История создания, устройство и принцип действия парового котла

2.1.1 История создания парового котла

Еще в древности человек научился использовать энергию огня – в начале для отпугивания хищников, охоты на диких животных, приготовления пищи и обогрева жилища. Затем, по мере совершенствования навыков, человек, став земледельцем, использовал огонь для выжигания участков леса с целью последующего использования земли для выращивания окультуренных растений и организации пастбищ для диких животных, на которых охотился, а в дальнейшем для одомашненного скота.

В этот же исторический период человек заметил, что при нагревании из воды получается пар. В глубокой древности появились простейшие устройства для получения пара. К таковым можно отнести, например, шар Герона Александрийского. Однако, в течение многих столетий, вплоть до конца XVI – начала XVII веков энергия водяного пара практически не использовалась. Немногочисленные паровые водоподъемники, действовавшие в те времена, не имели собственного генератора пара – парового котла.

Впервые паровой котел как генератор пара был отделен от исполнительного механизма в 1600 г.в установке Джамбатиста дела Порта, предназначенной для подъема воды. Однако отсутствие в то время универсального парового двигателя тормозило развитие паровых котлов.

Развитие паровых котлов как самостоятельных агрегатов начинается с момента изобретения первого универсального двигателя – паровой машины, сконструированной и построенной российским изобретателем И.И.Ползуновым в 1763 – 1765 годах на алтайских заводах. Котел И.И. Ползунова имел уже основные элементы, присущие любому паровому котлу.

Исключительно мощным подъемом пароэнергетики был ознаменован XIX в. – «век пара».

На основе паровых двигателей, превращающих тепловую энергию в механическую работу было организовано производство XIX века. Развитие крупной промышленности потребовало расширения рынков и быстрой, безопасной и массовой переброски сырья и товаров. Как отметил в это время Ф.Энгельс: «Пар произвел переворот в путях сообщения не только на Земле, но и на воде».

Началом внедрения пара на морских судах считается постройка Фултоном в 1807 г. парохода «Клермонт». На этом деревянном судне с машинной мощностью в 20 лс. (1 лс. = 0,735 кВт) был установлен небольшой котел с кирпичной обмуровкой, в котором сжигались дрова.

Первый русский пароход «Елизавета» совершил рейс от Петербурга до Кронштадта 3 ноября 1815 г. А в период 1815-1822 гг. было построено еще несколько пароходов, на которых устанавливались медные и железные коробчатые котлы с давлением пара 0,2…0,3 ат (1 ат = 98066,5 Па).

Через 20 лет после постройки первого парового судна в мировом флоте насчитывалось уже около тысячи пароходов и их рост стал обгонять рост числа парусных судов.

В связи с применением в качестве топлива дров, а также малой надежности таких СЭУ в начале XIX в. океанские пароходы были парусно-паровыми. До середины XIX в. питание котлов осуществлялось в основном морской водой. Образующаяся при этом в большом количестве накипь на поверхности нагрева вызывала перегрев стенок и нередко приводило к взрывам котлов. Постройка во 2-й половине XIX в. стальных цилиндрических котлов и применение для их питания конденсата пара (пресной воды) дали возможность повысить давление до 5-7 ат и уменьшить тем самым опасность взрыва.

В 70-х годах XIX в. появились судовые огнетрубные оборотные котлы, в которых применен перегрев пара, а в дальнейшем – подогрев подаваемого в топку воздуха, необходимого для сжигания топлива.

В конце XIX в. появилась паровая турбина и выяснилось, что огнетрубный котел не может удовлетворить потребности турбины в паре повышенных параметров. Необходим был водотрубный котел и к началу XXв. насчитывалось уже около 50-ти конструкций водотрубных котлов.

Большой вклад в совершенствование котельной техники принадлежит российским ученым и инженерам. Например, инженер, а в дальнейшем академик АНСССР В.Г.Шухов создал оригинальную конструкцию мощного водотрубного котла, который затем копировали на Западе. Котлы конструкции Долголенко В.Я. были установлены на ряде кораблей военного флота, в том числе на крейсере «Аврора».

Отечественной науке и технике принадлежит заслуга в решении проблем сжигания жидкого топлива в топках котлов. Так, способ сжигания жидкого топлива распылением был впервые предложен в 1865 г. А.И.Шпаковским. В конце XX в. коллектив инженеров Тентелевского завода создал первую форсунку с механическим распылом жидкого топлива.

Следует отметить, что серьезный вклад в совершенствование паровых котлов внес прославленный адмирал Русского флота С.О.Макаров, именем которого названы Государственная морская Академия в Санкт-Петербурге, Государственный кораблестроительный институт в Николаеве, Высший Военно-морской институт во Владивостоке.

Что же предложил и сделал С.О.Макаров?

1. Разработал устройства и способы ускоренной разводки пара в корабельных паровых котлах, что было важно для боевых кораблей, на которых подъем температуры воды в котлах до 100ºС занимал целый час, а с внедрением устройства Макарова – всего 10-20 минут.

2. Добился повышения экономичности паровых установок за счет внедрения ступенчатого использования пара.

3. Предложил использовать в качестве топлива для паровых котлов нефтяные остатки – мазут. В результате именно русский флот первым стал использовать жидкое топливо в котельных агрегатах.

Начиная с конца 30-х годов XX в. и особенно после окончания Великой Отечественной войны большое развитие получило морское котлостроение.

Освоение котельной техники и ее эксплуатация в сложных условиях морского плавания требует глубоких знаний теории современной судовой теплоэнергетики. Такие знания студенты получают при изучении дисциплины «Техническая термодинамика» и «Теплопередача» на 3 курсе.

2.1.2 Устройство и принципы действия парового котла

Паровым котлом называется агрегат, предназначенный для непрерывного производства (генерации) пара за счет превращения какого-либо вида энергии в тепловую.

В любом котле имеется топка (рисунок 2.1), предназначенная для сжигания топлива в потоке специально подводимого воздуха. Воздух, расходуемый на горение топлива для лучшего сгорания, как правило, предварительно подогревается.

Рисунок 2.1 Схема огнетрубного котла: 1 – дымовая коробка; 2 – дымовая труба; 3 – переднее днище; 4 – дымогарные трубы; 5 – корпус; 6 – заднее днище; 7 – огневая камера; 8 – жаровая труба; 9 – форсунка.

В результате горения в топке образуются газообразные продукты сгорания, теплота которых за счет теплопроводности передается рабочей среде (воде, пару) через поверхность нагрева котла.

Все паровые котлы в зависимости от организации потоков рабочего тела разделяются на огнетрубные и водотрубные.

В огнетрубных котлах горячие газы проходят внутри труб, а вода находится между ними.

В водотрубных котлах пламя и горячие газы омывают трубы снаружи, а внутри труб перемещается нагреваемая рабочая среда – вода и пар (за счет естественной тепловой конвекции).

Рисунок 2.2 Схема водотрубного однопроточного котла:

1 – пароводяной коллектор; 2 – трубы бокового экрана; 3 – форсунки; 4 – топка; 5 – водяной коллектор; 6 – основной пучок труб.

В том и другом случае получается пар, имеющий высокую температуру и избыточное давление, который в дальнейшем приводит в действие паровую машину (поршневую) или турбину, а также используется для общесудовых нужд (нагрев воды, масла, топлива, в системе кондиционирования и т.д.).