Введение
Тип котла
Котел с дымогарными трубами – это тип котла, изобретенный в 1828 году Марком Сегином, в котором горячие газы проходят от огня через одну или несколько труб, проходящих через герметичный сосуд с водой. Тепло газов передается через стенки труб теплопроводностью, нагревая воду и в конечном итоге образуя пар. Котел с дымогарными трубами стал третьим из четырех основных исторических типов котлов: котлы-резервуары низкого давления, или "стога сена", котлы с одним или двумя большими каналами, котлы с дымогарными трубами с множеством небольших труб и котлы с водяными трубами высокого давления. Их преимущество перед котлами с одним большим каналом заключается в том, что множество небольших труб обеспечивают значительно большую площадь нагрева при том же общем объеме котла. Общая конструкция представляет собой сосуд с водой, пронизанный трубами, по которым горячие дымовые газы отводятся от огня. Сосуд обычно цилиндрический, поскольку это наиболее прочная практичная форма для сосуда под давлением, и этот цилиндрический сосуд может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Этот тип котла использовался практически на всех паровозах в горизонтальной "локомотивной" форме. Он состоит из цилиндрического корпуса, содержащего дымогарные трубы, а также имеет расширение на одном конце для размещения топки. Эта топка имеет открытое основание для обеспечения большой площади решетки и часто выходит за пределы цилиндрического корпуса, образуя прямоугольное или коническое ограждение. Горизонтальный котел с дымогарными трубами также типичен для морских применений, использующий шотландский котел; таким образом, эти котлы обычно называют котлами типа "шотландский морской" или "морской". Вертикальные котлы также строились с использованием нескольких дымогарных труб, хотя они относительно редки; большинство вертикальных котлов были либо с каналами, либо с перекрестными водяными трубами.
Операция
В котле локомотивного типа топливо сжигается в топочной камере для получения горячих газов сгорания. Топочная камера окружена водяной охлаждающей рубашкой, соединенной с длинной цилиндрической оболочкой котла. Горячие газы направляются по ряду жаровых труб (или дымогарных труб), проходящих сквозь котел и нагревающих воду, тем самым образуя насыщенный ("мокрый") пар. Пар поднимается к самой высокой точке котла – паровому коллектору, где он собирается. В коллекторе расположен регулятор, контролирующий выход пара из котла. В локомотивном котле насыщенный пар очень часто направляется в перегреватель, возвращаясь через более крупные трубы в верхней части котла для осушения пара и нагрева его до состояния перегретого пара. Перегретый пар направляется в цилиндры паровой машины или, реже, в турбину для выработки механической работы. Отработанные газы выводятся через дымовую трубу и могут использоваться для предварительного нагрева питательной воды с целью повышения эффективности котла. Тяга для жаровых котлов, особенно в морских установках, обычно обеспечивается высокой дымовой трубой. Во всех паровозах, начиная с "Ракеты" Стивенсона, дополнительная тяга создается путем направления отработанного пара из цилиндров в дымовую трубу через сопло, обеспечивая частичный вакуум. Современные промышленные котлы используют вентиляторы для создания принудительной или нагнетаемой тяги. Еще одним важным усовершенствованием "Ракеты" стало использование большого количества труб малого диаметра (многотрубный котел) вместо одной большой дымогарной трубы. Это значительно увеличило площадь поверхности теплообмена, что позволило производить пар с гораздо большей скоростью. Без этого паровозы не смогли бы эффективно развиться как мощные силовые установки.
Типы
Для получения более подробной информации о связанном типе-предке обратитесь к статье "Котлы с водотрубной системой".
Корнуоллский котел
Самым ранним типом огнетрубного котла был котел "высокого давления" Ричарда Тревитика. Это длинный горизонтальный цилиндр с одним большим дымоходом, в котором располагался огонь. Сам огонь поддерживался на чугунной решетке, установленной внутри этого дымохода, а под ней находился неглубокий зольник для сбора негорючих отходов. Хотя сегодня он считается низкого давления (вероятно), использование цилиндрического корпуса котла позволяло достичь более высокого давления, чем у более ранних котлов "стога сена" времен Ньюкомена. Поскольку топки использовали естественную тягу (поток воздуха), для обеспечения хорошего притока воздуха (кислорода) к огню требовался высокий дымоход на дальнем конце дымохода. Для повышения эффективности котел обычно заключался в кирпичную камеру снизу. Дымовые газы проходили через эту камеру, снаружи от железного корпуса котла, после прохождения через огнетрубу и затем в дымоход, который теперь располагался на передней стенке котла.
Ланкаширский котел
Ланкаширский котел аналогичен корнуоллскому, но имеет два больших канала, в которых располагаются топки. Он был изобретен Уильямом Фэрберном в 1844 году в результате теоретического анализа термодинамики более эффективных котлов, что побудило его увеличить площадь колосниковой решетки относительно объема воды. Последующие усовершенствования включали добавление труб Гэллоуэя (названных по имени их изобретателя, запатентованных в 1848 году) – поперечных водотрубных элементов, проходящих через каналы, что увеличивало нагреваемую поверхность. Поскольку это короткие трубы большого диаметра и котел продолжает работать при относительно низком давлении, он все еще не классифицируется как водотрубный котел. Трубы имеют коническую форму, исключительно для облегчения их установки в каналах.
Шотландский морской котел
Шотландский морской котел кардинально отличается от своих предшественников использованием большого количества труб малого диаметра. Это обеспечивает значительно большую площадь нагрева на единицу объема и веса. Топка остается одной трубой большого диаметра, а множество труб малого диаметра располагаются над ней. Они соединены между собой через камеру сгорания – замкнутое пространство, полностью находящееся внутри корпуса котла, – таким образом, чтобы поток дымовых газов через жаровые трубы проходил от задней стенки к передней. Закрытая дымовая коробка, перекрывающая переднюю часть этих труб, поднимается вверх к дымоходу или воронке. Типичные шотландские котлы имели две топки, более крупные – три. Для котлов большего размера, например, для крупных пароходов, чаще устанавливали несколько котлов.
Вертикальный котел с пожарной трубой
Вертикальный котел с огненными трубами (VFT), в разговорной речи известный как "вертикальный котел", имеет вертикальную цилиндрическую оболочку, содержащую несколько вертикальных труб для прохода дымовых газов.
Котел прямой трубки типа Admiralty
Широко использовавшиеся в Британии до и в первые годы эры броненосцев, единственным защищенным местом оставалась область ниже ватерлинии, иногда под бронированной палубой. Чтобы разместить котел под короткими палубами, трубы не выводились над топкой, а продолжались прямо от нее, с размещением камеры сгорания между ними. Отсюда и название, а также значительно уменьшенный диаметр по сравнению с повсеместно распространенными котлами шотландского или обратного типа. Конструкция не получила широкого распространения и была постепенно заменена после появления более прочной бортовой брони – «из-за близости короны топки к уровню воды она была подвержена перегреву. Кроме того, из-за большой длины котла, при одинаковом угле крена, влияние на уровень воды было значительно сильнее. Наконец, неравномерное расширение различных частей котла было более заметным, особенно в верхней и нижней его частях, из-за возросшего соотношения длины к диаметру; местные напряжения также были более высокими из-за относительно слабой циркуляции в длинных и плоских котлах». Все это приводило к сокращению срока службы. Кроме того, камера сгорания той же длины была гораздо менее эффективна в прямоточном котле, чем в котле с обратной тягой, по крайней мере, без установки турбулизаторов.
Котел с водонагревательным двигателем
Котел с погружным горением – это однопроходный котел с жаровыми трубами, разработанный компанией Sellers Engineering в 1940-х годах. Он состоит только из жаровых труб, выполняющих функции как топки, так и камеры сгорания, с множеством форсунок, впрыскивающих предварительно смешанную воздушно-газовую смесь под давлением. Заявляется о снижении тепловых напряжений, а также об отсутствии необходимости в огнеупорной кладке благодаря конструкции котла.
Водяные трубы
Котельные с огнетрубной системой иногда также оснащаются водотрубными элементами для увеличения нагреваемой поверхности. Корнуоллский котел может иметь несколько водотрубных элементов, проходящих по диаметру дымовой коробки (это часто встречается на паровых катерах). Локомотивный котел с широкой топкой может иметь арочные трубы или термические сифоны. По мере развития конструкции топок было установлено, что установка перегородки из огнеупорного кирпича внутри топки для направления потока горячих дымовых газов вверх, в верхнюю часть топки, перед их поступлением в огнетрубы, повышает эффективность за счет выравнивания температуры между верхними и нижними огнетрубами. Для фиксации этих перегородок использовались металлические кронштейны, но для предотвращения их прогорания и эрозии они изготавливались в виде водотрубных элементов, по которым прохладная вода из нижней части котла поднималась вверх за счет конвекции при нагревании, отводя тепло до того, как металл достиг критической температуры. Другой способ увеличения нагреваемой поверхности – использование внутреннего нареза (рифления) внутри котловых труб (также известных как трубы Серва). Не все котлы с кожухом предназначены для производства пара; некоторые из них специально разработаны для нагрева воды под давлением.
Обратный пламя
В дань уважения конструкции Ланкашир, современные водотрубные котлы могут оснащаться двумя топками. Более поздней разработкой стала конструкция с обратной тягой, в которой горелка направляет пламя в закрытую топку, а продукты сгорания меняют направление, возвращаясь обратно. Это обеспечивает более компактную конструкцию и уменьшает количество трубопроводов.
Котел для упаковки
Термин "пакетный" котел возник в начале и середине XX века; он используется для описания бытовых отопительных котлов, поставляемых на монтажную площадку с уже установленной производителем изоляцией, электрическими панелями, клапанами, манометрами и топливными горелками. Другие способы поставки больше напоминают прежнюю практику эпохи угольного отопления, когда остальные компоненты монтировались на месте либо к предварительно собранному сосуду под давлением, либо к "разборному" котлу, когда сосуд под давлением поставляется в виде набора отливок для сборки непосредственно на объекте. Как правило, заводская сборка значительно экономичнее, и пакетный котел является предпочтительным вариантом для использования в жилых помещениях. Поставки в частично собранном виде применяются только при необходимости, обусловленной ограничениями доступа, например, когда единственный доступ к месту установки в подвале осуществляется по узкой лестнице.
Коррозия в котельных без конденсации
Минимальная температура обратной воды в диапазоне от … до … для котла, в зависимости от конкретной конструкции, используется для предотвращения конденсации водяного пара из дымовых газов и растворения оксидов серы и азота из дымовых газов, образующих угольную и серную кислоты – коррозионную жидкость, повреждающую теплообменник.
Конденсационные котлы
Конденсационные котлы могут быть на 2% или более эффективными при более низких режимах горения за счет извлечения тепла парообразования из водяного пара в дымовых газах. Увеличение эффективности зависит от вида топлива и количества доступной энергии, которую можно вернуть в качестве доли от общего объема. Дымовые газы от сжигания метана содержат больше доступной для возврата энергии, чем газы от сжигания пропана или мазута. Сконденсированная вода является коррозионно-активной из-за растворенного углекислого газа и оксидов серы, содержащихся в дымовых газах, и должна быть нейтрализована перед утилизацией. Современные сохранившиеся локомотивы обычно не содержатся постоянно в рабочем состоянии, и рекомендуемый интервал промывки составляет от пятнадцати до тридцати дней, хотя возможны интервалы до 180 дней. Процесс начинается со сброса давления, пока в котле остается некоторое давление, затем происходит слив всей воды из котла через "грязевые ямы" в основании топки и удаление всех "промывочных пробок". После этого накипь удаляется с внутренних поверхностей струей воды под высоким давлением и стержнями из мягкого металла, например, меди. Особое внимание уделяется участкам, наиболее подверженным образованию накипи, таким как свод топки и узкие водопространства вокруг топки. Внутреннюю часть котла осматривают через отверстия от пробок, особое внимание уделяется целостности жаровых труб, свода и распорок топки, а также отсутствию вмятин или трещин на обшивке котла. Уровень воды в уровнемере, его трубки и предохранительный клапан должны быть очищены от накипи; если сердцевина предохранительного клапана показывает признаки прогара, его следует заменить. При повторной сборке необходимо следить за тем, чтобы резьбовые пробки были установлены в свои первоначальные отверстия, так как форма резьбы может измениться после повторной нарезки. Прокладки дверей грязевых ям, если они изготовлены из асбеста, следует заменить, а свинцовые прокладки можно использовать повторно; для утилизации этих опасных материалов действуют специальные инструкции. Многие современные котлы используют высокотемпературные синтетические материалы для прокладок как в рабочих условиях, так и при консервации, поскольку эти материалы безопаснее традиционных. На крупных ремонтных предприятиях котел промывался бы и заполнялся очень горячей водой из внешнего источника, чтобы быстрее вернуть локомотив в строй.
Периодическая проверка
Обычно это ежегодный осмотр, который предполагает снятие и проверку наружных деталей, таких как форсунки, предохранительные клапаны и манометр. Медные трубопроводы высокого давления могут подвергаться упрочнению при эксплуатации и становиться опасно хрупкими: может потребоваться отжиг этих труб перед повторной установкой. Также может потребоваться гидравлическое испытание котла и трубопроводов под давлением.
Общий ремонт
В Великобритании установленный максимальный срок между полными капитальными ремонтами составляет десять лет. Для проведения полного осмотра котёл поднимают с рамы локомотива и удаляют теплоизоляцию. Все жаровые трубы извлекаются для проверки или замены. Все детали и арматура снимаются для капитального ремонта. Перед возвращением в эксплуатацию квалифицированный инспектор проверяет исправность котла и выдаёт сертификат безопасности, действительный в течение десяти лет.