ВОДЯНОЙ ПАР

2. ТИПЫ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Паровые котлы — это устройства для получения водя­ного пара с определенным рабочим давлением. Совре­менные паровые котлы появились не сразу, они совершен­ствовались постепенно и долго.

Первый паровой котел, нашедший практическое при­менение, изобретен в 1680 г. французским врачом Дени Папйном (рис. 2, а). Из рис. 2, а видно, что этот котел имел форму вертикального цилиндра с массивной крыш­кой, прикрепляемой к котлу при помощи натяжной скобы. Папйн изобрел и снабдил свой котел предохранительным клапаном, который применяется и в настоящее время. Устройство клапана видно из рис. 2, а: к концу рычага подвешен груз, между грузом и точкой опоры помещен клапан, на который опирается рычаг. Пар своим давле­нием стремится приподнять клапан, чему противодей­ствует вес груза. Клапан рассчитан так, что когда давле­ние пара слишком велико (опасно), то клапан приподни­мается, часть пара выпускается и давление понижается. Предохранительный клапан служил также и указателем

Величины давления пара, так как других измерительных приборов в то время еще не было.

Паровые котлы более позднего периода (XVIII век), вырабатывавшие пар для изобретенных тогда паровых машин, имели полушаровое верхнее днище (рис. 2, б) и вогнутое нижнее, которые лучше, чем плоские, сопро­тивлялись давлению пара. Эти котлы достигали огром­ных размеров: высота и диаметр свыше 3-х метров. Но несмотря на это они давали мало пара.

Большим шагом вперед были так называемые сундуч­ные котлы с полуцилиндрической верхней и вогнутыми боковыми стенками и вогнутым днищем (рис. 2, в). Такие котлы предложены в конце XVIII века известным изобре­тателем паровой машины Д. Уаттом. Они были значи­тельно проще в изготовлении и имели большую обогре­ваемую поверхность (поверхность нагрева). Од­нако они имели существенный недостаток: почти плоские боковые стенки не выдерживали высокого давления пара. Поэтому их приходилось укреплять связями, загромож­давшими котел внутри.

Первым котлом, пригодным для получения пара до­статочно высокого давления и удобным для обслуживания, был котел (рис. 2, г), состоящий из цилиндрического ба­рабана, склепанного из нескольких звеньев. Недостатки цилиндрического котла — громоздкость (длина до 20 мет­ров); на изготовление требовалось много металла; поверх­ность нагрева недостаточна для выработки большого ко­личества пара; осадки скопляются над топкой и вызы­вают аварии (выпучины). Цилиндрический котел давно уже вышел из употребления, но он послужил прототипом позднейших паровых котлов.

На рис. 2 показано, как постепенно изменялась кон­струкция котлов. Задачу усовершенствования паровых котлов решали двумя путями.

Первый путь. Внутри барабана помещали так назы­ваемую жаровую трубу, в которой устраивалась топка (рис. 2, д). Продукты горения (газы) из жаровой трубы направлялись так, чтобы они омывали барабан с боков и снизу и лишь после этого уходили в дымовую трубу. Та­кие котлы названы жаротрубными. Их строят с одной, двумя и тремя жаровыми трубами. Эти котлы эконо-

2 Г. С. Бобровский Мичны, хорошо производят пар. Поэтому они и до настоя­щего времени имеют большое распространение. Все же жаротрубные котлы занимают много места, требуют много металла и поэтому дороги.

Для устранения этих недостатков уменьшили диаметр труб и увеличили их чдсло. Так возникли паровые котлы с дымогарными трубами (рис. 2, е). Топка у этих котлов помещается под котлом, а продукты горения (горячие газы) сначала омывают нижнюю часть котла, затем про­ходят через дымогарные трубы и, наконец, по сторонам котла. Эти котлы занимают меньшую площадь и требуют меньшей затраты металла, чем жаротрубные котлы. Однако у них так же, как и у цилиндрических котлов, осадки скопляются над топкой, что вызывает аварии. Поэтому котлы с дымогарными трубами применяются сейчас главным образом в комбинации с элементами других котлов. Такими комбинированными котлами являются котлы локомобильный, пароходный и паровоз^ ный.

На рис. 2, ж показан локомобильный котел, в корпусе которого помещается так называемая трубная система, состоящая из жаровой трубы и дымогарных труб. Труб­ная система крепится к корпусу болтами и может быть выдвинута для очистки от накипи.

У пароходного котла (рис. 2, з) газы после жаровой трубы также направляются в дымогарные трубы, но в обратном направлении, а затем через металлический ды­моход в дымовую трубу.

Паровозный котел (рис. 2, и) сходен с локомобильным котлом, но вместо жаровой трубы имеет огневую ко­робку, окруженную со всех сторон водой, и большое число дымогарных труб. Чтобы плоские стенки огне­вой коробки и ее наружного кожуха не выпучивались, их соединяют связями — короткими металлическими стержнями.

Второй путь усовершенствования паровых котлов. Вместо одного длинного цилиндрического котла, ставили один над другим два или три более коротких барабана меньшего диаметра (рис. 2, к). Верхний барабан лишь частично заполнен водой и служит паросборником; ниж­ние — полностью заполнены водой и служат кипятильни*
ками. Комбинация из одного или двух кипятильников и одного паросборника называется батареей, поэтому и котлы называются батарейными. Занимая меньше места, чем цилиндрические, батарейные котлы также требуют много металла и легко повреждаются. По этим причинам они давно уже сняты с производства.

В прошлом веке появились и получили очень широ­кое распространение горизонтально-водотрубные котлы (рис. 2, л). В них барабаны заменены большим количе­ством кипятильных труб небольшого диаметра, омывае­мых горячими газами. Трубы поставлены с небольшим наклоном. Концы труб укреплены в двух плоских ящико - образных камерах, соединенных с барабаном-паросборни­ком. Вода из барабана-паросборника поступает в заднюю (правую) камеру, оттуда в кипятильные трубы, вытесняет из них более легкую смесь воды и пара в переднюю (ле­вую) камеру, а оттуда опять в барабан-паросборник. Пар, отделившись от воды, поступает в пароперегреватель — змеевик, в котором нагревается до требуемой темпера­туры и направляется к месту потребления. А вода, сме­шавшись с подаваемой в котел питательной водой, опять совершает круговое движение: паросборник — задняя камера — кипятильные трубы — передняя камера — паро­сборник, т. е. вода в котле циркулирует. Цирку­ляция воды для парообразования в котлах имеет огром­ное значение. Благодаря циркуляции воды коэффи­циент полезного действия и экономичность котла повы­шаются. Циркуляция может быть естественной и искус­ственной (принудительной).

На рис. 3 изображена схема естественной циркуля­ции. Левая часть изогнутой трубки, подсоединенной к ба­рабану, обогревается, а правая часть не обогревается. Поэтому вес воды в левой части трубки меньше, чем в правой. Вследствие этого ненагретая вода (справа) будет вытеснять горячую воду (слева) в барабан и во всей системе установится круговое движение воды. Чем больше высота столбов в нагретой воды (левая часть) и непагретой (правая часть), тем больше разница их ве­сов, интенсивнее происходит циркуляция, лучше смыва­ются с обогреваемой поверхности пузырьки пара, при­стающие к ней, и в результате тем больше образуется
пара и тем лучше предохраняются стенки котла от перегрева.

Оценивая с этой точки зрения различные типы кот­лов, приходим к заключению, что в цилиндрических кот­лах циркуляция будет самая плохая; у жаротрубных котлов циркуляция значительно лучше и поэтому паро-

Образование также лучше. Хорошо организована цирку­ляция у горизонтально-водотрубных котлов, к которым относится также котел известного инженера, почетного члена Академии наук СССР В. Г. Шухова (рис. 4). Эти котлы собраны из отдельных секций, каждая из которых образована из кипятильных труб, укрепленных концами в днища двух небольших барабанов-головок. Наружные днища головок съемные, что облегчает осмотр и очистку котлов. Две секции с расположенным наверху паросбор­ником образуют батарею. Котел может состоять из одной, двух, трех или четырех батарей. Котел Шухова появился в 1895 г. и, благодаря ряду достоинств, получил у нас очень широкое распространение. Движение дымовых га­зов и воды в этом котле такое же, как описано выше.

Наиболее интенсивно происходит циркуляция у по­явившихся в начале текущего века вертикально-во­дотрубных котлов с круто поставленными трубами (рис. 2, м и 2, н).

На рис. 2, м показан котел с прямыми трубами, укре­пленными непосредственно в барабанах. Трубы разделены перегородкой, не доходящей до верхнего барабана. Про­дукты горения, выйдя из топки, омывают передние ряды труб, затем проходят через змеевидный пароперегрева­тель и по другую сторону перегородки опускаются вниз

И уходят в атмосферу. Вода из верхнего барабана опу­скается в нижний по наружной, так называемой циркуля­ционной трубе (не показанной на рисунке), а по кипя­тильным трубам поднимается вверх пароводяная смесь. Благодаря тому, что кипятильные трубы установлены почти вертикально, разница весов менее нагретой воды в циркуляционной трубе и пароводяной смеси в кипятиль­ных трубах весьма значительна; поэтому циркуляция в вертикально-водотрубных котлах происходит очень интен­сивно и они дают значительно больше пара, чем котлы других типов при той же поверхности нагрева. У них от­сутствуют плоские камеры, сложные в изготовлении и опасные при эксплуатации, и, наконец, они занимают меньше места и требуют меньше металла, чем все преж­ние типы котлов. Поэтому вертикально-водотрубные котлы стали преобладающими. Изогнутые кипятильные трубы (рис. 2, н) удобнее для укрепления их в барабанах; кроме того, они обладают упругостью, что предотвращает по­вреждение котла при его расширении от нагревания. Вер­тикально-водотрубные котлы строятся не только с дву­мя барабанами, но и с большим числом их, но так как барабаны являются наиболее дорогой частью кот­лов, то чаще всего строят котлы с одним-двумя бара­банами.

Помимо обеспечения наиболее интенсивной циркуля­ции, современные паровые котлы строятся и с учетом фи­зических законов передачи теплоты. Как передается теп­лота в паровом котле? Наружная поверхность котла по­лучает тепло двумя способами — соприкосновением с горячими дымовыми газами и воспринятием тепловых лучей, испускаемых горящим топливом (рис. 5). Воспри­нятая теплота, благодаря теплопроводности стенок котла, передается внутренней поверхности стенок и затем уже расположенным непосредственно около нее частицам воды. Нагревшиеся частицы воды отрываются от стенки и, как более легкие, поднимаются вверх, а их место зани­мают более холодные: возникают токи перемешивания. Чем выше температура топочных газов, чем свободнее наружная поверхность стенки от загрязнений (сажа и зола), а внутренняя — от накипи, чем сильнее движение горячих газов, «сдувающих» отдавшие свою теплоту га­зовые частицы, и чем сильнее циркуляция воды, «смы­вающая» нагревшиеся частицы, тем больше тепла будет передано от газов воде. При проектировании котлов все это и учитывается для того, чтобы получился хорошо ра­ботающий котел.

Кроме этого, принимают во внимание еще следующее. Подобно тому как Солнце своими лучами нагревает Землю, так и раскаленный слой горящего топлива и пламя излучают тепло, причем количество излучае­мого тепла значительно превышает количество его, со­держащееся в нагретых до высокой температуры продук­тах горения, и эту теплоту необходимо использовать в возможно большей степени.

В топке лучистую теплоту воспринимает только та часть поверхности нагрева, которая «видима» для тепло­вых лучей: у цилиндрических котлов и котлов с дымогар-

Ными трубами это будет нижняя часть барабанов, распо­ложенная над топкой, у жаротрубных — передняя, верх­няя часть жаровых труб, у водотрубных — передняя сто­рона первых двух рядов труб (трубы располагаются в шахматном порядке). Таким образом, в этих котлах лучи­стую теплоту воспринимает только небольшая часть по­верхности нагрева. Ясно, что если под тепловые лучи подставить достаточно большую поверхность, то можно значительно повысить паропроизводительность котла, т. е. его мощность.

С этой целью вдоль стенок топки устанавливают близко друг к другу трубки, по которым циркулирует вода. Эти трубки и образуют экраны, воспринимающие лучистую теплоту, и в них получается почти все, а иногда

И все количество пара, вырабатываемое котлом. Такие котлы называются экранными.

На рис. 6 изображена схема экранного котла, в кото­ром имеется только один барабан, служащий паросбор­ником. Вода по наружным трубам опускается из него в два коллектора (барабаны небольшого диаметра), из кото­рых поступает в экранные трубы, расположенные по внут­ренним стенкам топки, и по ним поднимается вверх (в ба­рабан). При этом происходит интенсивное парообразо­вание. Экранирование важно еще в том отношении, что оно сохраняет от разрушения кирпичную обмуровку топки.

Продукты горения (горячие газы) также отдают тепло. Они из топочной камеры попадают в пароперегре­ватель, а затем выходят через подогреватель воды (экономайзер) и подогреватель воздуха в дымовую трубу.

В экономайзере воду предварительно подогревают, прежде чем она поступает в котел. Понятно, что, чем выше температура, до которой нагрета вода, поступающая в котел, тем меньше теплоты потребуется для ее нагрева до температуры кипения и тем меньше потребуется топ­лива. В подобном же устройстве подогревают и воздух, подаваемый в топку, что улучшает процесс горения.

Пройдя экономайзер и воздухоподогреватель, дымовые газы удаляются в атмосферу с относительно невысокой температурой 150—200° С и поэтому уносят с собой лишь небольшую долю тепла. Все это повышает коэффициент превращения химической энергии топлива в тепловую энергию до 85—90 %.

При очень высоком давлении стенки барабанов прихо­дится делать очень толстыми — до 100 мм и толще. Изго­товление таких барабанов очень сложно и дорого.

Лишены этого недостатка прямоточные котлы. В прин­ципе прямоточный котел представляет собою трубчатый змеевик, винтообразно расположенный по внутренним стенкам топки. Вода входит в змеевик снизу, поднимаясь, она подогревается и затем испаряется. Полученный пар в пароперегревателе нагревается до требуемой темпера­туры.

Мысль о прямоточном способе получения пара выска­зывалась еще в XVIII веке. В 20-х годах прошлого сто­летия и позже в России делались успешные попытки сооружения прямоточных котлов, но, не встречая под­держки у царского правительства, они не пошли дальше постройки опытных установок. По-настоящему прямоточ­ное котлостроение начало у нас развиваться с 1931 года, когда был построен первый прямоточный котел системы проф. JI. К. Рамзина. Движение воды и газов в прямо­точном котле показано на рис. 7.

Достоинствами прямоточных котлов являются отсут­ствие дорогостоящих барабанов и простота их изготовле­ния. Благодаря этому прямоточные котлы получили боль­

Шое распространение на наших крупных электростан­циях. Современные экранные и прямоточные котлы имеют огромные размеры топок. Высота топок иногда превышает 20 метров, т. е. равна высоте 4—5-этаж­ного дома.

Для чего же делают такие высокие топки, удорожаю­щие все строительные работы? Это объясняется характе­ром горения топлива. Дело в том, что при горении из топлива первоначально выделяются горючие газы, кото­рые, соединяясь с кислородом воздуха, сгорают. Видимое нами пламя есть не что иное, как факел горящих газов. Для их полного сгорания необходимо, чтобы газы хорошо перемешались с воздухом и чтобы их сгорание закончи­лось в топочной камере, так как вне топки температура недостаточно высока для полного сгорания газов. Поэтому необходимо, чтобы путь, на котором происходит пере­мешивание газов с воздухом и их сгорание, был доста­точно длинным, т. е. чтобы топка была достаточно вы­сокой.

Раньше, когда процесс горения еще не был хорошо изучен, неправильно считали, что, чем меньше расстояние между колосниковой решеткой и поверхностью нагрева и чем сильнее пламя «лижет» котел, тем, лучше будет отда­ваться тепло. В действительности же горящие газы при соприкосновении со стенками котла с температурой 150— 200° С охлаждаются и разлагаются, причем содержа­щийся в них углерод выделяется в виде сажи. В резуль­тате из трубы выходит густой черный дым. При полном сгорании газов в больших топках дыма не будет.

В XX веке начали сжигать топливо в виде очень мел­кой пыли, которая вдувается в топку и сгорает на лету. Для этого требуется особенно тщательное перемешивание пыли с воздухом и длинный путь, чтобы пыль успела пол­ностью сгореть. Если учесть, что в современном котле сжигается в час до 25—50 тонн угольной пыли, то будет понятно, почему топочная камера должна быть объеми­стой и высокой.

Кроме описанных котлов со значительной паропроиз - водительностыо, существуют многочисленные типы мел­ких вертикальных или, как их иногда называют, «само­варных» котлов. Наиболее распространенные вертикаль­ные котлы изображены на рис. 2, о. Устройство и их дей­ствие не нуждаются в особом пояснении. Эти котлы не имеют обмуровки, не требуют отдельно стоящей дымовой трубы и применяются для отопления (например, вагонов) и в очень мелких производствах.

Есть еще своеобразные котлы, хотя и мало распро­страненные, но интересные по принципу работы и устрой­
ству. Это котлы беспламенного горения (рис. 8, а). В пе­редней части каждой трубы этого котла находится камера,

л3)

Пар

В которой производится сжигание смеси газов и воздуха; остальная часть трубы заполнена кусками огнеупорной

Массы. Во время работы котла эти куски раскаляются добела и излучают теплоту стенкам трубы. Отдача тепла при этом происходит настолько интенсивно, что с каждого квадратного метра поверхности трубы снимается большое количество пара, а температура газов в конце короткой трубы лишь немного превышает температуру воды в котле.

Котел беспламенного горения имеет большое сходство с самоваром. В последнем уголь точно так же раска­ляется добела и вода закипает гораздо скорее, чем при разведении самовара чурками.

Идею интересного турбокотла предложил в России в 1898 г. В. А. Вольский; позже эту идею использовал в Германии Форкауф. Турбокотел — это вращающийся ко­тел (рис. 8, б). Представим себе изогнутую вращающуюся трубку, заполненную водой и нагреваемую только с одной стороны (в данном случае с правой), где будет образо­вываться пар. При вращении трубки центробежная сила воды в левом колене будет больше, чем в правом колене, где находится легкий пар. Поэтому в трубке возникает давление. Можно сделать так, чтобы образую­щийся пар приводил в движение паровую турбину, которая будет вращаться вместе с парообразовате­лем.

К вращающимся котлам относятся также котлы «Атмос», изобретенные шведским инженером Блумкви- стом. В первоначальном виде эти котлы состояли из не­скольких труб (рис. 8, в), вращающихся со скоростью около 300 оборотов в минуту. Вода впускается в один ко­нец трубы в таком количестве, чтобы она только частично заполняла трубу и вращалась вместе с ней. Вследствие центробежной силы вода прижимается к поверхности трубы подобно тому, как вода прижимается к дну быстро вращаемого рукой ведра. Прижимаясь к поверхности трубы, вода смывает образующиеся на ней пузырьки пара, и он скопляется в середине трубы, выходя через другой конец ее. Таким образом, пар находится не над водой, а внутри нее. В более поздние конструкции котла внесены значительные изменения, в частности, уменьшено число оборотов ротора.

Наконец, познакомимся еще с одним типом котла — с котлом подводного горения. Действует этот котел так.

Смесь газа и воздуха под давлением сжигается в горелке с дырчатым диском из огнеупорного материала (рис. 8, г). Этот диск накаливается и поддерживает равномерное го­рение. Пламя выходит из отверстий в боковой поверхно­сти горелки, опущенной в воду, и испаряет ее. Разумеет­ся, что давление горящей смеси внутри горелки должно быть выше, чем давление слоя воды над ней. Подвод­ное горение может найти лишь ограниченное приме­нение, например для испарения вредных жидкостей, и непригодно в тех случаях, когда требуется чистый пар.

Общее развитие техники за последние десятилетия от­разилось и на совершенствовании паровых котлов. Если в 1913—1915 годах давление 12—15 атмосфер считалось высоким, то в настоящее время давление до 30 атмосфер считается низким.

Современные паровые котлы имеют давление выше 100 атмосфер и вырабатывают до 300 тонн пара в час. Однако и это не предел. Директивами XX съезда КПСС предусмотрено строительство котлов, каждый из которых обеспечит паровую турбину мощ­ностью 300 000 киловатт. Давление пара в этих котлах будет 300 атмосфер при температуре перегрева 650° С, выработка пара до 1000 тонн в час. Высота таких котлов будет не ниже десятиэтажного дома; в сутки каждый из них будет сжигать угля около 50 железнодорожных вагонов.

Обслуживание огромных паровых котлов теперь ме­ханизировано, Доставка топлива в котельное помещение производится почти без участия человека: из вагонов оно поступает в бункера, а из них вагонетками или посред­ством непрерывно движущейся ленты подается непосред­ственно к котлам. Ручная загрузка топлива в топку про­изводится только в мелких установках, на передовых же электростанциях освоена автоматическая подача топлива, воды и воздуха в зависимости от количества пара, выра­батываемого котлом.

Тяжелая работа по очистке топки от золы и шлаков и их транспортирование механизированы: шлак и зола смываются из сборников и сильной струей воды пере­даются по трубам на большое расстояние.