4.3. Парові котли

Промислове застосування водяної пари в парових машинах почалося на межі XVII– XVIII століть і було викликане швидким розвитком гірничозаводської і вугледобувної промисловості в Англії та в інших країнах.

Вже в роботах вчених – італійця Дж. Делла Порту (1601), француза Соломона де Ко (1615) і англійця Вустера (1663) – згадується паровий котел як окремий агрегат для отримання пари. У 1698 році англійський винахідник Т. Севері запатентував свій паровий насос, в якому паровий котел було відокремлено від робочої камери. Одним з перших «справжніх» парових котлів вважається котел, запропонований французьким інженером Д. Папеном для парової машини.

У перших парових котлах використовувалася пара атмосферного тиску. Їх прототипами були конструкції котлів, в яких варять їжу, звідси і виник термін «котел», який зберігся до наших днів.

Мал. 4.13. Котел НьюкоменаПерші котли мали форму кулі, з увігнутим у вигляді купола днищем, під яким розміщувалася топка. Такого типу котли були побудовані Ползуновим, Ньюкоменом (мал. 4.13) та іншими винахідниками того часу. У міру зростання потужності парових машин мідь замінили чавуном і лише наприкінці XVIII століття котли почали виготовлятися із сталевих листів.

Дені Папен (1647–1714) – французький фізик. У 1673–1674 рр. в Парижі брав участь в дослідах з визначення залежності температури кипіння води від тиску. У 1684 р. в Лондоні став «куратором експериментів» при Лондонському королівському товаристві. З 1688 р. професор математики Марбурзького університету. У 1680 р. винайшов паровий котел із запобіжним клапаном, який не тільки оберігав установку від вибуху, але й дозволяв з великою точністю регулювати температуру кипіння води. Цей винахід приніс Папену велику популярність, пошану і авторитет. Він був обраний членом Королівського товариства. У 1690 р. описав замкнений термодинамічний цикл парового двигуна, але створити двигун не зміг.

 Мал. 4.14. Розвиток горизонтально циліндричних котлів: а – циліндричний котел; б – батарейний; в – жаротрубний; г – газотрубний

Підвищення продуктивності парових машин, застосування пари підвищених параметрів змусили винахідників перейти від кулястої форми котла до циліндричної. Збільшення довжини циліндра дало можливість підвищити продуктивність котла.

Так виникли циліндричні котли, які виготовлялися з поверхнею нагріву до 30 м2 і продуктивністю від 0,2 до 0,5 т/год при тиску до 1 МПа.

Циліндричний котел (мал. 4.14, а) був клепаним циліндром 1 діаметром 0,9–1,5 м, завдовжки до 10–12 м з еліптичними днищами. Котел розміщувався в цегляній кладці й мав топку 2 з колосниковою решіткою. У верхній частині барабана розташовувався сухопарник 3, призначений для відділення крапель води від пари.

Для збільшення поверхні нагріву і поліпшення використання теплоти палива циліндричні котли почали групувати у секції, до яких входило декілька барабанів меншого діаметру. Так з'явилися батарейні котли (мал. 4.14, б, стрілками показано хід димових газів). Батарейні котли будувалися з поверхнею нагріву до 180 м2 і призначалися для вироблення пари невисокого тиску, були прості у виготовленні, надійні в роботі, але дуже громіздкі.

Мал. 4.15. Газотрубний котел паровозаДля підвищення продуктивності циліндричного котла без збільшення його габаритів усередині водяного об'єму уздовж всього барабана встановлюють одну, дві або три жарові труби, що з'єднуються своїми кінцями з днищами котла, утворюючи наскрізні отвори в барабані (мал. 4.14, в). У жарових трубах 1, що виконують роль перших газоходів, в передній частині розміщують топку з колосниковою решіткою 2. Для спалювання дров і торфу топка розміщується перед котлом. Такі котли були запропоновані Евансом в Америці ще у 1789 році. В Англії вони з'явилися близько 1815 року, коли Тревітік застосував їх на копальнях Корнуельса (Корнвалліси), звідси пішла їх назва – «корнваллійські котли». Ці котли мали одну жарову трубу. У 1845 році в Ланкаширі (Англія) Фербері застосував котли з двома жаровими трубами, які стали називатися «ланкаширськими котлами».

Пройшовши жарову трубу, димові гази рухалися одночасно з боків котла і під ним, а потім зверху барабана і залишали котел значно охолодженими. Котли випускалися з гладкими і хвилястими жаровими трубами. Останні краще сприймали термічні деформації. Корнваллійські котли будувалися з поверхнею нагріву від 20 до 70 м2, діаметр барабана становив від 1170 до 1900 мм, діаметр жарової труби коливався від 630 до 1005 мм при хвилястих трубах. Ланкаширські котли на вигляд нічим не відрізнялися від корнваллійських, тільки мали барабан більшого діаметра (до 2400 мм) і дві топки в жарових трубах, які виконувалися меншим діаметром. Тиск в котлах підтримували не вище 1–1,2 МПа. Продуктивність коливалася від 0,3 до 3 т/год.

Знаменитому паровозу «Ракета» Джорджа Стефенсона був потрібен малогабаритний котел із великою продуктивністю, і такий котел був спроектований Бутом. Цей тип котла почали називати газотрубним котлом з димогарними трубами (мал. 4.14, г). У барабані цього котла замість жарових труб великого діаметра встановлювалася ціла система трубок, якою проходили димові гази 1. Трубки знаходилися у водяному об'ємі барабана. Топка 2 розміщувалася під котлом або зовні його.

Такий тип газотрубного котла набув великого поширення на залізничному транспорті (мал. 4.15).

Димогарні труби 1 паровозного котла своїми кінцями вальцювалися в задню стіну топки і були першим та останнім газоходами котла. Топкові гази на виході з димогарних труб відводилися в димову коробку 2, не омиваючи зовнішні стінки барабана, а потім в димову трубу. Котел був малогабаритним, без обмурівки і настільки вдалим, що застосовувався в паровозах аж до заміни їх із середини XX століття електровозами і дизель-поїздами.

Основним недоліком котлів з димогарними трубами є важкі температурні умови роботи повернутої в топку вхідної трубної дошки з трубами. Для усунення цього недоліку з'явилися комбіновані котли. Найбільше поширення серед них набула комбінація ланкаширського або корнваллійського котла з розташованим над ним котлом з димогарними трубами. До групи комбінованих котлів відносяться котли системи Меньє, Фербера, Тішбейна та інші. Котли системи Меньє випускалися в Україні Сумським машинобудівним заводом з поверхнями нагріву від 150 до 300 м2 і паропродуктивністю 10–12 кг/м2·год, а котли системи Фербера – на Луганському машинобудівному заводі.

Поява комбінованих котлів в промисловості диктувалася прагненням отримати прості й недорогі котли з великим об'ємом води, які мають усі позитивні якості інших котлів, що використовуються.

Подальший розвиток силових станцій поставив перед промисловістю задачу підвищити продуктивність котлів і тиск пари. До 1860 року була доведена доцільність застосування перегріву пари для парових машин. І на котлах почали встановлювати пароперегрівники. Спочатку застосовувався невеликий перегрів пари, і лише застосування на парових машинах мінеральних мастил (середина ХIХ століття) дозволило підвищити перегрів пари до 360–375 °C.