Введение

Высоковольтный водотрубный котел (также называемый водяной трубкой) – это тип котла, в котором вода циркулирует в трубах, нагреваемых снаружи огнем. Топливо сжигается внутри топки, создавая горячий газ, который кипятит воду в парогенерирующих трубах. В котлах меньшего размера дополнительные парогенерирующие трубы расположены отдельно в топке, в то время как в больших энергетических котлах для генерации пара используются трубы, заполненные водой, которые образуют стенки топки. Затем нагретая вода/паровая смесь поднимается в паровой барабан. Здесь от верхней части барабана отводится насыщенный пар. В некоторых установках пар проходит через трубы в горячем газовом потоке (супернагреватель) для получения перегретого пара. Перегретый пар – это сухой газ, поэтому он обычно используется для привода турбин, поскольку капли воды могут серьезно повредить лопатки турбины. Насыщенная вода в нижней части парового барабана возвращается в нижний барабан через трубы большого диаметра – «спусковые трубы», где она предварительно нагревает питательную воду. (В больших энергетических котлах питательная вода подается в паровой барабан, а спусковые трубы подают воду в нижнюю часть водостенных панелей). Для повышения экономичности котла отработанные газы также используются для предварительного нагрева воздуха, подаваемого в горелки, и для подогрева питательной воды в экономайзере. Такие водотрубные котлы на тепловых электростанциях также называются парогенерирующими установками. Более старая конструкция дымогарного котла, в которой вода окружает источник тепла, а газы от сгорания проходят через трубы внутри водяного пространства, как правило, имеет гораздо менее прочную конструкцию и редко используется при давлениях выше. Значительным преимуществом водотрубного котла является меньшая вероятность катастрофического разрушения: в котле нет большого объема воды и нет крупных механических элементов, подверженных поломкам. Водотрубный котел был запатентован Блейки из Англии в 1766 году и изготовлен Даллери из Франции в 1780 году.

Стационарные

Современные котлы для выработки электроэнергии почти полностью представляют собой конструкции с водяными трубками, благодаря их способности работать при более высоких давлениях. Если требуется технологический пар для отопления или в качестве химического компонента, то для котельных с дымогарными трубами все еще существует небольшая ниша. Одним из заметных исключений являются типичные атомные электростанции (реакторы с водой под давлением), где парогенераторы обычно имеют конструкцию, аналогичную дымогарным котлам. В этих применениях горячий газовый поток через "дымогарные трубы" фактически переносит очень горячий/высокотемпературный первичный теплоноситель из реактора, а пар генерируется на внешней поверхности труб.

Морской

Их способность работать при более высоком давлении привела к тому, что морские котлы практически полностью перешли на водотрубную конструкцию. Этот переход начался примерно в 1900 году и был связан с распространением турбин в качестве движителя вместо возвратно-поступательных (то есть поршневых) двигателей – хотя водотрубные котлы также использовались с возвратно-поступательными двигателями, а дымогарные котлы продолжали применяться во многих морских турбинных установках.

Гибриды

Несколько более успешным стало использование гибридных систем водотрубных и жаротрубных котлов. Поскольку самая горячая часть локомотивного котла – это топочная коробка, эффективным решением было применение водотрубной конструкции именно в этой части, а традиционный жаротрубный котел – в качестве экономайзера (то есть предварительного нагревателя) в обычном положении. Одним из известных примеров является американский локомотив Baldwin 4-10-2 № 60000, построенный в 1926 году. Работая как компаунд при давлении в котле, он успешно прошел более 160 934 километров (100 000 миль). Однако через год стало очевидно, что дополнительные затраты нивелировали все экономические преимущества, и локомотив был отправлен на экспозицию в Институт Франклина в Филадельфии, штат Пенсильвания. Серия из двенадцати экспериментальных локомотивов была построена на мастерских Mt. Clare железной дороги Baltimore and Ohio под руководством Джорджа Х. Эмерсона, но ни один из них не был запущен в серийное производство. Единственным случаем широкого железнодорожного применения водотрубных котлов стал котел Бротана, изобретенный Иоганном Бротаном в Австрии в 1902 году, который в небольшом количестве можно было встретить в Европе, хотя Венгрия была наиболее активным пользователем и имела около 1000 таких котлов. Как и в случае с локомотивом Baldwin, он объединял водотрубную топку с жаротрубным цилиндром. Отличительной особенностью котла Бротана был длинный паровой коллектор, расположенный над основным цилиндром, что придавало ему внешнее сходство с котлом Flaman.

Дорога

В то время как тяговые двигатели обычно строились с использованием локомотивного котла в качестве рамы, другие типы паровых дорожных транспортных средств, такие как грузовики и автомобили, использовали широкий спектр различных типов котлов. Пионеры дорожного транспорта Голдсворти Гурни и Уолтер Хэнкок использовали водотрубные котлы в своих паровых экипажах примерно в 1830 году. Большинство вагонов с нижним расположением котла использовали водотрубные котлы. Многие производители использовали варианты вертикального жаротрубного котла, включая Аткинсона, Клейтона, Гарретта и Сентинеля. Другие типы включают котел Кларксона с "наперстковыми трубами" и котел в форме пистолета вагона типа Foden O. Производители паровых пожарных машин, такие как Merryweather, обычно использовали водотрубные котлы из-за их способности быстро производить пар. Многие паровые автомобили использовали водотрубные котлы, а компания Bolsover Express даже создала водотрубную замену для жаротрубного котла Stanley Steamer.

Котел типа D

"Тип D" – наиболее распространенный тип котлов малой и средней мощности, аналогичный показанному на принципиальной схеме. Он применяется как в стационарных, так и в судовых установках. Конструкция включает большой паровой барабан, вертикально соединенный с меньшим водяным барабаном (также известным как "грязевой барабан") посредством множества парообразующих труб. Эти барабаны и трубы, а также мазутная горелка, заключены в водяную стенку – дополнительные трубы, плотно расположенные друг к другу для предотвращения прохода газов между ними. Эти трубы водяной стенки соединены как с паровым, так и с водяным барабанами, выполняя функции предварительного подогрева и нисходящих трубопроводов, а также снижая теплопотери через корпус котла.

Котельные типа M

Котлы типа М использовались на многих военных кораблях США во время Второй мировой войны, включая сотни эсминцев класса "Флетчер". Три комплекта труб образуют форму буквы М и создают раздельный перегреватель, обеспечивающий более точный контроль температуры перегрева. Помимо грязеприемника, показанного на котле типа D, котел типа М имеет водяной экранный коллектор и водяную стенку в нижней части двух дополнительных рядов вертикальных труб и нисходящих труб.

Низкое содержание воды

Котел с низким водосодержанием имеет нижний и верхний коллекторы, соединенные водотрубками, на которые непосредственно направляется пламя от горелки. Это "безфу́рменный" котел, способный генерировать пар и быстро реагировать на изменения нагрузки.

Котел Babcock & Wilcox

Этот тип, разработанный американской фирмой Babcock & Wilcox, имеет один барабан, в который вода подается снизу в коллектор, питающий наклонные водотрубные элементы. Водотрубные элементы подают пар обратно в верхнюю часть барабана. Топки расположены под трубами и барабаном. Котлы этого типа использовались на фрегатах типа "Лиандер" Королевского флота и на крейсерах типа "Нью-Орлеанс" ВМС США.

Котёл Стерлинга

В котле Стирлинга почти вертикальные, почти прямые водотрубные элементы, извивающиеся между несколькими паровыми и водонапорными барабанами. Обычно в компоновке с "четырьмя барабанами" имеется три водяных банка, однако в некоторых применениях используются конструкции с другим количеством барабанов и банков труб. Они в основном применяются как стационарные котлы из-за своих больших размеров, хотя большая площадь колосниковой решетки также способствует их способности сжигать широкий спектр топлива. Изначально использовавшиеся на электростанциях для сжигания угля, они также получили широкое распространение в отраслях, производящих горючие отходы и нуждающихся в технологическом паре. Например, целлюлозно-бумажные комбинаты могли сжигать отходы коры, а сахарные заводы – отходы багассы. Это котел с горизонтальными барабанами.

Яровой

Названный в честь своих создателей, компании Yarrow Shipbuilders, располагавшейся в Попларе, этот тип трехбарабанного котла имеет три барабана в дельтовидной конфигурации, соединенных водотрубным устройством. Барабаны соединены прямыми водотрубами, что облегчает очистку труб. Однако это приводит к тому, что трубы входят в барабаны под разными углами, что усложняет их герметизацию. Снаружи топки между каждым барабаном расположены по две холодных трубных стойки, выполняющие функцию нисходящих трубопроводов. Благодаря наличию трех барабанов, котел системы Ярроу обладает большим запасом воды. Поэтому данный тип обычно используется в устаревших судовых котельных установках. Его компактные размеры сделали его привлекательным для использования в мобильных энергогенерирующих установках во время Второй мировой войны. Для обеспечения его транспортировки котел и вспомогательное оборудование (подогреватель мазута, насосные агрегаты, вентиляторы и т.д.), турбины и конденсаторы монтировались на вагоны для перевозки по железной дороге.

Уайт-Форстер

Тип "White Forster" похож на "Yarrow", но отличается постепенно изогнутыми трубками. Это обеспечивает их перпендикулярное вхождение в барабаны, что упрощает создание надежного уплотнения.