Жаротрубный котёл

Жаротрубный котёл — это тип водогрейного или парового котла, в котором горячие дымовые газы движутся внутри труб (жаровых труб), омываемых снаружи водой. Относится к классу газотрубных котлов, где теплообмен осуществляется за счёт конвекции и излучения от стенок труб к окружающей их водяной рубашке. Жаротрубные котлы отличаются простотой конструкции, надёжностью и способностью работать на различных видах топлива, включая твёрдое, жидкое и газообразное. Основное применение — производство пара или горячей воды для систем отопления, технологических процессов в промышленности и на судах.

История

Первые прототипы жаротрубных котлов появились в конце XVIII века, когда началось промышленное использование паровых машин. В 1784 году шотландский инженер Уильям Мёрдок построил первый паровой котёл с одной жаропрочной трубой, который использовался для отопления зданий. Однако классическая конструкция жаротрубного котла была разработана в 1825 году английским инженером Джеймсом Уаттом, который предложил разместить топку внутри котла, окружённую водой.

В XIX веке жаротрубные котлы стали основой паровых двигателей на заводах, железных дорогах и судах. В 1856 году немецкий инженер Вильгельм Беккер усовершенствовал конструкцию, добавив несколько жаровых труб для увеличения поверхности нагрева. К концу XIX века появились первые водотрубные котлы, которые постепенно вытеснили жаротрубные в крупной энергетике, но в малой и средней мощности они остаются востребованными до сих пор.

В России жаротрубные котлы активно применялись с середины XIX века. Наиболее известными производителями были заводы «Братья Бромлей» (Москва) и «Невский завод» (Санкт-Петербург). В советский период выпуск жаротрубных котлов был стандартизирован, и они использовались в котельных жилых и промышленных зданий.

Устройство и принцип действия

Жаротрубный котёл состоит из следующих основных элементов:

• Корпус — цилиндрический сосуд, заполненный водой, обычно изготавливается из стали или чугуна.
• Топка — камера сгорания, расположенная внутри корпуса или в передней части. В неё подаётся топливо и воздух для горения.
• Жаровые трубы — трубы малого диаметра, проходящие через водяной объём от топки к дымовой камере. Их количество может варьироваться от одной до нескольких десятков.
• Дымовая камера — сборник дымовых газов после прохождения через жаровые трубы, соединённый с дымоходом.
• Горелочное устройство — для жидкого и газообразного топлива; для твёрдого топлива — колосниковая решётка и зольник.
• Предохранительные клапаны — для сброса избыточного давления пара.
• Контрольно-измерительные приборы — манометры, термометры, уровнемеры воды.

Принцип действия: топливо сжигается в топке, и образующиеся горячие дымовые газы (температура до 1000–1200 °C) проходят через жаровые трубы. Вода, омывающая трубы снаружи, нагревается, превращаясь в пар (в паровых котлах) или горячую воду (в водогрейных). Остывшие газы (до 200–300 °C) через дымовую камеру и дымоход выбрасываются в атмосферу. Теплообмен происходит в основном за счёт конвекции, а в зоне топки — за счёт излучения.

Классификация

Жаротрубные котлы классифицируются по нескольким признакам:

По типу теплоносителя

• Паровые — производят насыщенный или перегретый пар для технологических нужд или привода паровых машин.
• Водогрейные — нагревают воду до температуры до 115–150 °C для систем отопления и горячего водоснабжения.

По количеству жаровых труб

• Одноходовые — с одной жаропрочной трубой (например, котлы типа «Ланкашир»).
• Многоходовые — с несколькими трубами (например, котлы типа «Шухова» или современные серии «Турботерм»).

По расположению топки

• С внутренней топкой — топка расположена внутри корпуса котла, окружённая водой (классические паровозы).
• С выносной топкой — топка находится снаружи, а жаровые трубы проходят через водяной объём (реже встречается).

По типу топлива

• Газовые — работают на природном или сжиженном газе.
• Жидкотопливные — на мазуте, дизельном топливе, отработанных маслах.
• Твёрдотопливные — на угле, дровах, торфе, пеллетах.

По конструкции корпуса

• Цилиндрические — наиболее распространённые, корпус имеет форму цилиндра.
• Секционные — корпус состоит из нескольких секций, соединённых между собой.

Характеристики

Основные технические характеристики жаротрубных котлов:

• Тепловая мощность — от 0,1 до 20 МВт (для водогрейных) и до 10 т/ч пара (для паровых).
• Рабочее давление пара — от 0,07 до 2,5 МПа (обычно до 1,6 МПа).
• Температура воды — до 115 °C (для водогрейных) и до 250 °C (для перегретого пара).
• КПД — 85–93% в зависимости от типа топлива и конструкции.
• Срок службы — 15–25 лет при правильной эксплуатации.
• Масса — от нескольких сотен килограммов до десятков тонн.

Преимущества жаротрубных котлов:

• Простота конструкции и обслуживания.
• Низкая стоимость по сравнению с водотрубными аналогами.
• Возможность работы на твёрдом топливе без сложной подготовки.
• Высокая надёжность при низких нагрузках.

Недостатки:

• Большие габариты и масса.
• Медленный выход на режим (большая тепловая инерция).
• Ограниченное давление пара (до 2,5 МПа).
• Чувствительность к качеству воды (образование накипи).

Применение

Жаротрубные котлы широко применяются в различных отраслях:

• Промышленность — для обеспечения паром технологических процессов (сушки, варки, стерилизации) в пищевой, химической, деревообрабатывающей и других отраслях.
• Отопление — в котельных жилых и административных зданий, а также в частных домах.
• Судостроение — на паровых судах и ледоколах (например, котлы типа «Корнуолл»).
• Железнодорожный транспорт — на паровозах (классические котлы с внутренней топкой).
• Сельское хозяйство — для отопления теплиц, сушки зерна.

В России жаротрубные котлы выпускаются многими предприятиями: «Бийский котельный завод», «Дорогобужкотломаш», «Завод котельного оборудования» (г. Кострома) и другие. Наиболее распространённые серии: «КВ-ЖТ» (водогрейные), «ДКВР» (паровые реконструированные), «Е-1,0-0,9» (паровые).

Интересные факты

• Самый большой жаротрубный котёл в мире был построен в 1910 году для парохода «Титаник» — его длина составляла около 20 метров, а диаметр — 4,5 метра.
• В СССР жаротрубные котлы типа «Шухова» (конструкции инженера Владимира Шухова) использовались на многих электростанциях до 1950-х годов.
• В современных газовых жаротрубных котлах КПД достигает 93–95% за счёт конденсации водяного пара из дымовых газов (конденсационные котлы).
• Жаротрубные котлы могут работать на отходах производства, например, на опилках или шелухе подсолнечника, что делает их экологически выгодными.

Источники

• ГОСТ 23172-78 «Котлы паровые стационарные. Термины и определения».
• СНиП II-35-76 «Котельные установки».
• «Теплотехника» / под ред. В. Н. Луканина. — М.: Высшая школа, 2002.
• «Паровые котлы малой и средней мощности» / А. М. Левин, В. И. Толмачёв. — Л.: Энергия, 1975.
• «История развития котлостроения в России» / В. П. Коваленко. — М.: Машиностроение, 2008.