Паровой инжектор: принцип работы, устройство и парадокс подачи воды в котел

Паровой инжектор, предназначенный для нагнетания питательной воды в паровые котлы, в свое время стал одним из наиболее удивительных достижений инженерной мысли. За исключением специалистов-теплотехников, немногие знают о назначении этого устройства и физических основах его функционирования, хотя изучение принципов его работы представляет значительный познавательный интерес. Это устройство наглядно демонстрирует, как энергия пара может быть использована для возврата воды в сосуд с высоким давлением, что на первый взгляд противоречит интуитивным представлениям о поведении газов и жидкостей. Изобретение инжектора произвело настоящую революцию в паровой технике конца XIX века, позволив существенно упростить конструкцию котельных установок и повысить их надежность.

Для понимания сути процесса необходимо представить следующую схему. От главной паровой магистрали, соединяющей котел с паровой машиной, отводится трубка А (рис. 49), по которой пар поступает непосредственно в инжектор. В камере инжектора С происходит смешение паровой струи с потоком воды, поступающим из трубки В. Образовавшаяся смесь под давлением направляется через третью трубку D обратно в котел. Таким образом, пар, покинувший котел под высоким давлением, не только преодолевает противодавление пара, остающегося в котле, но и доставляет обратно дополнительный объем свежей воды.

Рис. 49. Схематическое устройство парового инжектора: А — пароподводящая трубка, В — водоподводящая трубка, С — камера смешения, D — нагнетательная трубка, ведущая в котел

Для объяснения этого кажущегося парадокса необходимо детально рассмотреть внутреннее устройство инжектора. На принципиальной схеме (рис. 49) некоторые конструктивные элементы сознательно опущены, чтобы акцентировать внимание на главных функциональных узлах; отдельные детали для наглядности изображены в увеличенном масштабе. Основными компонентами являются паровое сопло, водяное кольцо, камера смешения и диффузор (нагнетательный конус). Именно геометрия этих элементов определяет эффективность преобразования энергии и возможность преодоления высокого давления.

Насыщенный пар из котла с большой скоростью поступает через трубку А в инжектор, проходя через специально профилированное сопло. По трубе В подается холодная вода, которая вливается в кольцеобразную камеру С, формируя кольцевую водяную завесу, окружающую центральную струю пара. При непосредственном контакте с холодной водой происходит интенсивная конденсация пара, в результате чего образуется тонкая струя воды, движущаяся с высокой скоростью. Эта струя смешивается с кольцевым потоком воды и поступает в пространство D, сообщающееся с паровым пространством котла. По мере продвижения потока через расширяющийся канал диффузора его скорость постепенно уменьшается, а гидродинамическое давление возрастает до тех пор, пока не становится достаточным для преодоления избыточного давления в котле и открытия обратного клапана.

Возникает закономерный вопрос: каков источник той значительной энергии, которая позволяет потоку преодолеть противодавление в котле? Ответ кроется в физических процессах, сопровождающих фазовый переход пара в воду. Представим, что струя пара с высокой скоростью впускается в пространство, где давление составляет лишь половину от первоначального. В этом случае происходит расширение пара, скорость его частиц возрастает, а вместе с ней увеличивается и их кинетическая энергия. При атмосферном давлении объем пара примерно в 1700 раз превышает объем воды, из которой он был получен. Следовательно, при конденсации объем струи уменьшается в 1700 раз, что соответствует уменьшению диаметра струи более чем в 40 раз. Вся накопленная кинетическая энергия движения молекул концентрируется теперь в тонкой водяной струе, плотность энергии в единице объема возрастает примерно в 1700 раз по сравнению с исходной паровой струей.

Хотя в реальных условиях, с учетом потерь на трение и теплообмен, эффективность преобразования энергии несколько ниже теоретического максимума, прирост энергии оказывается вполне достаточным для преодоления давления в котле и нагнетания воды обратно, с попутным увлечением той воды, которая вызвала конденсацию. Таким образом, вопреки первоначальному предположению, не пар, а образовавшаяся в результате его конденсации высокоскоростная струя воды совершает работу по возврату питательной воды. Концентрация энергии при конденсации столь велика, что даже отработавший в машине пар, имеющий давление, близкое к атмосферному, остается пригодным для работы инжектора. Именно это обстоятельство создает у внешнего наблюдателя иллюзию, что более слабый энергоноситель (пар низкого давления) побеждает более сильный (пар высокого давления в котле).

Следует отметить, что эффективность работы инжектора существенно зависит от температуры питательной воды. При повышении температуры воды интенсивность конденсации снижается, что может привести к ухудшению вакуума в камере смешения и, как следствие, к срыву работы устройства. Поэтому в стационарных котельных установках инжекторы часто комплектовались дополнительными охладителями или использовались только для пусковых режимов. Тем не менее, благодаря отсутствию движущихся частей, простоте конструкции и надежности, паровые инжекторы нашли широкое применение не только в стационарной теплотехнике, но и на паровозах, где они использовались для питания котлов водой из тендера. Современные струйные аппараты, работающие на аналогичных принципах, до сих пор применяются в различных отраслях промышленности для перекачки жидкостей и газов, создания вакуума и смешения сред.

Для углубленного понимания процесса полезно рассмотреть баланс энергии в инжекторе. Кинетическая энергия паровой струи преобразуется в потенциальную энергию давления воды в диффузоре, однако ключевым моментом является именно конденсация. Когда пар соприкасается с холодной водой, происходит не только механическое взаимодействие струй, но и интенсивный тепломассообмен. Пар отдает теплоту парообразования воде, нагревая ее, а сам конденсируется. Резкое уменьшение объема создает зону пониженного давления (разрежение) в камере смешения, что способствует дальнейшему подсасыванию воды из питательного бака. Затем образовавшаяся смесь с высокой скоростью поступает в диффузор, где кинетическая энергия переходит в давление.

Исторически первый работоспособный инжектор был создан французским инженером Анри Жиффаром в 1858 году, и уже через несколько лет эти устройства начали триумфальное шествие по котельным установкам Европы и Америки. До изобретения инжектора питание котлов осуществлялось исключительно с помощью механических насосов с паровым приводом, которые были сложны, громоздки и требовали постоянного обслуживания. Инжектор же, будучи исключительно простым устройством, состоящим из нескольких профилированных деталей, произвел подлинную революцию в эксплуатации паровых котлов, значительно повысив их безопасность и экономичность. Удивительно, но факт: это устройство, работающее на парадоксальных, на первый взгляд, физических принципах, оказалось настолько надежным, что применялось на паровозах вплоть до конца эпохи паровой тяги, а в некоторых промышленных установках используется и по сей день.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.