Свежие комментарии

Котлы паровых машин

Паровая машина — вещь непростая. И ее конструкция только для кочегара выглядит как всегда. С той стороны лопаты ее устройство может быть очень даже разным. А попаданцу для внедрения паровика придется выбирать какую-либо схему…

На самом деле говорить, что паровые машины отличаются топками неверно. Они отличаются котлами, просто очень часто топка и котел это конструктивно один элемент (хотя и топки тоже бывают очень разные по принципу работы). В этой же статье будут рассмотрены только особенности котлов, связанных с нагреванием воды.

На первый взгляд задача несложная. У нас есть герметичный котел с водой и у нас есть уголь. Уголь сжигают под котлом, вода кипит и все крутится. Однако, на практике, как всегда, возникают технологические проблемы.

Во-первых, котел с паровозом — это не кастрюля с пельменями. Вода в кастрюле кипит при 100°С, пока вся не выкипит и пельмени не начнут поджариваться. Для паровой машины 100°С — температура смешная. Даже самые первые и простые машины нагревали воду до 200°С (при этом давление было в районе 5-8 атмосфер), а последние из паровозов умудрялись раскочегарить воду в котле до 530°С, при этом давление уходило за 25 атмосфер. Такую температуру просто на открытом огне не получить, необходимы различные ухищрения.

Во-вторых — уголь, он денег стоит. А в океана на пароходе да в шторм — он может оказаться просто бесценным. Поэтому свою роль играет и КПД котла паровой машины, то есть какой процент тепла не улетит в паровозную трубу. Ведь хочешь-не-хочешь, а дым выходить должен. Дым горячий. Поэтому желательно по всей длине его движения отбирать тепло, чтобы повысить эту самую КПД.

Поэтому котел паровой машины — очень сложная конструкция. И по размеру это, наверное, самая большая часть паровой машины.

Котлы делятся на два типа — водотрубные и жаротрубные. Вместо «жаротрубный» можно увидеть термины и «огнетрубный» и «дымогарный», это одно и то же.
В водотрубном огонь нагревает трубы, которые выходят из котла и в которых есть вода.
В жаротрубном огонь проходит по трубам, пронизывающим котел насквозь и по пути греет воду.

Рассмотрим сначала жаротрубный котел.
В самой идее нет ничего сложного — ну трубы, проходящие через котел. Любимый тип котла для паровоза. Однако, если посмотреть на паровоз в разрезе, становится понятна сложность реализации:

parovoz_razrez

Большая емкость слева — это топка. Забор из труб — это и есть дымогарные трубы, по которым проходит горячий воздух, нагревая воду вокруг них. Справа — зачаток дымовой трубы. Количество труб могло быть и заметно больше. Чем тоньше трубы — тем выше КПД котла, но чем больше труб, тем дороже паровоз. Этот вариант имеет сравнительно крупные дымогарные трубы и поэтому их не так много. Но слишком тонкими трубы делать тоже нельзя — они быстро забьются сажей и теплопроводность упадет. Приходилось искать баланс между этими основными свойствами. Много зависело от качества угля — чем он качественнее, тем меньше он дает золы и сажи.

Нужно помнить, что они должны быть герметично заделаны в котел с двух сторон. А температура в топке — 800°С и давление в котле — 20 атм. И нигде ни в одной трубе не должно быть ни малейших утечек.
Естественно, задача сложная именно с точки зрения качества производства.
Но конструкция такова, что топка становится продолжением котла и это позволяет либо сделать короткий паровоз, либо увеличить производительность пара (то есть мощность) паровоза.

Второй тип — водотрубный котел.

Water_tube_boiler_schematic

Здесь из котла выходят трубки с водой, которые греются пламенем.
Тут тоже — чем тоньше трубки, тем быстрее нагревается вода и тем выше КПД котла. Однако, чем тоньше трубки, тем труднее готовому пару выходить из них и поэтому пар водотрубного котла «сырой». Так же в трубках образовывается накипь, что ограничивает уменьшение их диаметра.

Водотрубных котлов было два типа — прямоточный и барабанный.

В прямоточном все просто — вода однократно течет через трубки, постепенно превращаясь в пар. Эта схема имеет недостаток — на выходе вся вода должна превратится в пар, поэтому здесь важна точность теплодинамики. Однако, успехи расчета котлов со временем сделали именно этот тип пригодным для быстроходных паровозов и пароходов.

В барабанном типе котла вода имеет несколько контуров и вода циркулирует по ним несколько раз, пока не превратится в пар. Реализовать такой котел проще с точки зрения термодинамики, но конструктивно он сложнее — должны быть несколько контуров — один для разогрева воды, а второй — для подогрева уже готового пара (на картинке изображена схема именно барабанного котла).

Ну и естественно, были гибридные котлы, в которых использовались как огнетрубные, так и водотрубные элементы. Распространения они не получили, видимо они больше сочетали недостатки двух видов котлов, чем их достоинства.

Итак, как видно попаданцу — котел просто так не построишь.
Котел должен давать требуемое количество пара в минуту и требуемой температуры. Топка должна быть точно рассчитана — чтобы и машина не оказалась слишком сложной (то есть дорогой и ненадежной), и чтобы КПД котла было максимальным, ведь обогревать вселенную — зряшная затея…

9 комментариев Котлы паровых машин

  • vashu1

    >> последние из паровозов умудрялись раскочегарить воду в котле до 530°С, при этом давление уходило за 25 атмосфер.

    Опечатка? При 500 градусах и 25 атм это уже не вода, а перегретый пар.

    >> ПАРОВОЗ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ — паровоз, имеющий рабочее давление пара в котле от 60 am и выше

    Хотя в основном все сидели на 10-20 атм и не жаловались.

    • kraz

      Да, верно — перегретый пар с суперкритическими параметрами.
      Но попаданцу это советовать вряд ли есть смысл, уж сильно много всего нужно внедрить и развить.

      А про 60 атмосфер я даже не слышал. Это какие модели паровозов такие были?

  • Sygurd

    «А температура в топке — 1600°С »
    Откуда такая дикая цифра? Или у вас на паровозах титановые котлы? Исправьте, не стоит смешить людей.

    • kraz

      Да, это я взял рекордные котлы, где топится угольной пылью с вращением потока, искусственно наддуваются воздухом и есть даже принудительная система вентиляции. Да и то — стенок эта температура не касается, это внутри потока.
      У нормального — в два раза меньше. Поправлю.

  • Taras

    >Во-первых, котел с паровозом

    А собака с милицией обещала придти?

  • Taras

    >ведь обогревать вселенную — зряшная затея…

    Да мы в любом случае этим занимаемся: мы ж теплокровные.

  • deetwoar

    Справедливости ради — на самом деле, приведённые параметры пара (5-8 атм, 200 градусов С) это далеко не «самые первые и простые машины»… это уровень 1880-х годов… это уже ого-го какой уровень развития техники, на горизонте уже маячат ДВС и паровые турбины.

    Самые первые и простые машины были вообще пароатмосферными т.е. работали от давления в 1 атм (пар создавал вакуум, разрежение), и этого хватило, чтобы убедить дядек-капиталистов в перспективности пара.

    Потом стали делать машины, работающие уже от давления самого пара, но его параметры очень долгое время оставались «детскими» — например, около 2 атм для коробчатых (прямоугольных) котлов пароходов 1860-х годов. Я напомню, это — эпоха первых броненосцев.

    В 1870-х годах появились цилиндрические, т.н. «шотландские», котлы, которые давали 4-5 атм — это была настоящая революция, в сочетании с двухвальными установками экономичных машин-компаунд и поверхностными конденсаторами (позволившими отказаться от питания котла забортной водой, что сильно ограничивало параметры пара) давшая возможность убрать паруса на океанских кораблях.

    Давление пара 20 и более атм — это уже XX век (HMS Dreadnought 1906 года: 250 psi / 17,58 атм);

    40-60 атм — эсминцы Второй Мировой, с предельно форсированными силовыми установками (остальной флот довольствовался чем попроще, а торговый и вовсе теми же шотландскими цилиндрическими котлами, что и в XIX веке). А также — паровые автомобили и самолёты (были и такие);

    70 атм и более — это уже эпоха зарождения реактивной авиации и создания атомной бомбы (хотя в массовых применения, вроде рядовых паровозов, и тогда ограничивались обычно 20-25 атм).

    • deetwoar

      К сказанному следует добавить, что самые массовые, стационарные паровые машины мощностью до 50 л.с., использовавшиеся в сельском хозяйстве, на лесопилках, бытовых генераторных установках, и т.д. и т.п. — так и продолжали работать от пара под давлением порядка 2-4 атм (достаточно стандартное давление 40 psi = 2,7 атм) до самого конца их широкого применения (1950-е гг.). И питались от простейших котлов типа «цилиндр в цилиндре» — то есть, цилиндр-котёл, вставленный внутрь цилиндра-топки, по сути «прокачанная» версия той же кастрюли над очагом. Локомобили с огнетрубными котлами — обычно до 200 psi / 13 атм (типично 10-12).

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>