Что такое котёл перегретой воды? Отличия от водогрейного котла и руководство по выбору

Если вашему технологическому процессу или тепловой сети нужна температура выше 100 °C, но вы не хотите иметь дело с конденсатопроводами, конденсатоотводчиками и потерями воды, присущими паровой системе, оптимальным решением может стать котёл перегретой воды. Поскольку перегретая вода находится под давлением, она не закипает даже при 110–180 °C и переносит тепло по замкнутому контуру.

Так чем же именно котёл перегретой воды отличается от водогрейного котла? Когда его стоит предпочесть пару или термомаслу? В этой статье мы рассказываем о принципе работы, условии отсутствия кипения, сравнении температур, областях применения и о том, на что обратить внимание при выборе.

Что такое котёл перегретой воды?

Котёл перегретой воды — это теплогенерирующая система, которая нагревает воду под давлением выше 100 °C, как правило в диапазоне 110–180 °C, и без испарения прокачивает её по замкнутому контуру. Поскольку давление в системе поддерживается выше давления насыщения воды при данной температуре, вода остаётся в жидкой фазе. Тепло передаётся технологическим процессам или сетям централизованного теплоснабжения в виде явной теплоты.

Поэтому в отрасли перегретую воду называют также «горячей водой под давлением». По подающей линии она поступает к потребителям, отдаёт тепло в теплообменниках, воздухонагревателях или технологическом оборудовании и, остыв, возвращается в котёл по обратной линии. Система перегретой воды состоит из следующих основных компонентов:

• Котёл: Корпус, работающий под давлением, в котором теплота топлива передаётся воде.
• Циркуляционные насосы: Обеспечивают циркуляцию воды в подающей и обратной линиях; как правило, устанавливаются с резервированием.
• Система поддержания давления и компенсации расширения: Компенсирует тепловое расширение нагреваемой воды и поддерживает давление выше давления насыщения.
• Распределительная сеть и потребители: Теплообменники, воздухонагреватели и технологическое оборудование.
• Арматура безопасности и управления: Предохранительные клапаны, ограничители давления и температуры, автоматика.

Котёл перегретой воды производства Çiftel выпускается для работы на твёрдом, жидком или газообразном топливе, в горизонтальном или вертикальном исполнении и с мощностью, необходимой для конкретного проекта.

Чем водогрейный котёл отличается от котла перегретой воды?

Оба котла нагревают воду и обеспечивают её циркуляцию по замкнутому контуру. Основное различие — в рабочей температуре и зависящем от неё давлении. Водогрейный котёл обычно работает в диапазоне 90–110 °C при низком давлении, близком к атмосферному. Котёл перегретой воды работает в диапазоне 110–180 °C под давлением, которое не даёт воде закипеть.

Это не просто разница в несколько градусов. Высокое давление означает, что корпус котла, трубопроводы, арматура и предохранительные устройства должны подбираться под более высокое расчётное давление. Котлы перегретой воды как оборудование, работающее под давлением, проектируются в рамках Регламента по оборудованию, работающему под давлением (2014/68/ЕС, PED).

Важное преимущество перегретой воды — большая разность температур. Линия с температурой подачи 150 °C и обратки 90 °C при том же расходе переносит примерно в три раза больше тепла, чем контур горячей воды с графиком 90/70 °C. На протяжённых трассах это означает меньший диаметр труб и меньшие затраты энергии на перекачку. Необходимый расход можно определить с помощью нашего калькулятора тепловой нагрузки и расхода.

Почему перегретая вода не кипит? Давление и температура насыщения

Температура кипения воды зависит от давления. При абсолютном давлении около 1 бар вода кипит при 100 °C; с ростом давления повышается и температура кипения, то есть температура насыщения. На этом правиле основана система перегретой воды: чтобы вода не закипала, давление в системе должно поддерживаться выше давления насыщения при данной температуре.

Эти значения — нижняя граница. В реальной системе давление даже в самой горячей точке контура должно оставаться выше давления насыщения с надёжным запасом. При проектировании предусматривается запас для мест и режимов, где давление падает: самой высокой точки системы, всасывающей стороны насоса и резких изменений нагрузки.

Если давление опускается ниже значения насыщения, вода мгновенно превращается в пар. Такое вскипание приводит к гидроударам и кавитации насосов. Давление насыщения при разных температурах можно проверить с помощью нашего инструмента «Таблица насыщенного пара».

Как поддерживается давление в системе перегретой воды?

При нагреве вода расширяется: при повышении температуры от температуры заполнения до 180 °C её объём увеличивается примерно на 12–13 %. Система поддержания давления одновременно компенсирует этот прирост объёма и удерживает давление в заданном диапазоне. Распространены два подхода:

• Поддержание давления азотной подушкой: В закрытом баке над водой находится газообразный азот. Поскольку азот не содержит кислорода, он выполняет роль газовой подушки, не усиливая коррозию.
• Поддержание давления с помощью расширительной системы: Расширительный бак работает совместно с установкой поддержания давления, состоящей из насоса и сбросных клапанов. Она принимает расширяющуюся воду и при необходимости подаёт её обратно в контур.

Метод выбирают в зависимости от объёма системы, температуры и условий эксплуатации. Для предварительной оценки объёма расширения воспользуйтесь калькулятором расширительного бака. Окончательный подбор оборудования должен выполняться в рамках проектирования.

Перегретая вода, пар и термомасло: сравнение температур

Для получения высокотемпературного тепла есть четыре основных варианта: горячая вода, перегретая вода, насыщенный пар и термомасло. У каждого из них свой диапазон температур и своя связь с давлением.

На практике таблицу можно читать так: до 110 °C чаще всего достаточно горячей воды. В диапазоне 110–180 °C перегретая вода конкурирует с паром. Если подавать пар непосредственно на продукт не требуется, перегретая вода, как правило, обеспечивает более простую эксплуатацию. Выше 200 °C на первый план выходит термомасло, позволяющее достичь таких температур без высокого давления.

О выборе между термомаслом и паром мы рассказали в статье «Термомасляный котёл или паровой котёл?», а о термомасляных системах — в нашем руководстве по выбору термомасляного котла.

Где применяются системы перегретой воды?

Перегретая вода — естественный выбор для задач, где тепло не нужно подавать на продукт непосредственно в виде пара. Тепло передаётся косвенно — через теплообменник или воздухонагреватель. Основные области применения:

• Централизованное теплоснабжение: Распределение тепла на большие расстояния в масштабах кампуса, жилого комплекса, организованной промышленной зоны или города. Большая разность температур позволяет уменьшить диаметры труб и затраты энергии на перекачку.
• Теплицы: В крупных теплицах перегретая вода транспортируется по магистральной линии, а внутрь теплицы подаётся с подходящей температурой через теплообменник или смесительный клапан.
• Промышленные процессы: Задачи косвенного нагрева в диапазоне 110–180 °C в пищевой, текстильной, химической и бумажной промышленности.
• Калориферы систем вентиляции и сушки: Воздухонагреватели сушильных печей, окрасочных камер и крупных вентиляционных установок.

Начиная проект системы перегретой воды, мы в Çiftel всегда задаём одни и те же два вопроса: какая температура нужна вашим потребителям и с какой температурой возвращается обратная вода? Именно из этих двух значений выводятся расчётное давление котла, подбор насосов и система поддержания давления.

Каковы преимущества котла перегретой воды?

• Замкнутый контур, малые потери воды: Поскольку вода постоянно циркулирует, потребность в подпиточной воде невелика. Снижаются затраты на водоподготовку и химреагенты.
• Нет потерь, связанных с конденсатом и конденсатоотводчиками: Поскольку фазового перехода нет, отсутствуют характерные для паровой системы статьи потерь — неисправности конденсатоотводчиков, пар вторичного вскипания и невозвращённый конденсат.
• Стабильная температура: Большой объём воды в котле и контуре работает как тепловой буфер и сглаживает колебания при резких изменениях нагрузки.
• Гибкое регулирование температуры: С помощью смесительных клапанов от одного контура можно питать потребителей, которым нужны разные температуры.
• Эффективная передача тепла на большие расстояния: Благодаря большой разности температур по той же трубе передаётся больше тепла.

На что обратить внимание в системе перегретой воды

Управление давлением и тепловым расширением

Безопасность системы зависит от того, остаётся ли давление при любых условиях выше давления насыщения. Установку поддержания давления, предохранительные клапаны, ограничители давления и температуры и автоматику необходимо проектировать как единое целое. Во время первого заполнения и пусконаладки нужно контролировать поведение системы при тепловом расширении.

Циркуляционный насос

В котле перегретой воды насос — жизненно важное звено системы. Если циркуляция прекратится, вода в котле может локально перегреться и вскипеть. Поэтому насосы, как правило, устанавливают с резервированием, а на стороне всасывания поддерживают давление выше давления насыщения, предотвращая кавитацию. В системах на твёрдом топливе топливо в топке гаснет не сразу, поэтому в проекте необходимо предусмотреть и сценарий отключения электроэнергии.

Минимальная температура обратной воды

Если обратная вода возвращается слишком холодной, на холодных поверхностях котла может конденсироваться влага из дымовых газов. Особенно при сжигании серосодержащих топлив этот конденсат кислотный и вызывает коррозию. Нельзя опускаться ниже минимальной температуры обратной воды, установленной производителем; при необходимости обратную воду следует подогревать с помощью смесительного клапана или байпасной линии и только затем подавать в котёл.

Качество воды

Хотя контур замкнутый, систему необходимо заполнять умягчённой и деаэрированной водой. Жёсткость приводит к образованию накипи в трубах и ухудшает теплопередачу. Растворённый кислород, в свою очередь, ускоряет коррозию. Подробно эта тема рассмотрена в нашей статье о деаэраторе и кислороде в питательной воде.

Котёл перегретой воды или водогрейный котёл? Руководство по выбору

Требуемая температура и протяжённость сети

Если потребители работают при температуре ниже 100 °C, а трубопроводы короткие, водогрейный котёл экономичен и вполне достаточен. Если требуется тепло с температурой выше 110 °C или его нужно передавать на большие расстояния, более правильной инвестицией будет котёл перегретой воды.

Перегретая вода или пар?

В процессах с непосредственной подачей пара на продукт — варке, стерилизации или увлажнении — необходим паровой котёл. Если же тепло передаётся через теплообменник, перегретая вода позволяет достичь того же диапазона температур без хлопот с конденсатопроводами и конденсатоотводчиками.

Выбор топлива

Котёл перегретой воды может работать на твёрдом, жидком и газообразном топливе. На природном газе и жидком топливе применяется сжигание с помощью горелки. На твёрдом топливе котёл работает в паре с топочной системой для твёрдого топлива с вращающейся колосниковой решёткой.

Уголь, биомасса и подходящие производственные отходы подаются автоматически, зола удаляется автоматически. Запатентованная вращающаяся колосниковая решётка Çiftel подбирается по размерам с учётом теплоты сгорания топлива, его зольности и влажности.

Мощность

Мощность определяется на основе совокупной оценки суммарной тепловой нагрузки, температур в подающей и обратной линиях и профиля нагрузки. Если с самого начала учесть планы будущего расширения, впоследствии будет проще добавить второй котёл или насосную группу.

Вывод: правильный теплоноситель — правильный котёл

Котёл перегретой воды — сильное решение для предприятий, которые хотят передавать тепло в диапазоне 110–180 °C по замкнутому контуру и без характерных для пара потерь конденсата. Успех зависит от правильного поддержания давления, резервированных насосов, гидравлики, обеспечивающей минимальную температуру обратной воды, и хорошо подготовленной воды.

С 1986 года мы, Çiftel Kazan, производим на нашем заводе в Кемальпаше (Измир) паровые котлы, котлы перегретой воды, водогрейные и термомасляные котлы. Чтобы вместе оценить потребности вашего предприятия в температуре и мощности, свяжитесь с нами или позвоните по номерам +90 232 479 11 21 / +90 544 479 11 21.