Парни котли и парогенератори

Част I. Различни конструкции парни котли намират сериозно индустриално приложение

    Парата е енергоносител, който, освен че е безвреден, взриво- и пожаробезопасен, би могъл сравнително лесно да бъде получен чрез оползотворяване на отпадна топлина от различни технологични процеси. Парата поема и пренася голямо количество топлина в малка маса, което е едно от основните й предимства. Причината е, че в процеса на фазово превръщане на водата в пара се поглъщат големи количества топлинна енергия. От друга страна, обратният процес – на кондензация, протича с отделяне на натрупаната скрита топлина. Това свойство на парата я прави не само незаменим енергоносител, но и подходящо работно тяло при процеси на нагряване. Сред предимствата на водната пара е и фактът, че температурата й на нагряване би могла много удобно да се регулира. Реализира се чрез изменение на налягането. Затова парата е много подходяща да се използва както индиректно - например за отопление, така и директно - в качеството й на гореща среда. Също така, парата ефективно се използва и като увлажнител.

Парен котел или парогенератор?
За производство на пара в промишлеността се използват два типа съоръжения - парни котли и парогенератори. От гледна точка на техническата терминология, всички съоръжения, които произвеждат пара, се обединяват под наименованието парен котел. Затова е трудно да се направи ясно разграничаване на агрегатите, произвеждащи пара на парогенератори, и парни котли.
Обикновено, понятието парогенератор се използва в случаите, при които агрегатът няма собствена горивна камера или друг източник на енергия. За превръщането на водата в пара се нуждае от външен енергиен източник, например топлоносител от контура на атомен реактор. Понятието парогенератор се използва и в случаите, при които агрегатът се захранва електрически. Нарича се електрически парогенератор. Терминът намира приложение и когато самият процес на фазово превръщане протича в серпентина, а не в тръби, както е характерно за традиционните парни котли.

Парните котли - производителни и икономични
Парният котел представлява съд под налягане, водата в който се нагрява до превръщането й в пара. Топлинната енергия, която се подава към парния котел за осъществяване на процеса на фазово превръщане, би могла да бъде получена от изгарянето на гориво, както и да бъде във вид на електрическа, ядрена, слънчева или геотермална енергия.
Конструкцията на първия парен котел, разработен през XIX век, не се е отличавала с голяма сложност, а коефициентът му на полезно действие не бил висок и възлизал едва на около 32%. Редица специфични конструктивни особености на първия парен котел се използват и в съвременните модели. Разбира се, съвременните парни котли се характеризират със значително по-висок КПД, благодарение на прилагането на различни системи за топлинно екраниране, помагащи за по-рационално оползотворяване на топлината.
Сред основните предимства на парните котли са високата им производителност, икономичност и ограничените загуби на топлина. Затова и те намират широко приложение в редица отрасли на леката промишленост и селското стопанство. Парните котли успешно се използват за  получаване на водна пара с високо налягане за производствени процеси, в които е необходима наситена пара. Също така, намират приложение и като източник на пара за отопление на сгради, и за захранване на технологично оборудване в промишлеността, а също така за машини и турбини, задвижващи електрогенератори.

Класификация на парни котли
Два са основните признаци за класификация на парните котли - в зависимост от начина на топлообмен и според използваното гориво. Според първия критерий, парните котли се разделят на два основни вида - водотръбни и пламъчнотръбни. В зависимост от използваното гориво, те са: котли на твърдо, течно или газообразно гориво, както и котли, захранвани с електроенергия. Обикновено, парните котли, използвани за производство на наситена пара, работят на твърдо гориво. За разлика от тях, котлите, използвани в промишлеността, работят на течно гориво, например мазут или дизел. Парните котли, работещи с електроенергия, намират ограничено приложение в промишлеността. Основни причини са по-ниското им КПД в сравнение с котлите, работещи с други видове горива и сравнително високата себестойност на електроенергията.

Пламъчнотръбни парни котли
Конструкцията на пламъчнотръбните котли включва пламъчна тръба, в която протича горивният процес, и снопове от димогарни тръби, през които преминават горещите димни газове. Нагряваната вода протича от външната страна на тръбите.
В зависимост от конструктивното си изпълнение, пламъчнотръбните парни котли могат да бъдат хоризонтално или вертикално изпълнение.
Добре е да се има предвид, че използването на тези котли е свързано с известни ограничения по отношение на топлинната им мощност. Известно е, че при конструирането на резервоар с повишено налягане, какъвто са парните котли, дебелината на стената на резервоара се определя в зависимост от неговия диаметър, както и стойностите на температурата и работното налягане. При превишаване на определени пределни параметри, необходимата дебелина на стената на котела се оказва неприемливо голяма. Също така е необходимо да се отчетат и изискванията за безопасност.

Водотръбни котли
Водотръбните котли се отличават с по-сложна конструкция в сравнение с пламъчнотръбните модели. При тях нагряваната вода преминава през набор от тръби, разположени над горивната камера и свързани към общ барабан. Той представлява резервоар за пара и вода, който обикновено се изработва с неголям диаметър, с цел избягване на проблемите, характерни за пламъчнотръбните котли.
За да се осигурят условия газът да отдаде максимално количество топлинна енергия, от вътрешната страна на котела се разполагат прегради. Те са предназначени да насочват движението на горещия газ, така че той да обтича тръбите няколко пъти. Също така, за да се повиши топлоотдаването в горивната камера, в нея често се предвижда радиационен екран. По този начин се постига по-голямо топлоотдаване в горивната камера при по-малко топлинно натоварване на нейните стени. Това, от своя страна, води до намаляване на времето за техническо обслужване и до повишаване на КПД. А също и до по-малки изисквания към топлоизолацията на стената. Радиационният екран представлява сноп от тръби, разположени по стената на горивната камера, през които преминава водата от котела, нагрява се и се изпарява. Образуващата се пара се отвежда в парния барабан. Добре е да се има предвид, че такива екрани обикновено защитават (напълно или частично) стените на котела. Тръбите могат да бъдат гладки, оребрени, с огнеопорно покритие и др.
Основни предимства на парните котли са бързото повишаване на температурата, взривобезопасността, лесното пренастройване при изменение на натоварването и други. Недостатъците им са свързани с усложнената конструкция, високите изисквания по отношение на херметичността на съединенията, както и сложния ремонт.

Видове водотръбни котли
Водотръбните котли се разделят на следните видове – хоризонтални с надлъжен или напречен барабан, вертикални с един или няколко парни барабана, радиационни и комбинирани.
За хоризонталните водотръбни котли е характерно наличието на колектори, които се съединяват с барабан, разположен както в долната част, така и по средата на котела.
Вертикалният парен котел има два или няколко барабана, монтирани на различни височини. Тръбите се присъединяват непосредствено към барабана. В близост до местата на свързването им те се извиват, образувайки сноп. Потокът горещи газове (посредством прегради) се направлява напречно на тръбите. Описаната конструкция позволява лесно да се измени геометрията на нагряваната повърхност.
Радиационните парни котли или техните горивни камери се оборудват или с широки колекторни тръби (преминаващи хоризонтално в горната и долната част на стените на камерата), или със система от вертикални тръби, присъединени непосредствено към основният барабан. В първия вариант,  колекторът е съединен между тънките части на вертикалните тръби, образуващи настенен екран. Лъчистата топлина от зоната на горене води до изпаряване на водата в тези тръби. Горещата пара, преминаваща между колекторите, присъединени към основният барабан, предизвиква циркулация. По тази схема са устроени таванният и подовият екрани. Тръбите не са изолирани и единствено във високотемпературната зона се предвижда огнеупорно покритие или чугунени защитни панели. В някои случаи парообразуването в екрана играе главна роля, а обичайният водотръбен конвективен топлообмен от повърхността защитава основния барабан от радиационно прегряване.

Секционен чугунен парен котел
Друг вид парни котли са секционните. Те са широко разпространени и се състоят от отделни чугунени секции. Те са със сложна конфигурация и голямо външно оребряване. Чрез секциите се формират горивната камера, скарата, ходовете на димните газове и водното пространство. В големи котли от този тип, парата от всяка секция постъпва в надлъжен горен колектор, а кондензатът се връща по два долни надлъжни колектора, които се намират по страните на секцията. Основното предимство на секционните котли се изразява в лесния демонтаж. Също така, при необходимост сравнително безпроблемно би могла да се увеличи мощността му чрез добавяне на допълнителни секции. От друга страна, при твърде бързо разгаряне, което се извършва в условия на студен пуск, такъв котел може да се пукне.
Секционните котли се отличават с висок КПД и бързо разгаряне, но чугунените секции на този тип котли не гарантират безопасна работа при високи налягания на парата.

Електрически парни котли
Друг вид парни котли са електрическите. Както вече бе споменато, те намират ограничено приложение в промишлеността. Сред основните им предимства са елементарно устройство и надеждна експлоатация Те са особено предпочитани за приложение в бита. Електрическият паров котел се състои от нагревателни елементи и блок за контрол, обикновено с възможност за регулиране и контрол на параметрите. Много котли разполагат с вградени допълнителен резервоар и помпа. Характеризират се с не големи размери, безшумна работа, лесна експлоатация и безпроблемен монтаж.

За или против по-малкия воден обем
За да се избере подходящият парен котел за конкретното приложение, трябва предварително да се определят вида на горивото, което ще се използва, и необходимото количество произвеждана пара. Спрямо него се пресмята необходимата мощност на парния котел, осигуряваща поддържането на предварително зададените параметри на температурата. При определянето й се препоръчва да се вземе предвид и КПД на котела, както и загубите на топлина. Добре е да се обърне достатъчно внимание и на водния обем, тъй като той се явява ключов фактор за постигането на по-висока ефективност на парния котел. Известно е, че голямото количество вода в него предизвиква загуби на енергия, тъй като тя не може да се използва като резерв. Малкото количество вода, от своя страна, води до отклонения в налягането, което съответно понижава качеството на парата. Затова е прието парните котли да се оценяват според водния им обем. Някои производители залагат на поддържането на малък воден обем. В негова полза се посочват следните аргументи - излишният обем вода повишава времето за нагряване и води до загуби на енергия при спиране на парния котел. Обикновено към посочената теза се придържат производителите на правотокови парни котли, както и на отоплителни парни котли.
Тезата за необходимостта от поддържане на по-голям воден обем се поддържа от компании, произвеждащи корпусни парни котли. Тя са застъпници на твърдението, че по-голямото количество налична пара е по-изгодно при колебания в потреблението.
Освен водния обем, важни критерии за избор са парният обем и системата за контрол на горелката.
Съвременните модели парни котли се оборудват със системи за управление и контрол. Сред основните им елементи са - устройства за пускане и спиране на процеса на изгаряне на горивото, за задаване и регулиране на разхода на гориво, вода и кислород, както и с устройства за мониторинг и събиране на данни за състоянието на турбините и приборите. Често се използват и компютърни системи за цялостен контрол и управление на системата.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю. Ако имате коментар по съдържанието на материала или желаете да направите допълнение или да разясните някои от разгледаните аспекти, не се колебайте да ни пишете.