Развитие конструкций паровых котлов

Лекция № 7-8

Паровой котёл, 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 П. к. является вода. П. к. называют также редко применяемые парогенераторы (электрокотлы), обогреваемые электрической энергией.

Упоминания о П. к. 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 П. к. началось на рубеже 17 и 18 вв. в связи с бурным развитием горнозаводской и угледобывающей промышленности. Ранние конструкции П. к. по форме напоминали шар или же котлы для варки пищи, сначала их изготовляли из меди, а затем из чугуна. Одним из первых «настоящих» П. к. считают котёл Д. Папена, предложенный им в 1680.

Конструкции современных П. к. сложились в процессе изменения конструктивных форм выпускавшегося до 2-й половины 19 в. простейшего цилиндрического П. к. паропроизводительностью 0,4 mlч; поверхность нагрева этого П. к. не превышала 25 м2, давление пара 1 Мн/м2 (10 кгс/см2), а кпд 30%. Развитие П. к. шло по двум направлениям: увеличения числа потоков газов (газотрубные П. к.) и увеличения числа потоков воды и пара (водотрубные П. к.). Первые газотрубные П. к. 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 П. к. 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 П. к., то есть к повышению кпд. Газотрубные П. к. 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 П. к. сохранились только на транспортных установках (паровозы, пароходы), а из стационарных установок они полностью вытеснены водотрубными котлами. Создание водотрубных П. к. 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 П. к. 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 19 в. выпускались камерные и секционные горизонтально-водотрубные П. к. с естественной циркуляцией, у которых кипятильные трубы были расположены с наклоном в 10—12° к горизонту. Камерный П. к. 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 П. к., 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 20 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 П. к. состояли из одного верхнего и одного нижнего барабанов, соединённых пучком прямых труб. Но уже в 20-х гг. 20 в. они были полностью вытеснены более надёжными котлами с изогнутыми трубами. Типовой конструкцией в этой группе П. к. являлся трёхбарабанный котёл Ленинградского металлического завода (ЛМЗ), выпускавшийся в 30-х гг. 20 в. Поверхность нагрева этих П. к. была от 650 до 2500 м2, паропроизводительность от 50 до 180 т/ч. П. к. 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 П. к., 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 собой испарительные 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. Постепенно экраны стали закрывать всё большую часть стен топок, а современные П. к. 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. В СССР все П. к., работающие с давлением более 0,17 Мн/м2, должны изготовляться, монтироваться, приниматься в эксплуатацию и эксплуатироваться в соответствии с правилами Котлонадзора. Энергетические котлы должны эксплуатироваться с соблюдением также и правил технической эксплуатации электростанций.

Первые паровые котлы выполнялись в виде частично заполненных водой сосудов, обогреваемых снаружи. Форма удлинненного горизонтального цилиндра оказалась наиболее приспособленной к восприятию внутреннего давления и вместе с тем дающую довольно значительную величину поверхности нагрева. Однако рост поверхности нагрева цилиндрического котла за счет увеличения размеров основного цилиндра приводил к значительному возрастанию габаритов и веса котла. Поэтому уже в начальный период развития паровых котлов были начаты поиски других путей увеличения поверхности нагрева. Два направления оказались перспективными и определили развитие паровых котлов более чем на 150 лет. Первым было создание дополнительных поверхностей нагрева в виде труб, обогреваемемых топочными газами изнутри и расположенных внутри основного цилиндра (газотрубные котлы); вторым - присоединение к основнову цилиндру системы труб, расположенных вне его иобогреваемых снаружи (водотрубные котлы).

Газотрубные котлы выполнялись путем расположения в водяном пространстве основного, обычно горизонтального цилиндра, параллельно оси его одной или двух (реже трех) труб большого диаметра (500-800 мм) - "жаротрубные" котлы или же пучка труб малого диаметра (50-150 мм) - "дымогарные" котлы. Эти трубы укреплялись в днищах основного барабан, продукты сгорания (топочные газы) проходили по трубам, обогревая их изнутри. Недостатком газотрубных котлов являлась ограниченная возможность увеличения поверхности нагрева. Ограниченными были возможности повышения давления из-за большого диаметра основного барабана и трудностями выполнения прочных днищ (особенно в дымогарных котлах). Такие котлы не подходили для получения пара высокой температуры. Газотрубные котлы потеряли свое значение уже к концу 19 в.

Водотрубные котлы начали разрабатываться несколько позднее и оказались более перспективными. Поверхность нагрева этих котлов состоял из большого числа труб малого диаметра (50-100 мм), причем присоединение этих труб к барабану осуществлялось двумя методами. Первый характеризовался присоединением концов труб к специальным сборникам (камерам или секциям) Эти сборники верхними концами присоединялись к горизонтальному барабану (горизонтально-водотрубные котлы). Второе направление водотрубных котлов, получившее развитие несколько позднее (в начале 20 в.), сводилось к непосредственному присоединению пучков труб к нескольким барабанам, соединяемым самими пучками в одно целое (вертикально-водотрубные котлы).