла.
При использовании твёрдого топлива, в дымоходе образуется сажа, которая ухудшает отдачу тепла водяной рубашке и снижает тягу. Поэтому существенно повышается расход топлива при нагреве до заданной температуры и вырастает инерционность системы. По этим причинам необходимо проводить очистку каналов дымоотвода через 25-30 дней непрерывной эксплуатации.
