4.3. Паровые котлы

Промышленное применение водяного пара в паровых машинах началось на грани XVII–XVIII веков и было вызвано быстрым развитием горнозаводской и угледобывающей промышленности в Англии и в других странах.

Уже в работах учёных – итальянца Дж. Делла Порта (1601), француза Соломона де Ко (1615) и англичанина Вустера (1663) – упоминается паровой котёл как отдельный агрегат для получения пара. В 1698 году английский изобретатель Т. Севери запатентовал свой паровой насос, в котором паровой котёл был отделён от рабочей камеры. Одним из первых «настоящих» паровых котлов считается котёл, предложенный французским инженером Д. Папеном для паровой машины.

В первых паровых котлах использовался пар атмосферного давления. Их прототипами послужили конструкции пищеварочных котлов, отсюда и возник сохранившийся до наших дней термин «котёл».

Первые котлы имели шарообразную форму, с вогнутым в виде купола днищем, под которым помещалась топка. Такого типа котлы были построены Ползуновым, Ньюкоменом (рис. 4.13) и другими изобретателями того времени. По мере увеличения мощности паровых машин медь заменили чугуном и лишь в конце XVIII века котлы начали изготовлять из стальных листов.

Дени Папен (1647–1714) – французский физик. В 1673–1674 гг. в Париже принял участие в опытах по определению зависимости температуры кипения воды от давления. В 1684 г. в Лондоне стал «куратором экспериментов» при Лондонском королевском обществе. С 1688 г. профессор математики Марбургского университета. В 1680 г. изобрёл паровой котёл с предохранительным клапаном, который не только оберегал установку от взрыва, но и позволял с большой точностью регулировать температуру кипения воды. Это изобретение принесло Папену громкую известность, уважение и авторитет. Он был избран членом Королевского общества. В 1690 г. описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя, но создать двигатель не смог. 

Рис. 4.13. Котел Ньюкомена

Повышение производительности паровых машин, применение пара повышенных параметров заставили изобретателей перейти от шарообразной формы котла к цилиндрической. Увеличение длины цилиндра дало возможность повышения производительности котла.

Рис. 4.14. Развитие горизонтально-цилиндрических котлов:

Так возникли цилиндрические котлы, которые изготовлялись с поверхностью нагрева до 30 м 2 и производительностью от 0,2 до 0,5 т/ч на давлении до 1 МПа.

Цилиндрический котёл (рис. 4.14, а) представлял собой клёпаный цилиндр 1 диаметром 0,9–1,5 м, длиной до 10–12 м с эллиптическими днищами. Котёл заключался в кирпичную кладку и имел топку 2 с колосниковой решёткой. В верхней части барабана располагался сухопарник 3, предназначенный для отделения капель воды от пара.

Для увеличения поверхности нагрева и улучшения использования теплоты топлива цилиндрические котлы стали группировать в секции, в которые входило несколько барабанов меньшего диаметра. Так появились батарейные котлы (рис. 4.14, б, стрелками показан ход дымовых газов). Батарейные котлы строились с поверхностью нагрева до 180 м 2 и предназначались для выработки пара невысокого давления, были просты в изготовлении, надёжны в работе, но очень громоздки.

Для повышения производительности цилиндрического котла без увеличения его габаритов внутри водяного объёма вдоль всего барабана устанавливают одну, две или три жаровые трубы, которые соединяются своими концами с днищами котла, образуя сквозные отверстия в барабане (рис. 4.14, в). В жаровых трубах 1, выполняющих роль первых газоходов, в передней части размещают топку с колосниковой решёткой 2. Для сжигания дров и торфа топка размещается перед котлом. Такие котлы были предложены Эвансом в Америке ещё в 1789 году. В Англии они появились около 1815 года, когда Тревитик применил их на копях Корнуэльса (Корнваллисы), отсюда пошло их название – «корнваллийские котлы». Эти котлы имели одну жаровую трубу. В 1845 году в Ланкашире (Англия) Фербери применил котлы с двумя жаровыми трубами, которые стали называться «ланкаширскими» котлами.

Пройдя жаровую трубу, дымовые газы двигались одновременно по бокам котла и под ним, а затем сверху барабана и покидали котёл, значительно охлажденными. Котлы выпускались с гладкими и волнистыми жаровыми трубами. Последние лучше воспринимали термические деформации.

Корнваллийские котлы строились с поверхностью нагрева от 20 до 70 м 2, диаметр барабана составлял от 1170 до 1900 мм, диаметр жаровой трубы колебался от 630 до 1005 мм при волнистых трубах. Ланкаширские котлы по внешнему виду ничем не отличались от корнваллийских, только имели барабан большого диаметра (до 2400 мм) и две топки в жаровых трубах, которые выполнялись меньшего диаметра. Давление в котлах поддерживали не выше 1–1,2 МПа. Производительность колебалась от 0,3 до 3 т/ч.

Рис. 4.15. Газотрубный котел паровоза

Для знаменитого паровоза «Ракета» Джорджа Стефенсона нужен был малогабаритный котёл со значительной производительностью, и такой котёл был спроектирован Бутом. Этот тип котла стали называть газотрубным котлом с дымогарными трубами (рис. 4.14, г). В барабане этого котла вместо жаровых труб большого диаметра устанавливалась целая система трубок, по которой проходили дымовые газы 1. Трубки находились в водяном объёме барабана. Топка 2 размещалась под котлом или вне его.

Такой тип газотрубного котла получил широкое распространение на железнодорожном транспорте (рис. 4.15).

Дымогарные трубы 1 паровозного котла своими концами ввальцовывались в заднюю стену топки и являлись первым и последним газоходами котла. Топочные газы на выходе из дымогарных труб отводились в дымовую коробку 2, не омывая наружные стенки барабана, а затем в дымовую трубу. Котёл был малогабаритным, без обмуровки и настолько удачным, что применялся в паровозах вплоть до замены их с середины XX века электровозами и дизель-поездами.

Основным недостатком котлов с дымогарными трубами являются тяжёлые температурные условия работы обращённой в топку входной трубной доски с трубами. Для устранения этого недостатка появились комбинированные котлы. Наибольшее распространение среди них получила комбинация ланкаширского или корнваллийского котла с расположенным над ним котлом с дымогарными трубами. К группе комбинированных котлов относятся котлы системы Менье, Фербера, Тишбейна и др. Котлы системы Менье выпускались на Украине Сумским машиностроительным заводом с поверхностями нагрева от 150 до 300 м 2 и паропроизводительностью 10–12 кг/м 2 · ч, а котлы системы Фербера – на Луганском машиностроительном заводе.

Появление комбинированных котлов в промышленности диктовалось стремлением получить простые и недорогие котлы с большим объёмом воды, обладающие всеми положительными качествами иных используемых котлов.

Дальнейшее развитие силовых станций поставило перед промышленностью задачу повысить производительность котлов и давление пара. К 1860 году была доказана целесообразность применения перегрева пара для паровых машин. И на котлах стали устанавливать пароперегреватели. Вначале применялся небольшой перегрев пара, и только применение на паровых машинах минеральных смазочных масел (середина ХIХ века) позволило повысить перегрев пара до 360–375 o С.