Совершенствование конструкций цилиндрических огнетрубных котлов.
Лабораторная работа №4
Изучение создания, принципа действия и схем устройства паровых котлов - одного из основных элементов пароэнергетической судовой установки».
Для обеспечения работы паровых поршневых машин и паровых турбин водяным паром определенной температуры и давления, сжигается топливо в специальном устройстве - паровом котле.
Паровые машины занимали ведущую роль в развитии транспортного машиностроения до конца XIX столетия, пройдя путь от одноцилиндровых двигателей мощностью 2-10 л.с, до многоцилиндровых двигателей с несколькими ступенями расширения и мощностью до 5000 л.с. Однако совершенствование двигателей было невозможно без сопутствующего развития паровых котлов. На первом этапе перед котлостроением была поставлена задача создания надежных паровых котлов и выбора оптимального уровня давления для паровой машины.
Интерес к водяному пару возник в глубокой древности, но только к концу XIX в. его термодинамические свойства были изучены в достаточной мере. Одну из первых попыток практического использования водяного пара связывают с именем Архимеда. По свидетельству Леонардо да Винчи, Архимед изобрел паровую пушку - архитронито, «с большим шумом бросающую ядро весом один талант на расстояние шесть стадий». Необходимый для выстрела пар образовывался при подаче воды в металлическую полость устройства, предварительно раскаленную на горящих углях.
Первые паровые котлы. Схема устройства и принцип действия
Первую конструкцию парового котла создал французский физик Дени Папен в 1680 г. При повышенном давлении температура кипящей в котле воды достигала 200°С. Во избежание взрыва «Папенов котел» имел предохранительный клапан, ставший обязательным элементом всех последующих конструкций паровых котлов.
Конструкция первых судовых паровых котлов была заимствована у береговых котельных установок. Это были паровые котлы сундучного типа с плоскими стенками, допускающими только небольшое повышение давления.
Изначально Дж. Уатт установил для своих паровых машин избыточное давление 1,18÷1,21 кг/ 
. Пароходные котлы склепывали из тонкого листового железа. Внутри котлов сооружали лабиринт дымоходов, из которых продукты горения попадали в дымовую трубу, а затем в атмосферу. Давление пара в котле не превышало 0,3 атм.
Совершенствование конструкций цилиндрических огнетрубных котлов.
Затем были разработаны котлы, в которых горячие газы из топки проходили через множество трубок, называемых дымогарными; эти трубки помещали внутри водяного пространства котла. Первые огнетрубные котлы имели коробчатую форму. Из-за плоских стенок такие котлы не могли выдерживать давление пара больше двух атмосфер. Они скоро уступили место более прочным котлам цилиндрической формы. Огнетрубные цилиндрические котлы получили широкое распространение на паровых судах.
Одновременно с расширением строительства пароходов, создавались многочисленные конструкции судовых огнетрубных паровых котлов галерейного и лабиринтного типов. В начале XX в. только в России на судах было установлено около сорока различных конструкций паровых котлов галерейного типа.
Одна из ранних конструкций специального судового огнетрубного парового котла установлена в 1858 г. на лайнере «Грейт Истерн». Десять котлов коробчатого типа с угольным отоплением при давлении пара 2,6 атм. обеспечили работу паровых машин мощностью 8300 л.с.
Достаточно широкое применение на судах получили огнетрубные паровые котлы локомотивного типа, созданные в тридцатые годы XIX в. Цилиндрическая форма части поверхности котла позволила поднять давление пара до 4 атм.
Изначально Джеймс Уатт установил для своих паровых машин избыточное давление в 2,5 - 3 фунтов на квадратный дюйм (1,18 - 1,21 кг/кв.см). На это давление строились все паровые котлы и двигатели в Великобритании. Именно на таком давлении работала паровая машина первого линейного трансатлантического парохода "Великий Запад", и только на первом железном винтовом пароходе "Великобритания" давление пара в котле было поднято до 1,35 кг/кв.см. В то же самое время на речных пароходах США избыточное давление в паровых котлах составляло в среднем 140 фунтов на квадратный дюйм (10,84 кг/кв.см), что позволяло существенно уменьшить габариты и вес двигателей, но при этом резко возрастал риск взрыва котлов в эксплуатации.
С началом массового строительства парового флота наибольшее применение нашли горизонтальные газотрубные котлы, которые были изобретены в 1786 г. Оливером Эвансом из Корнуэла (Oliver Evans, Cornwall) и представляли из себя топку, омываемую водой, диаметр которой составлял около 50-60% от диаметра котла.
В 1791 г. Натан Рид из Салема (Nathan Read, of Salem, Mass.) изобрел газотрубный котел в его нынешнем представлении, надолго ставший стандартом в котлостроении. Котел изготавливался из листовой стали толщиной от 0.25 до 0.5 дюйма (6.35-12.7 мм) методом клепки. Длина наиболее мощных котлов достигала 100 ft (30,5 м), толщина газоходных труб до 1.25" (32 мм), диаметр - 4-5" (100-120 мм). Для изготовления труб наиболее часто использовалась латунь или медь, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент теплопередачи, что позволяло уменьшить поверхности нагрева и габариты котла. Не менее половины объема котла отводилось под паровое пространство, что повышало устойчивость котлов к перегрузкам и служило защитой от заноса воды с паром в двигатель.
Совершенствование конструкции цилиндрических огнетрубных паровых котлов позволило поднять давление пара до 16 атм. Были созданы двусторонние и трехтопочные паровые котлы. Совершенствование конструкции цилиндрических огнетрубных паровых котлов огнетрубные паровые котлы.
|
Паровой котел цилиндрический Паровой котел цилиндрический двусторонний трехпоточный
Несмотря на долговечность работы (30-40 лет) и большую аккумулирующую способность, строительство огнетрубных паровых котлов для главной энергетической установки прекратили в годы Первой мировой войны. Причинами послужили их большой вес, низкий коэффициент полезного действия (КПД), ограниченные величины производительности и давления пара. В настоящее время огнетрубные паровые котлы применяются только в составе вспомогательной энергетической установки.