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.
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.
Паровой котёл И. И. Ползунова (1765)
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 котёл Ленинградского 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 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 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).
| Конструкции паровых котлов | ||
| Цилиндрический паровой котел | 1. барабан; 2. колосниковая решётка. |
| Жаротрубный паровой котел | 1. барабан; 2. колосниковая решётка; 3. жаровая труба; 9. газоход. |
| Жаротрубно-дымогарный паровой котел | 1. барабан; 3. жаровая труба; 4. дымогарная труба. |
| Камерный горизонтально-водотрубный паровой котел | 1. барабан; 2. колосниковая решётка; 5. сборная камера; 6. пароперегреватель. |
| Камерный горизонтально-водотрубный паровой котел конструкции В. Г. Шухова | 1. барабан; 2. колосниковая решётка; 5. сборная камера; 6. пароперегреватель. |
| Двухсекционный горизонтально-водотрубный паровой котел | 1. барабан; 5. сборная камера; 6. пароперегреватель. |
| Вертикально-водотрубный паровой котел с гнутыми трубами | 1. барабан; 6. пароперегреватель. |
| Вертикально-водотрубный паровой котел с П-образной компоновкой | 1. барабан; 6. пароперегреватель; 7. водяной экономайзер; 8. воздухоподогреватель. |
| Вертикально-водотрубный паровой котел с Т-образной компоновкой | 1. барабан; 6. пароперегреватель; 7. водяной экономайзер; 8. воздухоподогреватель. |
| Прямоточный паровой котел конструкции Л. К. Рамзина | 6. пароперегреватель; 7. водяной экономайзер; 8. воздухоподогреватель. |
| Прямоточный паровой котел котёл ТПП-210А (СССР) | 6. пароперегреватель; 7. водяной экономайзер; 8. воздухоподогреватель. |
Домашнее задание:
Ознакомиться слекцией.