Вопросы для самопроверки

1) Какой смысл вкладывается в понятие «универсальный» двигатель?

2) Почему водяной двигатель не отвечает требованию универсальности (применимости для разнообразных нужд промышленности с малой зависимостью от местных условий)?

3) Какие три основные явления, установленные на практике, легли в основу создания теплового двигателя?

4) Какому этапу перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике соответствуют рудничные и шахтные водоподъемные установки на базе теплового двигателя?

5) Какими основными чертами характеризуется паровой поршневой двигатель?

6) Чем отличался паровой двигатель Уатта от других паровых поршневых двигателей?

Лекция 9. Тема: Паровой котел

В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин «котел».

Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение паропроизводительности – количества пара, производимого котлом в час.

Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [2].

Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [3].

Появление паровых машин обусловило возникновение такой но­вой и самостоятельной отрасли теплоэнергетики как котлостроение. Прототипами для котлов паровых машин атмосферного типа, применявшихся до XIX века, служил обычный варочный котёл – отсюда пошло их название. Совершенствование паровой машины требовало повышения давления пара и увеличения паропроизводительности котлов. Эти требования представлялись противоречивы­ми. Для увеличения давления наиболее приемлемой является форма шара, но при этом наружная поверхность минимальна, следователь­но, удельная паропроизводительность такого котла минимальна – приходилось ставить на одну паровую машину по два–три и более котлов, что было, конечно, крайне неудобно.

Напрашивалось – отступить от шарообразной формы и перейти к следующей по прочности после шара форме – цилиндрической. Она позволяла, увеличивая длину цилиндра, относительно просто увеличивать паропроизводительность. Для того чтобы отступить от «классической формы котла необходима была смелость и решитель­ность. Первым здесь оказался наиболее последовательный привер­женец высокого давления в паровой машине американец О. Эванс. В 1801 г он построил паросиловую установку, в которой первым применил цилиндрический котёл с встроенной внутри, тоже цилин­дрической, топкой (см. рис.1, Б). На таком котле было получено небывалое для того времени давление, порядка 0,8 МПа. Это случи­лось в ту пору, когда 0,4 МПа считалось высоким давлением. Далее топку стали располагать перед цилиндрической частью котла, через которую пропускали по трубе дымовые газы – корривалийский котёл (названный по месту первого применения). Для сокращения длины цилиндрической части котла число труб увеличили, сначала до двух (ланкаширский котёл), потом труб стали ставить много, их называли жаровые, а сами котлы жаротрубными или дымогарными (см. рис. 1.5, В). На судах широко применение получили жаротрубные котлы, в которых поток дымовых газов, дойдя до задней стенки цилиндра, разворачивался на 180° и отводился со стороны топки (шотландский котёл). Число конструктивных решений множилось, росла производительность, повышалась надёжность котлов, накап­ливался опыт, но периодически котлы взрывались. Это стало на­стоящим проклятьем XIX века.

Рис. 1.5. Эволюция парового котла

А – шарообразный;Б, В –жаротрубные;Г, Д–водотрубные;Е –прямоточный. 1– паровой объём, 2– водяной объем, 3– топка, 4– жаровые трубы, 5 – парогенерирующие трубы, 6 – паросепаратор.

В приключенческой литературе той эпохи часто фигурирует ма­нометр с красной чертой, за которую нельзя заходить стрелке, ука­зывающей давление пара, а взрыв парового котла становится пово­ротным моментом развития сюжета. Однако котлы взрывались и при давлениях ниже «красной черты». Для современников это оставалось загадкой. Для нас загадкой является другое, как вообще можно было строить паровые котлы при практически полном отсут­ствии знаний о внутрикотловых процессах (теплообмене, испарении и генерации пара, внутрикотловой циркуляции, паросепарации и многом другом). Так, через ошибки и многочисленные жертвы, в теплоэнергетике начинался неудержимый процесс технического развития, который только спустя столетие привёл к образованию более или менее завершенных теорий.

Поскольку цилиндрические котлы иногда, и не всегда предсказуе­мо, взрывались, логичен был следующий шаг – вообще отказаться от цилиндрической ёмкости, как объёма для генерации пара. Иначе – разбить цилиндр на множество параллельных цилиндров малого диа­метра, т. е. труб, поместив их в топку. Такие котлы получили назва­ние водотрубных. Сначала трубы располагали горизонтально, потом с небольшим наклоном, что облегчало выход пара; трубы объединя­лись коллекторами, а наверху ставили паросепаратор (см. рис. 1.5, Г). Скоро убедились, что если трубы располагать вертикально, то котлы работают лучше (см. рис. 1.5, Д). Понимание связи данного явления с закономерностями развития циркуляции в парогенерирующих кана­лах пришло много позже, а пока был положительный эффект и его на­до было использовать. Трубы выдерживали значительное внутренне давление, так открывался путь увеличения давления пара до десятков, а позже и до сотен атмосфер. Взрывы таких котлов случались крайне редко. Правда, теперь столкнулись с новым злом, а именно: прогора­нием отдельных труб. Но последствия бывали не столь опасными как при взрывах: падало давления, а после остановки котла из его топки выгребали дробь из металла расплавившихся трубок – всего-то (по­тому художественная литература данный тип аварий практически проигнорировала).

Вертикальные и горизонтальные водотрубные котлы получают всеобщее признание, конструкция их к середине ХIХ в. достигает достаточного совершенства. Лучшие из котлов получили широкое распространение и мировую известность: котёл фирмы Бабкок-Вилъкокс, котлы конструкции Стирлинга, котлы Шухова, котлы Гарбе и др. К концу века максимальная паропроизводительность котлов возросла до 20 т/ч, давление до 1,3... 1,5 МПа. Некоторые техниче­ские решения той эпохи сохраняют актуальность и в наши дни.

Казалось бы, что следующим логичным шагом в котлостроении должен стать переход к прямоточной конструкции (см. рис. 1.5, Е), Подобные конструкции появились. Так в Барнауле наш соотечест­венник С. В. Литвинов разработал ещё в 1824 г оригинальный про­ект паросиловой установки высокого давления с прямоточным кот­лом. Однако тепловые процессы в прямоточных котлах много слож­нее и их внедрение пришлось отложить на добрую сотню лет.

На примерах парохода и паровоза мы уже могли убедиться, что с первых шагов широкомасштабное внедрение паросиловых устано­вок началась их специализация. Аналогичный процесс шёл и в про­мышленности. Получили дальнейшее развитие паросиловые водо­подъёмные установки. Об их размерах можно судить по ставшей знаменитой огромной установке для осушения Гарлемского залива в Голландии. Диаметр цилиндра данной установки был 3,66 м, ход поршня составлял 3,45 м, а наибольшая высота подъёма воды дос­тигала 650 м. Совершенствовались шахтные паросиловые подъём­ные установки. Развивались паросиловые воздуходувки в металлур­гии; паровые молоты в кузнечном деле, паровые приводы прокат­ных станов и целый ряд других промышленных установок, основой которых являлась паровая машина.

Самостоятельное направление составили передвижные пароси­ловые установки – локомобили. Их сооружение началось с 20-х го­дов XIX в., однако широкое распространение они получили только во второй половине века. Паросиловые установки локомобилей обычно имели мощность 4... 12 л. с, давление пара 0,3...0,4 МПа и были для своего времени весьма быстроходными. Их применяли для привода различных механизмов, в частности, в сельском хозяй­стве. Обычно локомобили были самоходными, имели съёмный при­вод от паровой машины к колёсам.

Развитие паровых машин шло по пути повышения давления па­ра. С середины XIX в. стали применять перегретый пар и последо­вательное расширение пара в нескольких цилиндрах. Сложились два типа компоновки цилиндров: компаунд-машина и тендем-машина, они показаны на рис. 1.6.

В компаунд-машине поршни цилиндров высокого (ЦВД) и низ­кого давления (ЦНД) независимо воздействуют на коленчатый вал (КВ), в тендем-машине поршни находятся на общем штоке. Распределение мощности на ряд цилиндров оказалось полезным для ма­шин высокого давления, т. к. способствовало уменьшению теплооб­мена между паром и стенками цилиндров, позволяло каждому ци­линдру работать в наиболее оптимальном режиме, способствовало лучшей динамике двигателя, уравновешиванию масс и, как следст­вие, позволяло увеличить скорость вращения.

Рис. 1.6. Типы компоновки цилиндров паровых машин двойного расширения

а – подвод пара к ЦВД: б – перепуск пара в ЦНД; в– выхлоп пара в конденсатор.

Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар – наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра – следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. Эванс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году Литвинов С.В. в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.

Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов: дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.

Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4мм позволяют выдерживать очень высокое давление [3]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер – так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.

В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время.

К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м² и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.