Прямоточный и его предшественники

Инж. И. ДАШЕВСКИЙ

Всем известно, какую колоссальную роль играют в промышленности, коммунальном хозяйстве и военной технике паровые котлы.

Гигантские пароэлектроцентрали, которые снабжают электроэнергией заводы и фабрики, освещают города, дают ток городскому транспорту, могут работать нормально только тогда, когда турбины их бесперебойно получают пар, вырабатываемый котлами.

Турбины мощного военного флота также получают пар от судовых паровых котлов.

Паровые котлы дают тепло нашим жилищам и являются основой таких коммунальных предприятий, как бани, прачечные и т. п.

Но все ли хорошо себе представляют, что такое современный паровой котел? Обычно среди широкого круга неспециалистов распространено представление о паровом котле, как о каком-то металлическом барабане, в котором налитая вода превращается от подогревания в пар. Это представление верно в отношении только тех типов котлов, которые были разработаны уже достаточно давно. Если же мы обратимся к новейшим конструкциям котлов, то увидим, насколько мало соответствует их действительный облик этому представлению.

Взгляните на строительство котельной для современной электростанции. Это внушительное по своим размерам здание сразу же убедит вас в том, какое огромное и сложное сооружение представляют собой котлы, которые должны быть здесь установлены.

Современный котел, даже не очень большой мощности, представляет собой сложную комбинацию из огромного числа труб, барабанов и различных металлических конструкций. Высота современных паровых котлов превосходит в некоторых случаях 25 метров, то есть высоту пятиэтажного дома. Дымовая труба для таких котлов имеет столь большой диаметр, что в нее без труда может въехать трамвайный вагон.

Котел в виде барабана — с этого началась история парового котла. Но дальнейшее развитие котлостроения доказывает, как именно с каждым шагом по пути совершенствования техника отходит все дальше от такого вида котла. И теперь в котлах специальных конструкций вы уже не найдете ничего, что напоминало бы вам о барабане.

Современный паровой котел — это огромное сооружение. Высота его в некоторых случаях превосходит 25 метров, то есть высоту пятиэтажного дома.

Это дымовая труба для большого парового котла. Ее диаметр настолько велик, что в трубу без труда может въехать трамвайный вагон.

*

Железный клепаный барабан-резервуар с вентилями и клапанами, либо комбинация нескольких железных барабанов, обмурованных кирпичной кладкой с дымоходами, — вот, собственно, и весь неприхотливый образ первых паровых котлов.

Под таким котлом сооружалась топка, в которой происходило горение топлива. Получающиеся при этом газы омывают барабан снаружи, проходя по дымоходам в кирпичной кладке, а затем уходят через дымовую трубу. Тепло газов передается воде, находящейся в барабане, и вода эта постепенно превращается в пар.

Такие котлы давно уже сошли со сцены. Они чрезвычайно громоздки, дороги, не могут иметь большой мощности, плохо используют тепло.

Стремление повысить производительность котла, как говорят, «снять» с него больше пара, приводит прежде всего к желанию увеличить ту площадь, которая омывается с одной стороны горячими газами, а с другой — водой. Эта поверхность называется поверхностью нагрева. Чем она больше, тем, естественно, больше тепла может быть передано горячими газами воде. Но это увеличение поверхности нагрева надо осуществить так, чтобы не увеличивать размеров самого котла. Иначе он будет слишком громоздким, а отдача тепла все равно не окажется достаточно высокой.

Так пришли к сооружению паровых котлов с жаровыми трубами. Эти котлы еще и теперь можно встретить в кочегарках небольших предприятий, где они производят пар для нужд производства и отопления. Делаются они либо с одной жаровой трубой и тогда носят название корнваллийских, либо с двумя жаровыми трубами — ланкаширские.

Вдоль всего барабана проходят две трубы. В них располагаются топки, в которых происходит сжигание топлива. Такой котел называется ланкаширским.

Котлы с двумя жаровыми трубами еще и теперь производятся у нас заводом «Красный котельщик» в г. Таганроге. Употребляются они для отопления, иногда еще и для небольших кузнечных цехов и т. д.

Вот как устроен такой котел. В двух трубах, проходящих вдоль всего барабана, располагаются топки, в которых происходит сжигание топлива. Образующиеся при этом горячие газы идут по трубам и обогревают воду, которая находится в барабане вокруг труб. Из труб газы поступают в дымоходы, расположенные в кирпичной кладке. Проходя по ним, газы на этот раз обогревают барабан уже снаружи и опять передают свое тепло воде.

Совершенно очевидно, что при такой конструкции котла выигрывается поверхность нагрева, равная поверхности жаровых труб.

Представьте себе, что вся внутренность жаровой трубы заполнена многочисленными узкими трубками, идущими по всей ее длине. Тогда естественно, что общая поверхность всех малых трубок, разместившихся в жаровой трубе, значительно больше поверхности самой жаровой трубы.

Поэтому вполне понятно, что стремление увеличить поверхность нагрева, не увеличивая размера самого барабана котла, должно было привести к мысли: вместо двух больших жаровых труб пронизать барабан большим количеством трубок малого диаметра, по которым и направлять горячие газы. Так появились котлы с дымогарными трубками, то есть с трубками малого диаметра. Известным представителем этой группы котлов является и поныне широко распространенный паровозный котел, Посмотрите на паровоз спереди, когда откинута передняя крышка кожуха, и вы увидите концы этих дымогарных трубок.

Значительное распространение получили в конце прошлого столетия котлы, являющиеся комбинацией котлов с дымогарными трубками и жаротрубных котлов. Особое развитие получили они на водном транспорте как наиболее компактные из развитых в то время конструкций. Они известны под названием шотландских котлов. Конечно, они могли обслуживать водный транспорт только до тех пор, пока установленные на кораблях паровые машины были небольшой мощности и требовали сравнительно мало пара. Современные гиганты — океанские пароходы и большие военные корабли, оборудованные мощными турбинами, — не могут уже более обслуживаться этими котлами.

Такой шотландский котел имеет в своей нижней части жаровые трубы, а в верхней — дымогарные трубки.

Так называемый шотландский котел представляет собой комбинацию жаротрубных котлов с, дымогарными трубками. Такой котел имеет в своей нижней части жаровые трубы, а в верхней — дымогарные трубки.

Основная часть всех котлов, которые мы до сих пор рассматривали, действительно представляет собой стальной барабан. Но вот техника делает следующий шаг, и выдвигается уже другая система котлов. Мы говорим о так называемых водотрубных котлах.

Вспомните, что в прежних котлах горячие газы шли по трубам, которые омывала снаружи вода. А в водотрубных котлах происходит как раз обратное. Здесь по трубам течет вода, а трубы омываются снаружи горячими газами. Отсюда и название этих котлов.

Водотрубные котлы обладают весьма существенными преимуществами по сравнению с их предшественниками. Они требуют значительно меньше металла для своего изготовления. Отдача тепла горячих газов воде осуществляется в водотрубных котлах полнее и лучше, что делает эти котлы более мощными по производительности. Самая конструкция водотрубных котлов позволяет концентрировать в одном котле большие поверхности нагрева, а этого невозможно было достичь при котлах прежней конструкции.

Вначале водотрубные котлы были небольшой мощности и обладали многими недостатками. Но их все время продолжали совершенствовать, и эти котлы постепенно вытеснили почти отовсюду своих предшественников.

У одних водотрубных котлов трубки расположены с меньшим наклоном. Такие котлы называются горизонтально-водотрубными. У других трубки расположены более вертикально. Такие котлы называются вертикально-водотрубными.

Если вы посмотрите, например, на вертикально-водотрубный котел, то увидите, что он состоит из целой комбинации барабанов, большого количества труб и металлических конструкций. И заметьте, что лишь вся комбинация есть паровой котел. Барабаны, которые вы здесь увидите, играют лишь подсобную роль. Они не участвуют активно в производстве пара. Более того, они даже обычно изолируются от действия горячих газов. Здесь горячими газами омываются последовательно только пучки тонких трубок, внутри которых циркулирует вода. Газы проходят по специальным газоходам, устроенным в кирпичной кладке, которой обмуровывается котел.

Вертикально-водотрубный котел состоит из целой комбинации барабанов, тонких трубок и металлических конструкций. Барабаны здесь играют подсобную роль: они служат только резервуарами воды.

Водотрубные котлы имеют со своими предшественниками то общее, что они работают по принципу естественной циркуляции испаряемой в них воды.

Вам, конечно, приходилось не раз наблюдать естественную циркуляцию воды. Попробуйте снаружи рукой растопленную колонку в ванной комнате: внизу она еще холодная, а вверху уже горячая. Но ведь колонка топится снизу, почему же так получается? Да потому, что, нагреваясь внизу, вода приобретает меньший удельный вес и подымается кверху, а холодная вода опускается вниз. Это и есть естественная циркуляция воды.

По этому же принципу работают и все котлы, о которых мы рассказывали.

В качестве примера мы разберем естественную циркуляцию водотрубного котла. В общем случае этот котел представляет собой комбинацию верхних и нижних барабанов-резервуаров. Эти барабаны связаны пучками трубок. Внутри трубок протекает вода, подлежащая испарению, а снаружи трубки омываются горячими газами, которые идут по газоходам.

Газоходы устроены таким образом, что пучки трубок омываются ими последовательно. Первые пучки трубок омываются газами, обладающими наиболее высокой температурой, именно в этих пучках и происходит интенсивное парообразование, — эти трубки заполнены смесью пара и воды. Последующие пучки омываются все менее горячими газами, и в этих пучках уже не происходит испарение воды, — здесь вода только нагревается.

Так как удельный вес смеси пара и воды меньше, чем одной воды, то устанавливается естественный поток, или, как говорят, естественная циркуляция воды: из части верхних барабанов она идет по слабо обогреваемым пучкам в нижние барабаны, а оттуда по первым пучкам труб —  в верхние барабаны.

Из верхних барабанов пар поступает в перегреватель, а затем в турбину, где и совершает работу.

Естественная циркуляция воды обусловливает правильную и безаварийную работу котла. Малейшее расстройство циркуляции воды в котле —  подобно расстройству кровообращения у человека — неминуемо ведет к авариям. Объясняется это тем, что при нарушении циркуляции паровые пузырьки закупоривают трубки, в них становится все меньше и меньше воды, трубки заполняются парами. Тогда происходят чрезмерный перегрев стенок трубок и разрыв.

*

Естественная циркуляция воды намного ухудшается при высоких давлениях пара. Происходит это потому, что уменьшается разность удельных весов паро-водяной смеси и воды. Между тем, современная теплотехника все больше и больше переходит именно к высоким давлениям пара, так как это дает значительно более экономичную работу установок.

И вот, чтобы разрешить это противоречие, теплотехники стали создавать в последнее время различные конструкции котлов с искусственной, принудительной циркуляцией воды.

Особый интерес представляет собой наш советский прямоточный котел системы профессора Рамзина.

Принцип прямоточности — прямого тока — заключается в следующем: представьте себе длинную трубку — безразлично, прямую или изогнутую в виде змеевика. По трубке прокачивается насосом вода. Снаружи трубка омывается потоком горячих газов.

Количество прокачиваемой воды, длина трубки и количество подводимого к трубе тепла подобраны так, что за свой путь по трубе вода сначала подогревается, затем испаряется, и полученный пар перегревается до нужной по условиям производства температуры. В этом и заключается принцип прямоточности. С одного конца в трубку поступает вода, а из другого выходит готовый к работе перегретый пар. По этому принципу и строятся прямоточные котлы профессора Рамзина.

В чем же их преимущество?

Прежде всего отпадает надобность в барабанах. В самом деле, для чего они? Циркуляция воды в котле осуществляется с помощью специального насоса, который прокачивает воду по трубкам, изогнутым в виде змеевиков специальной формы. Эти змеевики и составляют главную часть прямоточного котла. Насос подает воды ровно столько, сколько необходимо выработать пара в данное время. Вполне ясно, что здесь совершенно излишни барабаны, представляющие собой в водотрубных котлах только резервуары воды, циркулирующей по трубкам.

Регулирование работы прямоточного котла максимально автоматизируется. Точная аппаратура заменяет многочисленный обслуживающий персонал старых котелен.

Прямоточный котел состоит только из труб и небольшого числа сборных и распределительных коробок из стали. Отсутствие барабанов — это уже много. Стоит лишь вспомнить, что барабаны для котлов высокого давления изготовляются из специальных сортов дорогостоящей стали. Они требуют для своего производства сложных металлургических и технологических процессов. В результате всего этого они обходятся раза в четыре дороже, чем трубы. Поэтому отказ от барабанов при сооружении котла — это большой шаг вперед. Достаточно только посмотреть на один из таких барабанов, чтобы просто физически ощутить, как важно избавиться от этой громоздкой махины в котлостроении. В прямоточном котле нет тех пучков труб, единственным назначением которых в водотрубных котлах является поддержание циркуляции воды. Это те трубы, по которым вода опускается сверху вниз и в которых не должно происходить ее испарение. Эти балластные трубы, которые ложатся мертвым весом на всю установку, в прямоточном котле отсутствуют. В нем все трубы активно участвуют в работе.

Отсутствие барабана и балластных труб намного облегчило вес прямоточных котлов по сравнению с котлами других конструкций. Внедрение прямоточных котлов означает огромную экономию в металле. Отсюда их значительно меньшая стоимость. Стоимость прямоточного котла высокого давления производительностью в 160—200 тонн пара в час, примерно, на 700 тысяч рублей меньше стоимости барабанного водотрубного котла той же производительности и давления.

Вот от изготовления каких колоссальных, тяжелых барабанов избавляют нашу промышленность прямоточные котлы.

Прямоточный котел, состоящий в основном из труб, позволяет придать топочной камере, где происходит сжигание топлива, такую форму, которая обеспечивает максимальную отдачу тепла трубкам и через их стенки воде.

Прямоточный котел и по своим размерам значительно меньше многих котлов специальных конструкций. Для него не надо строить таких огромных зданий. Поэтому удешевляется и вся установка с прямоточными котлами.

Работа прямоточного котла значительно надежнее. В нем нет таких уязвимых мест, как, например, соединения труб с барабанами в водотрубных котлах. В прямоточном котле концы трубок соединены между собой методом термитной сварки, надежность которой проверена на опыте. За 7 тысяч часов работы котла из 5680 сварок произошел разрыв только одной из них, которая, как оказалось, была выполнена недоброкачественно.

Еще одним важным преимуществом обладают прямоточные котлы: они могут быть очень быстро из холодного состояния приведены в готовность к отдаче пара. Вместо нескольких часов, которые нужны для растопки обычного барабанного котла, прямоточному котлу при соответственно выполненной обмуровке достаточно получаса, чтобы начать отдачу пара для работы турбин.

Регулирование работы прямоточного котла производится автоматически.

Чтобы исключить опасность всяких случайных аварий и недосмотров, везде, где можно, обслуживание котла человеком заменяется автоматической аппаратурой.

Вполне понятно, что в прямоточном котле количество воды и топлива все время должно точно соответствовать друг другу при любой нагрузке котла. Поэтому особое внимание обращается на то, чтобы была полная связь между работой насоса, подающего в котел воду, и топливного насоса, подающего мазут для сжигания в топке.

Прямоточные котлы можно изготовлять самой разнообразной производительности: от одной тонны пара в час и до таких колоссальных цифр, как 600 тонн, обеспечивающих мощность более 100 тысяч киловатт. Это открывает перед прямоточными котлами широкую дорогу в самые разнообразные отрасли промышленности.