История развития газотрубных котлов и актуальность их применения

В статье рассмотрена история развития газотрубных котлов, представлена классификация по основным рабочим характеристикам. Обоснована актуальность применения газотрубного котла в качестве источника тепла для децентрализованных систем теплоснабжения.

Отопительный сезон на большей территории Российской Федерации составляет более полугода: это связано с суровым северным климатом.

На данный момент централизованные источники тепла выработали свой ресурс более чем на 70%, а энергетические потери при транспортировке теплоносителя в тепловых сетях, при норме не более 5%, доходят до 20%.

Утечки теплоносителя составляют 18–20%, в то время как допускаемые утечки составляют всего лишь 0.5%. В среднем по стране более 12% тепловых сетей затапливаются грунтовыми водами, в отдельных регионах эта цифра может достигать 70%. Учитывая тепловые потери, утечку теплоносителя, повреждаемость тепловых сетей и другие нарушения в эксплуатации, общий износ тепловых сетей на данный момент составляет около 70%. По оценкам экспертов, около 15% тепловых сетей нуждаются в безотлагательной замене. Для приведения в надлежащее состояние тепловых сетей требуется заменить более 150 тыс. километров теплотрасс в двухтрубном исчислении. Причем окупаемость возможна через 8–10 лет, что малопривлекательно для инвесторов [5].

Внедрение децентрализованного теплоснабжения поможет решить целый перечень проблем.

Во-первых, затраты на строительство теплоснабжения включаются в стоимость жилья, что позволяет не допускать крупных финансовых вложений, тем самым ускоряя оборот капитала.

Во-вторых, благодаря децентрализованному теплоснабжению пользователь сам сможет регулировать подачу тепла, следовательно, и затраты на отопление.

В-третьих, рекомендуемые теплогенераторы с закрытой топкой обеспечивают требуемую безопасность [5].

Эффективным энергосберегающим мероприятием является внедрение и разработка децентрализованных систем теплоснабжения с автономными источниками тепла. Источник теплоты в этих системах – газотрубный котел.

Газотрубный котел – это котел, в котором продукты сгорания топлива проходят внутри труб поверхностей нагрева, а вода и пароводяная смесь - снаружи труб [2].

Газотрубные котлы подразделяются на следующие типы: водогрейные и паровые.

Первые упоминания о паровых котлах встречаются в начале 17 в. в трудах ученых: Дж. Делла Порта, Э. С. Вустера, С. де Ко. Но более обширное применение паровых котлов наблюдалось в конце 17 в. – начале 18 в. Это было связанно со стремительно развивающейся в то время горнозаводской и угледобывающей промышленностью. Самым первым паровым котлом считается котел, сконструированный Дени Папеном в 1680 году.

В дальнейшем многие именитые ученые вносили свой вклад в развитие котлостроения и теории котлов. Ученый Н.А. Львов произвел серьезные изменения в топочной технике, создав трубчатый калорифер. В конце 18 в. изучением процессов горения занимались академики В.В. Петров и Я.Д. Захаров. Во второй половине 19 в. ученые И.П. Алымов и И.А. Вышнеградский решили актуальные для того времени вопросы теории паровых котлов. В 1907 году ученый Н.П. Петров сформулировал рекомендации по конструированию паровых котлов и первым изложил основы теории циркуляции в паровых котлах [3].

Теоретическое и экспериментальное исследование рабочих процессов котлов продвигалось в работах ученных М. Н. Демьянова, Г.Ф. Деппа, А.П. Гавриленко, К.В. Кирша и В.И. Гриневецкого. Профессор И.А. Тиме построил ряд паросиловых установок. Профессор М.Н. Демьянов проводил исследования в области дымовых труб. Профессор Г.Ф. Депп сосредоточил свое внимание на конструктивных решениях котельного агрегата, также к нему относятся важнейшие решения проблем сжигания топлива. В 1915 г. профессор В.И. Гриневецкий разработал графический метод расчета парового котла. Одними из самых известных конструкторов и изобретателей котельной техники того времени являются В.Я. Долголенко, В.Г. Шухов, Н.Н. Тверской и др. [1].

Развитие паровых котлов продвигалось по двум векторам: увеличение числа потоков газа в газотрубных котлах и увеличение числа потоков воды и пара в водотрубных котлах. Первые газотрубные паровые котлы представляли собой сосуды цилиндрической формы, в которые изначально вставляли от одной до трех труб большого диаметра (жаровые трубы), а в дальнейшем десятки труб существенно меньшего диаметра (дымогарные трубы), по которым проходил газ. В период массового производства котлов в целях судостроения, был сконструирован горизонтальный газотрубный котел, который представлял собой топку, образование пара в которой осуществлялось путем охлаждения ее водой, при этом диаметр топки был почти в 2 раза меньше диаметра котла. Первым создателем такого котла является Оливер Эванс. Спустя 5 лет после изобретения Оливера Эванса, в 1791 г. Натан Рид сконструировал газотрубный котел, который и по сей день является актуальным. Главной особенностью новой конструкции стало то, что под пространство для образующегося пара отводилось не менее половины от объема котла, это во много раз снижало риск его перегрузки.

Увеличение поверхности нагрева газотрубных паровых котлов происходило без изменения габаритов первоначального цилиндрического котла, или даже в меньших габаритах. Вследствие этого повысилась паропроизводительность (мощность для водогрейного) котла, а также улучшилась передача тепла от дымовых газов к поверхности нагрева, что привело к снижению температуры газов на выходе из парового котла, то есть к повышению КПД.

Газотрубные паровые котлы отличались от цилиндрических относительно малыми размерами и высоким КПД (около 60%), но все же при этом их производительность не превышала нескольких тонн пара в час, а особенности конструкции ограничивали давление пара в котле в пределах 1,5–1,8 МПа. Поэтому газотрубные паровые котлы сохранились только на транспортных установках (паровозы, пароходы), а из стационарных установок они полностью вытеснены водотрубными котлами.

Создание водотрубных паровых котлов происходило путём увеличения числа цилиндров, составлявших котёл. Изначально котел содержал от трех до девяти цилиндров с относительно большим диаметром (батарейные котлы), а затем до нескольких десятков и сотен цилиндров небольших диаметров, превратившихся в кипятильные, а в дальнейшем и в экранные трубы.

В последнее время на рынке промышленного котельного оборудования представлен большой ассортимент паровых и водогрейных котлов как отечественного, так и зарубежного производства. Иностранные котлы имеют отличительные особенности в зависимости от страны их производства. Так например, западногерманские производители промышленных котлов изготавливают котлы марок Viessmann, Vaillant, Buderus, работающих на жидком, твердом и газовом топливе. Котлы, которые производят в Германии отличаются достаточно высоким качеством и долгим сроком обслуживания. Котлы могут работать от 20 до 40 лет, но они являются очень дорогостоящими. Бельгийские, испанские, французские, итальянские котлы работают до 10 лет. Турецкие, чешские, словацкие промышленные котлы при определенном качестве сравнительно недорогие. Котлы, произведенные в Японии и Южной Корее, обладают высокой степенью автоматизации, но также имеют дорогую стоимость. Если сравнивать российские котлы с иностранными аналогами, то российские котлы имеют наилучшее соотношение "цена-качество". Отечественные производители котельного оборудования выгодно отличаются от зарубежных тем, что российские производители, прежде всего при проектировании котлов, учитывают суровые климатические условия нашей страны, особенно Сибири и Дальнего Севера [1].

Газотрубные котлы классифицируются по группам согласно определенным характеристикам.

По мощности котла: котлы малой мощности от 4 до 65 кВт, котлы средней мощности от 72 до 1750 кВт, котлы большой мощности от 1860 до 15000 кВт.

По конструкции котлы классифицируются на: стальные, чугунные, специальные [6].

По расположению: горизонтальные; вертикальные.

По конструкции жаровой трубы: с гладкими жаровыми трубами; с волнистыми жаровыми трубами.

По количеству жаровых труб: с одной жаровой трубой; с двумя жаровыми трубами.

По ходу дымовых газов: с оборотом дымовых газов (реверс) в жаровой трубе; с двойным ходом дымовых газов; с тройным ходом дымовых газов.

По наличию экономайзера: с экономайзером; без экономайзера.

По режиму эксплуатации: работающие в базисном режиме; работающие в маневренном режиме [4].

При выборе котла следует обращать внимание на следующие параметры: высокое качество, повышенная ремонтопригодность, долговечность, экономичность, доступная стоимость, универсальность, возможность работы на различных видах топлива, быстрый и качественный монтаж, выход на мощность в течение короткого времени, что важно в суровых климатических условиях [3].