Höyrykattila

Teollisuuslaitoksen höyrykattila.

Vanha puolalainen siirrettävä höyrykattila.

Höyrykattila on suljettu astia, jossa kehitetään vedestä kuumentamalla ilmanpaineen ylittävää painetta. Näin synnytettyä paineistettua höyryä käytetään voimakoneiden kuten höyrykone tai höyryturbiini, avulla energiantuotantoon. Lämpöenergian lähteenä voi olla tulipesässä poltettava materiaali kuten hiili, puu tai öljy, tai jokin muu, esimerkiksi ydinvoima, aurinko tai geoterminen lämpö. Näistä lämpöenergia pyritään siirtämään mahdollisimman suurelta osaltaan väliaineeseen, veteen. Rakenteellisista ratkaisuista riippuu, kuinka hyvin lämpö saadaan siirrettyä. Höyrykattilan hyötysuhde on yleensä 0,55 - 0,65. Vesi lämmitetään ja höyrystetään ja erityisesti sähkön tuotantoa varten yleensä myös tulistetaan. Sähköntuotannon lisäksi höyrykattiloita käytetään tuottamaan lämmityshöyryä erilaisiin teollisuusprosesseihin. Höyrykattila on paineastia. Vettä ainoastaan lämmittäviä kattiloita kutsutaan lämpökattiloiksi.

Historia

Höyrylaivan kattilan räjähdys Memphisissä, Tenneseessä, vuonna 1830.

Höyrykattiloita on rakennettu höyrykoneisiin 1700-luvulta alkaen. Höyrykattilalla on ollut tekniikan kehittymiseen ratkaiseva vaikutus monella tapaa. Höyrykoneen osana se mahdollisti teollisen kehityksen. Toisaalta se hyvin suurena turvallisuusriskinä pakotti kehittämään valmistus- ja suunnittelumenetelmiä. Kun veden olomuoto muuttuu höyryksi, se vaatii ilmanpaineessa ja 100°C lämpöisenä noin 1600 kertaisen tilavuuden ja muodostaa silloin suuren paineen suljetussa astiassa. 1800-luvulla höyrykoneiden tehoa pyrittiin jatkuvasti parantamaan, mikä oli mahdollista nostamalla höyrynpainetta. Tämä taas johti toistuviin höyrykattiloiden räjähdyksiin. 1900-luvun alkupuolella höyrykattilaonnettomuuksista tuli harvinaisia terästen lujuuden kasvun, turvatekniikan ja suunnittelumenetelmien kehittymisen vuoksi. Vakuutusyhtiöt alkoivat vaatia jo 1800-luvulla varoventtiilejä höyrykattiloihin.

Rakenne

Yksinkertaisin höyrykattila jakaantuu seuraaviin osiin.

• ekonomaiseri eli eko.
• höyrystin
• tulistin
• palamisilman esilämmitin eli luvo
• tulipesä

Toimintaperiaate

Yksinkertaistettu voimalaitoshöyrykattilan toimintaperiaate on seuraava.

Höyrykattila

Kattilan tulipesässä poltetaan polttoainetta. Vapautunut lämpö siirretään veteen erilaisilla lämmönsiirtimillä. Kattilaan pumpattu syöttövesi lämmitetään ensin syöttöpainetta vastaavaan höyrystymislämpötilaan syöttövedenesilämmittimellä. Sitten kylläinen vesi johdetaan höyrystimeen, jossa se sitten höyrystyy kylläiseksi höyryksi. Voimalaitoskattiloissa kylläinen höyry vielä tulistetaan tulistimessa eli lämmitetään yli paineesta riippuvaisen höyrystymislämpötilan.

Muu prosessi

Tulistettu höyry johdetaan sitten höyryturbiinin, joka pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähkövirtaa. Turbiinista tuleva viilentynyt ja matalapaineinen höyry lauhdutetaan lauhduttimessa, jäähdytystornissa tai kaukolämmönvaihtimessa. Lauhde pumpataan syöttövesipumpuilla kattilan paineeseen ja syöttövesisäiliöön, josta edelleen syöttövedenesilämmittimeen.

Höyrykattiloiden jaottelu

Vesi-höyrypiirin mukaan

• Suurvesitilakattilat
  • tulitorvi-tuliputkikattila
• vesiputkikattilat
  • luonnonvirtauskattila
  • pakkokiertokattila
  • läpivirtauskattila

Tulipesän mukaan

• arinakattila
• kiertopetikattila
• leijupetikattila

Höyrykattilan käyttökohteet

• Sähköntuotanto voimalaitoksissa
• lämmityshöyryn tuotanto teollisuusprosesseihin, esimerkiksi soodakattila
• höyrykone
• höyryveturi