История развития паровых котлов

История развития паровых котлов.

 

Паровой котел – устройство, имеющее топку, обогреваемое газообразными продуктами сжигаемого в топке органического топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства. Рабочим телом подавляющего большинства паровых котлов, является вода.

Упоминания о паровом котле  как о парогенераторе, отделённом от топки, встречаются в работах учёных: итальянца Дж. делла Порта (1601), француза С. де Ко (1615), англичанина Э. С. Вустера (1663). Однако, промышленное применение парового котла началось на рубеже XVII и XVIII вв. в связи с бурным развитием горнозаводской и угледобывающей промышленности. Ранние конструкции паровых котлов по форме напоминали шар или же котлы для варки пищи, сначала их изготовляли из меди, а затем из чугуна. Одним из первых «настоящих» паровых котлов считают котёл Д. Папена, предложенный им в 1680.

Конструкции современных паровых  котлов сложились в процессе изменения  конструктивных форм выпускавшегося до 2-й половины XIX в. простейшего цилиндрического парового котла, паропроизводительностью 0,4 т/ч; поверхность нагрева этого котла не превышала 25 м², давление пара 1 Мн/м² (10 кгс/см²), а КПД 30%. Развитие паровых котлов шло по двум направлениям: увеличения числа потоков газов (газотрубные котлы) и увеличения числа потоков воды и пара (водотрубные котлы). Первые газотрубные паровые котлы представляли собой цилиндрические сосуды, в которые первоначально вставляли 1, 2 или 3 трубы большого диаметра (жаровые трубы), а впоследствии десятки труб значительно меньшего диаметра (дымогарные трубы), по которым проходил газ. Увеличение поверхности нагрева газотрубных паровых котлов происходило в габаритах первоначального цилиндрического котла или даже в меньших габаритах. Следствием этого явились некоторое повышение паропроизводительности котла (при незначительном увеличении суммарной массы), а также улучшение передачи тепла от дымовых газов к поверхности нагрева, приводившее к снижению температуры газов на выходе из парового котла, то есть к повышению КПД.

Газотрубные паровые котлы отличались от цилиндрических относительно малыми размерами и высоким КПД (60%), однако паропроизводительность их, ограничиваемая габаритами, не превышала нескольких т/ч, а конструкционные особенности ограничивали давление пара в котле 1,5—1,8 Мн/м². Поэтому газотрубные паровые котлы сохранились только на транспортных установках (паровозы, пароходы), а из стационарных установок они полностью вытеснены водотрубными котлами.

Создание водотрубных паровых котлов шло путём увеличения числа цилиндров, составлявших котёл, сначала до 3—9 относительно больших диаметров (батарейные котлы), а затем до десятков и сотен цилиндров небольших диаметров, превратившихся в кипятильные, а в дальнейшем и в экранные трубы.

Увеличение поверхности нагрева  водотрубных паровых котлов сопровождалось увеличением их габаритов, и в  первую очередь высоты, но вместе с  тем во много раз возрастала паропроизводительность, уменьшался удельный расход металла, всё  больше повышались параметры пара и КПД.

Со 2-й половины XIX в. выпускались камерные и секционные горизонтально-водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией, у которых кипятильные трубы были расположены с наклоном в 10—12° к горизонту. Камерный паровой котел состоял из одного или нескольких барабанов, подсоединённых к ним сборных камер и пучков кипятильных труб, ввальцованных в камеры. Его поверхность нагрева 350 м², паропроизводительность 10 т/ч при давлении 1,5 Мн/м². Замена плоских камер отдельными секциями, в которые ввальцовывали по одному ряду труб, позволила повысить давление пара, а с увеличением числа секций, из которых собирался котёл, поверхность нагрева достигла 1400 м².

В 1893 русский инженер  В. Г. Шухов создал водотрубный паровой котел, который состоял из продольного барабана и трубчатых батарей, представляющих собой 2 пучка труб, ввальцованных в плоские стенки коротких цилиндрических камер; в зависимости от числа батарей (от 1 до 5) поверхность нагрева котла могла изменяться от 62 до 310 м², а паропроизводительность от 1 до 7 т/ч при давлении пара до 1,3 Мн/м². Конструкцией котла Шухова была разрешена задача унификации отдельных элементов и их размеров.

В начале XX в. появились вертикально-водотрубные котлы, которые за очень короткое время были доведены до высокой степени совершенства. В 1913 паропроизводительность этих котлов не превышала 15 т/ч, а давление пара 1,8 Мн/м², к 1974 в СССР паропроизводительность их достигла 2500 т/ч при давлении 24 Мн/м², а в США 4400 т/ч при том же давлении. Вначале вертикально-водотрубные паровые котлы состояли из одного верхнего и одного нижнего барабанов, соединённых пучком прямых труб. Но уже в 20-х гг. XX в. они были полностью вытеснены более надёжными котлами с изогнутыми трубами. Типовой конструкцией в этой группе паровых котлов являлся трёхбарабанный котёлЛенинградского металлического завода (ЛМЗ), выпускавшийся в 30-х гг. XX в. Поверхность нагрева этих котлов была от 650 до 2500 м², паропроизводительность от 50 до 180 т/ч. Паровой котел был оборудован камерной топкой для сжигания угольной пыли. 

Пылеугольные топки  внедрявшиеся в те же годы, очень  быстро получили чрезвычайно широкое  распространение и, с одной стороны, сильно повлияли на развитие конструкций  паровых котлов, значительно повысив  их паропроизводительность, а с другой — позволили весьма эффективно использовать любые низкосортные местные угли. 

Внедрение камерных топок  привело к созданию топочных экранов, которые представляют собойиспарительные трубы, расположенные на стенах топочной камеры. Первоначально экраны закрывали только часть стен и предназначались для защиты обмуровки от непосредственного воздействия пламени, которое приводило к шлакованию топки и разрушению обмуровки.

остепенно экраны стали  закрывать всё большую часть  стен топок, а современные паровые котлы имеют полностью экранированные топки. Экраны, воспринимающие тепло, излучаемое пламенем и горячими дымовыми газами (радиационные поверхности нагрева), работают более интенсивно, чем кипятильные трубы, находящиеся в зоне более низких температур (конвективные поверхности нагрева). Поэтому поверхность нагрева экранированных котлов значительно меньше, чем у неэкранированных такой же паропроизводительности; в котлах со сплошным экранированием топочной камеры, называемых радиационными котлами, кипятильный пучок почти отсутствует. В 30-е гг. в СССР Л. К. Рамзиным были сконструированы водотрубные котлы с принудительной циркуляцией (прямоточный котёл).