Водотрубный котел был разработан в связи с непрерывно растущими требованиями повышения паропроизводительности и давления пара. Дело в том, что, когда пар и вода повышенного давления находятся в трубе не очень большого диаметра, требования к толщине стенки оказываются умеренными и легко выполнимыми. Водотрубные паровые котлы по конструкции значительно сложнее газотрубных. Однако они быстро разогреваются, практически безопасны в отношении взрыва, легко регулируются в соответствии с изменениями нагрузки, просты в транспортировке, легко перестраиваемы в проектных решениях и допускают значительную перегрузку. Недостатком водотрубного котла является то, что в его конструкции много агрегатов и узлов, соединения которых не должны допускать протечек при высоких давлениях и температурах. Кроме того, к агрегатам такого котла, работающим под давлением, затруднен доступ при ремонте.

Водотрубный котел состоит из пучков труб, присоединенных своими концами к барабану (или барабанам) умеренного диаметра, причем вся система монтируется над топочной камерой и заключается в наружный кожух. Направляющие перегородки заставляют топочные газы несколько раз проходить через трубные пучки, благодаря чему обеспечивается более полная теплоотдача. Барабаны (разной конструкции) служат резервуарами воды и пара; их диаметр выбирается минимальным во избежание трудностей, характерных для газотрубных котлов (см. выше). Водотрубные котлы бывают следующих типов: горизонтальные с продольным или поперечным барабаном, вертикальные с одним или несколькими паровыми барабанами, радиационные, вертикальные с вертикальным или поперечным барабаном и комбинации перечисленных вариантов, в некоторых случаях с принудительной циркуляцией.

Топочные экраны. В топках водотрубных котлов часто предусматривают радиационные экраны, которые позволяют повысить тепловыделение в топке при меньшей тепловой нагрузке на ее стенки, благодаря чему снижаются затраты времени на техническое обслуживание и повышается КПД, а кроме того, существенно снижаются требования к теплоизоляции стенок. Экраны выполняют в виде частых труб, по которым проходит котловая вода; образующийся в них пар отводится в паровой барабан. Такими экранами обычно защищают (полностью или частично) стены котельной установки. Трубы могут быть гладкими, с проставкой, плавниковыми, ошипованными, с огнеупорной обмазкой.

Горизонтальный водотрубный котел. Для паровых котлов такого типа характерно наличие коллекторов, соединяющихся с навесным барабаном, который может быть расположен либо вдоль топочной камеры, как показано на рис. 2 (продольный барабан), либо поперек (поперечный барабан).

Вертикальный водотрубный котел. В вертикальном паровом котле имеются два или несколько барабанов, установленных на разной высоте, причем зеркало воды находится в самом верхнем из них (рис. 3). Трубы присоединяются непосредственно к барабану. Вблизи места присоединения они изгибаются так, что образуют ряд пучков. Поток горячих газов перегородками направляется поперек труб. Такая конструкция позволяет легко изменять геометрию поверхности нагрева.

Радиационные котлы. Радиационные паровые котлы или их топки оборудуются: а) широкими коллекторными трубами (узкими барабанами), проходящими горизонтально в верхней и нижней части стенки топки, либо б) системой вертикальных труб, присоединенных непосредственно к основным барабанам. В варианте "а" коллекторы соединены между собой тонкими частыми вертикальными трубами, образующими настенные экраны. Лучистая теплота из зоны горения заставляет воду в этих трубах испаряться, а горячий пар, поднимаясь между коллекторами, присоединенными к основным барабанам, вызывает циркуляцию. По той же схеме устроены потолочные и напольные экраны. Трубы не имеют изоляции, и лишь в высокотемпературной зоне предусматриваются огнеупорная обмазка или чугунные защитные панели. В некоторых случаях парообразование в экранах играет главную роль, а обычные воднотрубные конвективные теплообменные поверхности лишь защищают основной барабан от радиационного перегрева.

Прямоточные котлы. Прямоточные паровые котлы могут работать как в докритическом, так и в сверхкритическом режиме. В трубы котла насосом подается питательная вода, и она за один проход набирает достаточно тепла, чтобы превратиться в пар высокого давления. Теплообмен осуществляется в основном в многочисленных параллельно включенных экранных панелях, окружающих топочную камеру. Прямоточные котлы применяются главным образом на крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе. Благодаря своему широкому диапазону рабочих условий они отличаются простотой пуска и перехода с режима на режим.