Паровой котёл

Паровой котёл - устройство, используемое для создания пара путём нагрева воды за счёт тепловой энергии сжигаемого топлива. Представляет собой закрытый сосуд высокого давления или систему напорных трубопроводов, которая используется для получения водяного пара с давлением выше атмосферного.

Котельное отделение HMAS Australia

Содержание

1 Общие сведения
2 История появления
3 Особенности конструкции
4 Классификации
5 Сравнительные характеристики
6 См. также
7 Примечания
8 Использованная литература и источники
- 8.1 Список литературы
- 8.2 Ссылки
9 Галерея изображений

Общие сведения

Паровой котёл является неотъемлемым компонентом паровой силовой установки. Он включает в себя топку для сжигания топлива и резервуар или систему трубопроводов для нагреваемой воды. Вырабатываемое тепло передаётся воде, которая испаряется в виде пара в процессе кипения. Чем выше температура сгорания топлива, тем больше производство пара. Полученный таким образом насыщенный пар может быть либо немедленно использован для производства энергии через паровую машину или турбину, либо может быть дополнительно нагрет до более высокой температуры; это заметно снижает содержание взвешенной воды, заставляя данный объем пара производить больше работы. Любое остаточное тепло в дымовых газах может быть либо отведено, либо пропущено через экономайзер, роль которого заключается в подогреве питательной воды до того, как она попадёт в котёл.

История появления

Атмосферная паровая машина Ньюкомена

Первые паровые машины не имели отдельных котлов, нагрев воды в них производился непосредственно в цилиндрах, которые поднимались под давлением пара, после чего он стравливался и цилиндры опускались. Отдельные котлы появились в XVIII веке, что значительно повысило эффективность машин, так как пар в них мог вырабатываться непрерывно, а его давление могло достигать более высоких величин. Паровые котлы Ричарда Тревитика (англ. Richard Trevithick) вырабатывали пар давлением 2,7 — 3,4 атм., имели достаточную мощность и экономичность, что позволило использовать паровые двигатели на паровозах и первых паровых судах.

Появление паровых двигателей на море совершило настоящую техническую революцию, в результате которой парусные корабли были вытеснены паровыми. Если в 1860 году 60 линейных парусных кораблей составляли ядро британского военного флота, то всего 10 лет спустя в строю не оставалось ни одного из них. Развитие кораблестроения дало мощный импульс для совершенствования паровых силовых установок. Появление котлов с перегретым паром позволило повысить эффективность их работы, хотя и усложнило общую конструкцию. Добиться более высокой экономичности позволили котлы, работающие на жидком топливе: нефти и мазуте. Постепенно они вытеснили котлы, использовавшие в качестве топлива уголь, но даже с появлением паровых турбин применение котлов оставалось актуальным. В середине XX века появились ядерные силовые установки, в которых для нагрева используется ядерная реакция, а в качестве теплоносителя пар расплавленный металл или иное вещество.

Особенности конструкции

Ранние конструкции

Первые котлы, использовавшиеся в пароатмосферных машинах^[1] имели небольшие размеры и их выходное давление не превышало 1 атм. Конструктивно они представляли собой плоскую ёмкость с водой, под которой на колосниковой решётке сжигался уголь. Поверхность нагрева у них была невелика, а потери на нагрев окружающей среды очень большими, что не позволяло создать машины мощностью более 10л.с.. Незначительно улучшить характеристики позволили котлы, у которых поверхность нагрева была увеличена за счёт того, что газы нагревали стенки котла, проходя через лабиринтный дымоход.

Прямоугольные котлы

Котёл Хубера

Прямоугольные котлы вагонного типа нагревали как нижнюю часть ёмкости с водой, так и центральную через прямоугольный дымоход и стенки через дополнительные каналы отвода дыма. Такая конструкция называлась пролётной и котлы данного типа устанавливались, в частности, на первый британский броненосец HMS Warrior. Пролётные котлы подразделялись на корноваллийские с одной топкой и ланкаширские с двумя.

Цилиндрические котлы

Первые котлы цилиндрической формы были разработаны независимо друг от друга британским инженером Джоном Блейки (англ. John Blakey) и американцем Оливером Эвансом (англ. Oliver Evans) в 1774 году. Котёл Эванса представлял собой горизонтально вытянутый цилиндр из кованого железа, в который была встроена единственная жаровая труба с топкой. Разогретые продукты горения направлялись в дымоход под стволом котла, затем разделялись, возвращались через боковые дымоходы, и проходили через второй центральный канал. На кораблях цилиндрические котлы стали появляться в 1870 годах и со временем полностью вытеснили прямоугольные.

Огнетрубные котлы

Огнетрубный котёл с перегревом

Огнетрубный или локомотивный котёл имел сходную с котлом Эванса конструкцию и состоял из цилиндрического резервуара для воды, через который проходила главная дымовая труба. На противоположном от топки конце труба соединялась с несколькими возвратными трубами меньшего диаметра, проходящими снаружи и затем проходящими через воду в третий раз уже под ёмкостью. Такие котлы получили название трёхходовых. Позже трёхходовые получили вторую независимую топку, что позволило использовать обе топки независимо друг от друга и проводить обслуживание одной из них, пока вторая находилась в работе.

В 1828 году француз Марк Сеген (фр. Marc Seguin) разработал двухходовый котёл, в котором второй ход горячих газов проходил через пучок трубок небольшого диаметра. Благодаря этому значительно возросла площадь теплообмена и такие конструкции стали массово применяться на паровых судах. Эти котлы получили наименование «судовые котлы Скотч»(англ. Scotch marine boiler) и представляли собой горизонтальный цилиндр с одной или несколькими топками. Раскалённые продукты сгорания проходили в заднюю часть котла, а затем возвращались по маленьким трубкам вверх к дымовой коробке и далее отводились наружу.

«Судовые котлы Скотч» получили наибольшее распространение в период расцвета паровых машин, особенно с появлением паровых машин тройного расширения. При этом число котлов на крупных кораблях могло достигать нескольких десятков, что требовало увеличенных размеров котельных отделений. «Судовые котлы Скотч» с жидким топливом применяются на кораблях вплоть до настоящего времени.

Водотрубные котлы

Водотрубный котёл Thornycroft

Водотрубный котёл, впервые построенный англичанином Голдсуорти Герни (англ. Goldsworthy Gurney) в конце 1820-х годов, представляет собой тип котла, в котором вода циркулирует в трубках, нагреваемых в топке, то есть имеет противоположную конструкцию по сравнению с огнетрубным. Нагретый насыщенный пар поступает в барабан и отбирается из его верхней части. Капли воды скапливаются в нижней части барабана и затем отводятся через трубы, которые попутно нагревают питательную воду. Водотрубные котлы позволяют вырабатывать пар давлением выше 20 атм., а вероятность их взрыва значительно меньше, так как в них находится сравнительно небольшое количество воды.

Для разделения газообразной и жидкой фаз использовали трёхколлекторные котлы, появившиеся в конце XIX века. У них в нижней части находились ёмкости с питательной водой, пар из которых поступал наверх, в отдельный коллектор, где происходило дополнительное осушение пара. В Великобритании трёхколлекторные котлы, вырабатывавшие перегретый пар, получили название адмиралтейских.

Способность работать при более высоких давлениях привела к тому, что примерно с 1900 года на кораблях стали использоваться только водотрубные котлы, а некоторое время спустя жидкое топливо (мазут, сырая нефть) вместо угля. Дополнительный импульс к развитию этой технологии стало появление турбин. Водотрубные котлы могут вырабатывать пар сверхкритического давления, которое может превышать 200 атм.

Увеличение эффективности работы

Водотрубный котёл Yarrow

Повышения эффективности отдачи котлов удалось достичь благодаря повышению давления воздуха в топках. Это достигалось тремя разными способами. Наиболее простым было увеличение тяги благодаря установке более высокой дымовой трубы, благодаря чему скорость истечения горячих газов повышалась и создавалось избыточное давление. Второй вариант предусматривал использование струи пара, которая через эжектор подается в топку и создаёт там повышенное давление. Наиболее эффективным и распространённым на кораблях стал третий способ, который заключался в создании избыточного давления за счёт установки вытяжных вентиляторов в дымовой трубе или всасывающего вентилятора, создающего избыточное давление в котельном отделении.

При выработке пара необходимо обеспечить как можно более полную передачу тепла от источника к воде. Вода заключена в ограниченном пространстве, а образующийся пар имеет меньшую плотность, чем вода, поэтому будет скапливаться в наивысшей точке котла, а его температура останется на уровне точки кипения и будет в дальнейшем увеличиваться только по мере увеличения давления. Пар в состоянии равновесия с испаряющейся водой называется насыщенным и при атмосферном давлении имеет температуру 100 °C. Насыщенный пар может содержать капли воды, которые снижают его эффективность. Если продолжать нагревать насыщенный пар, он переходит в перегретое состояние, когда его температура превышает температуру кипения в 100 °C и образования капель при этом не происходит. Использование перегретого пара позволяет повысить мощность паровых машин, но связано с необходимостью применения более прочных конструкций. При использовании паровых турбин их питание возможно только перегретым паром, так как капли воды могут повредить лопатки турбины.

Котлы на ядерном топливе

При делении ядер выделяется тепловая энергия, которая может использоваться для нагрева. Этот принцип положен в основу атомных силовых установок. В реакторе происходит деление ядер расщепляющихся элементов (атомного горючего), выделяющееся тепло отводится теплоносителем в теплообменник, где происходит нагрев воды и выработка пара. В качестве теплоносителя, циркулирующего по замкнутому циклу, используется вода, металлы в жидком состоянии, органические вещества или газ.

Классификации

Огнетрубный котёл

Паровые котлы классифицируются по нескольким признакам:

по форме:
- прямоугольные;
- цилиндрические;
по относительному движению продуктов сгорания и теплоносителя:
- котлы с кожухом;
- огнетрубные;
- водотрубные барабанные;
- водотрубные прямоточные;
по типу используемого топлива:
- твердотопливные;
- жидкостные;
- газовые;
- смешанные.

Помимо основных, существуют и иные классификации котлов. В некоторых случаях указывается производитель: Fairbairn-Beeley, Babcock & Wilcox, Yarrow, White-Forster, Thornycroft и так далее.

Сравнительные характеристики

Сравнение характеристик паровых котлов.
Корабль	Год спуска на воду	Водоизмещение, т	Индикаторная мощность, л. с.	Максимальная скорость, уз.	Количество и тип котлов	Давление пара, атм.	Топливо	Выработка пара кг/л. с.•час	Расход топлива кг/л. с.•час
HMS Warrior Великобритания	1860	9 358	5 772	17,5	10 × прямоугольных	1,48	уголь	—	2,72
«Адмирал Чичагов» Россия	1865	3 505	2 060	10,47	4 × прямоугольных	1,76	уголь	—	—
HMS Devastation Великобритания	1871	9 330	6 637	13,84	8 × прямоугольных	2,04	уголь	—	1,31
Colbert Франция	1875	8 617	4 882	14,47	8 × огнетрубных	3,45	уголь	—	1,219
HMS Ajax Великобритания	1880	8 650	6 000	13,0	10 × огнетрубных	4,2	уголь	—	—
«Екатерина II» Россия	1886	11 579	9 101	15,25	14 × огнетрубных	6,3	уголь	—	—
SMS Brandenburg Германская империя	1890	10 670	9 900	16,5	12 × огнетрубных	6,8	уголь	—	—
USS Brooklyn США	1895	10 229	18 769	20,0	12 × огнетрубных	4,5	уголь	—	—
«Новик» Россия	1900	3 080	17 789	25,08	12 × водотрубных	—	уголь	—	0,987
SMS Deutschland Германская империя	1904	13 191	16 990	18,6	12 × водотрубных	—	уголь	—	—
Dante Alighieri Италия	1910	19 866	23 825	23	23 × водотрубных	—	уголь+нефть	—	—
SMS Bayern Германская империя	1915	28 530	52 815	22,3	14 × водотрубных	—	уголь+нефть	7,5	—
IJN Ōi Япония	1920	5 330	90 000	36,0	14 × водотрубных	—	нефть	—	—
USS Lexington США	1925	37 000	202 973	33,25	16 × водотрубных	21,5	нефть	6,9	0,6
Algérie Франция	1932	10 950	82 850	31	6 × водотрубных	26,1	нефть	—	15,6
HMS Greyhound Великобритания	1935	1 370	34 000	35,5	3 × водотрубных	—	нефть	—	—
IJN Hamakaze Япония	1940	2 530	52 000	35,0	3 × водотрубных	—	нефть	—	—
HMS Eagle Великобритания	1946	37 400	156 630	31,0	8 × водотрубных	—	нефть	—	—
«Адмирал Ушаков» СССР	1952	16 600	124 100	32,0	6 × водотрубных	24,2	нефть	—	—
«Ленин» СССР	1957	16 000	44 000	18,0	2 × атомных реактора	28,0	уран	—	—