Tvaika katls

Tvaika katls ir katls, kas paredzēts piesātināta vai pārkarsēta tvaika ģenerēšanai. Tas var izmantot kurināmā enerģiju, kas tiek sadedzināts tā kurtuvē, elektroenerģiju (elektriskais tvaika katls) vai arī utilizēt siltumu, kas tiek izdalīts no citām iekārtām (utilizācijas katli).

1. nominālā tvaika ražība D (kg/st vai t/st);
2. tvaika spiediens p at un pārkarsētā tvaika temperatūra t_pārk (°C);
3. sildvirsma H (m²);
4. sildvirsmas slodze D/H (kg/m²*st);
5. lietderības koeficients η^br_k (%).^[1]

1. pēc cirkulācijas sistēmas — tvaika katlos ar dabisko cirkulāciju un piespiedu cirkulāciju;
2. pēc spiediena — zemspiediena tvaika katlos (p<15 at un t≤350 °C), vidēja spiediena tvaika katlos (p=30...35 at un t=350...425 °C) un augstspiediena tvaika katlos (p=180...420 at un t=500...700 °C);
3. pēc tvaika ražības — mazjaudas tvaika katlos ar D<10 t/st, vidējas jaudas tvaika katlos ar D≤75 t/st un lieljaudas tvaika katlos ar D≥100 t/st;
4. pēc uzdevuma — apkures tvaika katlos (D=1...2 r/sr, p≤2 at), apkures un rūpniecības tvaika katlos (D≤10 t/st, p=10...13 at) un enerģētiskos tvaika katlos (p≥16 at);
5. pēc vēsturiskās attīstības un izveidojuma^[2]

a) tvaika katlos ar dabisko cirkulāciju: liela ūdenstilpuma tvaika katli, horizontālo ūdenscauruļu kameras tvaika katli, horizontālo ūdenscauruļu sekciju tvaika katli un vertikālo ūdenscauruļu tvaika katli;

b) tvaika katlos ar piespiedcirkulāciju: tvaika katli ar vairākkārtēju ūdens cirkulāciju, tiešas plūsmas tvaika katli.

Šiem katliem pieskaitāmi liesmcauruļu, svelmcauruļu un kombinētie tvaika katli. Šo katlu ūdens tilpums vienai virsmas vienībai ir 80...230 l/m².^[3]

Liesmcauruļu tvaika katli sastāv no kniedēta vai metināta tērauda skārda cilindriska korpusa ar noapaļotiem dibeniem, kuros iekniedēti gludo vai viļņoto liesmcauruļu gali. Augstvērtīgai kurināmā sadedzināšanai kurtuve iebūvēta liesmcauruļu iekšpusē vai arī mazkaloriju kurināmam izveidota kā priekškurtuve. Tvaiku noņem no t.s. tvaika vāceles, kas novietota virs katla korpusa. Šos katlus lieto galvenokārt nelielos rūpniecības uzņēmumos ar svārstīgu tvaika patēriņu. Galvenie raksturotāji šādi:

Vienas liesmcaurules tvaika katliem: p=4...13 at, D/H=≤22 kg/m²*st, H=15...70 m². Katla cilindriskās daļas diametrs D=1,17...1,9 m, garums 4,15...11 m, liesmcaurules diametri d_i/d_a=630/705...950/1025 mm.

Divu liesmcauruļu tvaika katliem: p=4...20 at, D/H=18...30 kg/m²*st, H=50...150 m². Katla diametrs D=1,6...2,5 m, liesmcauruļu diametri d_i/d_a=605/680...925/1000 mm, katla garums 7,0...11,8 m.

Priekšrocības: samērā labs lietderības koeficients (η_k≈70...80 %). Liela sildvirsmas slodze. Nejutīgs pret slodzes svārstībām un barošanas ūdens kvalitāti. Vienkārša apkalpošana un remonts. Viegla apskate un tīrīšana.^[4]

Trūkumi: ierobežota jauda (mazs ārdu laukums). Iekurināšanas periods ilgst 10...12 stundas. Agregātam liels svars un liela aizņemtā platība. Nav piemēroti lieliem spiedieniem. Bīstami sprādziena gadījumā.

Svelmcauruļu (dūmcauruļu) katlus lieto lokomobilēs un lokomotīvēs, tos izveido arī kā stāvkatlus resp. vertikālos katlus. Sildvirsmu veido liels skaits (15...350) samērā maza diametra (38...83 mm) svelmcaurules, kas ievelmētas 2 paralēlās plakanās katla korpusa gala sienās. Lokomotīvju katlos kā aktīvā sildvirsma darbojas arī kurtuves sienas, kas dod 40...50% ražotā tvaika. Galvenie raksturotāji šādi:

Vertikāliem svermcauruļu katliem: p=6...10 at, D/H=12...15 kg/m²*st, H≤50 m². Lieto mazās katlu mājas un celtņos. Galvenās priekšrocības: mazjutīgi pret ūdens kvalitāti, viegli apkalpojami.

Lokomobiļu katliem: p=8...25 at, D/H=15...28 kg/m²*st, H=10...120 m². Lieto mazās katlu mājās, būvlaukumos un lauksaimniecībā.

Lokomotīvju katliem: p=13...22 at, D/H=90 kg/m²*st, H=125...400 m². Pārkarsētā tvaika temperatūra līdz 400 °C. Lieto lokomotīves, pārvietojamās elektrostacijās, arī stacionārās iekārtās^[5].

Svelmcauruļu katlu priekšrocības: mazs gabarīts un svars. Nav apmūrējuma. Samērā ātri iekurināmi.

Trūkumi: zems tvaika spiediens. Maza sildvirsmas slodze (izņemot lokomotīvju katlus). Grūti pieejami tīrīšanai. Cauruļu velmējumu vietās rodas sūces. Mazkaloriju kurināmā sadedzināšanai nepieciešama priekškurtuve.

Konstruktīvi apvieno liesmcauruļu un svelmcauruļu (dūmcauruļu) katlu īpašības. Lieto par lokomobiļu katliem, kuģu katliem un vertikāliem katliem. Galvenie raksturotāji ir šādi:

Stacionāro lokomobiļu katliem: p=12...15 at, D/H=25...30 kg/m²*st, H=12...30 m². Lieto lauksaimniecībā un nelielās spēka iekārtās.

Kuģu katliem: p=8...16 at, D/H=12...20 kg/m²*st, H=28...280 m². Lieto upju un jūras kuģos.

Kombinēto tvaika katlu priekšrocības: viegli iekurināmi un apkalpojami. Nav apmūrējuma. Mazs gabarīts.

Trūkumi: zems tvaika spiediens. Maza sildvirsmas slodze; vāja ūdens cirkulācija. Mazkaloriju kurināmam jālieto priekškurtuve.

Izšķir horizontālo (slīpo) kameru un lekciju ūdenscauruļu tvaika katlus. Kameru katlos ūdenscauruļu gali iestiprināti masīvās viengabala kamerās, kurās izveidotas lūciņas cauruļu ievelmēšanai un tīrīšanai. Uzlaboti kameru katli ir Šučova un Šučova-Berlina tvaika katli, kuros ūdenscaurules sakopotas atsevišķos kūļos ar cilindriskiem kolektoriem.^[6]

Galvenā priekšrocība — lētums detaļu standartizācijas dēļ.

Trūkumi — neelastīga konstrukcija, bieži plīsumi, sūces un grūta tīrīšana. Minēto iemeslu dēl šos katlus vairs neražo. Konstrukcijas elastības palielināšanai izveidoti sekciju katli, kuros ūdenscaurules sakopotas atsevišķās sekcijās. Horizontālo ūdenscauruļu katli nav piemēroti augstam spiedienam. Ūdenscauruļu slīpums 1:5...1:3,5, izņēmuma gadījumos 1:1. Galvenie raksturotāji ir šādi:

Kameru katliem: p=9...15 at, D/H=30...35 kg/m²*st, H=60...558 m². Lieto mazās un vidējās katlu iekārtas. Ūdens tilpums sildvirsmas vienībai 70...80 l/m².

Šučova-Berlina katliem: p≤15 at, D/H=18...30 kg/m²*st, H=20...772 m². Lieto mazās un vidējās katlu iekārtās.

Sekciju katliem: p=25...120 at, D/H=30...40 kg/m²*st, H=32...2400 m². Lieto mazas un vidējas jaudas katlu iekārtās.

Vertikālo (stāvo) ūdenscauruļu tvaika katlos ūdenscaurules pievienotas tieši katla boileriem, līdz ar to panākot elastīgu konstrukciju un samazinot metāla patēriņu izgatavošanai. Šis tvaika katlu tips pašreiz uzskatāms par izplatītāko, sākot ar mazjaudas rūpniecības tvaika katliem un beidzot ar vislielākās jaudas enerģetiskiem tvaika katliem. Šie katli dod iespēju maksimāli izmantot grīdas laukumu, izveidot kurtuves ar siltuma starošanas sildvirsmām un pielāgot tās vietējam kurināmam. Labi atrisināta ūdens cirkulācija un tvaika separācija, labi izvietojamas palīgsildvirsmas.

Ūdens tilpums mazs ~ 40 l/m², tādēļ tie darbībā droši. Viegli pieejami apskatei un tīrīšanai. Par trūkumu jāatzīmē prasība pēc augstvērtīga barošanas ūdens, apgrūtināta liekto ūdenscauruļu tīrīšana no katlakmens, mazjaudas katliem samērā mazs lietderības koeficients (rokas kurtuve, nav ekonomaizera), lieljaudas enerģētiskiem katliem prasība pēc augsti kvalificētas apkalpes (liels mēr- un kontrolinstrumentu skaits, automātika).

Vertikālo ūdenscauruļu katlos boileru skaits vecās konstrukcijās svārstās 3...5, bet jaunākās no 1...2. Galvenie raksturotāji ir šādi:

Vertikālo ūdenscauruļu katliem ar 2...4 boileriem un taisnām ūdenscaurulēm (Garbes katli): p=10...18 at, D/H=30...35 kg/m²*st, H=70...890 m². Neelastīga konstrukcija, speciāli izveidotas cauruļu ievelmējuma vietas. LIeto rūpniecības katlu iekārtās un elektrostacijās. Patlaban šādas konstrukcijas jaunās iekārtās vairs neizgatavo.

Vertikālo ūdenscauruļu katliem ar 2...3 boileriem un liektām ūdenscaurulēm: p=8...35 at, D/H=20...50 kg/m²*st, H=100...1500 m². Lieto rūpniecības katlu iekārtās un elektrostacijās.

Vertikālo ūdenscauruļu vienboilera tvaika katliem: p=35...180 at un vairāk; D/H=40...230 t/st un vairāk. Pārkarsētā tvaika temperatūra 420...650 °C. Lieto galvenokārt kā enerģētiskos tvaika katlus.

Atšķirība no ūdenscauruļu tvaika katliem ar boileriem tiešās plūsmas tvaika katliem (Ramzina katli, Bensona katli u.c.) nav boileru un nav arī cirkulācijas kontūras. To sildvirsmu veido nepārtraukts cauruļu kūlis, kas sadalās ekonomaizerā, starošanas daļā (iztvaikošanas daļā), kā arī pāreju daļās, kur pie pazeminātas dūmgāzes temperatūras notiek galīga ūdens iztvaikošana un sāļu nosēšanās, un pārkarsētajā. Tādējādi barošanas sūkņa padotais ūdens tiešā plūsmā pārvēršas pārkarsētā tvaikā.^[1]

Lieto galvenokārt lieljaudas enerģētiskās iekārtās.

Priekšrocības: droša darbība (nav boileru). Var izgatavot jebkuras formas sildvirsmas. Mazs metāla patēriņš izgatavošanai.

Trūkumi: vāja akumulācijas spēja. Grūti regulējami pie straujām slodzes maiņām. Nepieciešams augstvērtīgs barošanas ūdens.