Водотрубный котел высокого давления [1] (также называемый водотрубным и водотрубным) — это тип котла , в котором вода циркулирует в трубах, нагреваемых снаружи огнем. Топливо сгорает внутри печи , образуя горячий газ, который кипятит воду в парогенерирующих трубках. В котлах меньшего размера дополнительные генерирующие трубы расположены в топке отдельно, тогда как в котлах более крупного коммунального назначения для выработки пара используются заполненные водой трубы, составляющие стенки печи .
Нагретая пароводяная смесь затем поднимается в паровой барабан . Здесь насыщенный пар отводится из верхней части барабана. В некоторых [ каких? ] обслуживания, пар проходит через трубы в тракте горячего газа (перегреватель ) и становится перегретым . Перегретый пар представляет собой сухой газ и поэтому 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 «сливные трубы» большого диаметра, где она предварительно нагревает подаваемую питательную воду. (В крупных коммунальных котлах питательная вода подается в паровой барабан, а сливные трубы подают воду на дно водяных стенок). Для повышения экономичности котла отходящие газы также используются для предварительного нагрева воздуха для горения, подаваемого в горелки, и подогрева питательной воды в экономайзере . Такие водотрубные котлы на тепловых электростанциях еще называют парогенераторными установками .
Более старая конструкция жаротрубного котла , в которой вода окружает источник тепла, а газы сгорания проходят по трубам внутри водного пространства, обычно представляет собой гораздо более слабую конструкцию и редко используется при давлении выше 2,4 МПа (350 фунтов на квадратный дюйм). Существенным преимуществом водотрубного котла является меньшая вероятность катастрофического выхода из строя: в котле нет большого объема воды и нет крупных механических элементов, подверженных выходу из строя.
Водотрубный котел был запатентован Блейки из Англии в 1766 году и изготовлен Даллери из Франции в 1780 году. [2]
«Способность водотрубных котлов проектироваться без использования чрезмерно больших и толстостенных сосудов под давлением делает эти котлы особенно привлекательными для применений, требующих сухого пара высокого давления и высокой энергии, включая выработку энергии паровых турбин». [3]
Благодаря своим превосходным рабочим свойствам использование водотрубных котлов весьма предпочтительно в следующих основных областях:
Кроме того, они часто используются на электростанциях, где обычно требуются большие количества пара (до 500 кг/с), имеющего высокое давление, т.е. около 16 мегапаскалей (160 бар), и высокие температуры, достигающие 550 °C. Например, солнечная электростанция Иванпа использует два водотрубных котла Rentech Type-D для прогрева электростанции, а также при работе в качестве электростанции, работающей на ископаемом топливе. [4]
Современные котлы для выработки электроэнергии почти полностью представляют собой водотрубную конструкцию из-за их способности работать при более высоких давлениях. Там, где технологический пар необходим для отопления или в качестве химического компонента, там еще остается небольшая ниша для жаротрубных котлов. Одним заметным исключением являются типичные атомные электростанции ( реакторы с водой под давлением ), где парогенераторы обычно имеют конструкцию, аналогичную конструкции жаротрубных котлов. В этих приложениях путь горячего газа через «жаровые трубы» фактически переносит очень горячий теплоноситель первого контура высокого давления из реактора, а на внешней поверхности труб генерируется пар.
Их способность работать при более высоком давлении привела к тому, что судовые котлы стали почти полностью водотрубными. Это изменение началось примерно в 1900 году и привело к использованию турбин в качестве силовых установок, а не поршневых (то есть поршневых) двигателей, хотя водотрубные котлы также использовались с поршневыми двигателями, а жаротрубные котлы также использовались во многих морских турбинах.
Значительного внедрения водотрубных котлов на железнодорожных локомотивах не произошло. Было создано несколько экспериментальных разработок, но ни одна из них не имела успеха и не привела к их широкому использованию. [5] Большинство водотрубных железнодорожных локомотивов, особенно в Европе, использовали систему Шмидта . Большинство из них были соединениями , а некоторые - однотоками . Исключением был Джон Генри компании Norfolk and Western Railway , поскольку на нем использовалась паровая турбина в сочетании с электрической трансмиссией. [6]
Несколько более успешным внедрением стало использование гибридных водотрубных и пожаротрубных систем. Поскольку самой горячей частью локомотивного котла является топка , было эффективным решением использовать здесь водотрубную конструкцию и обычный жаротрубный котел в качестве экономайзера (т.е. предварительного нагревателя) в обычном положении.
Одним из известных примеров этого был американский самолет Baldwin 4-10-2 № 60000 , построенный в 1926 году. Работая в составе агрегата при давлении в котле 2400 килопаскалей (350 фунтов на квадратный дюйм), он успешно преодолел более 160 000 километров (100 000 миль). Однако через год стало ясно, что любые экономики перегружены дополнительными расходами, и его отправили на выставку в музей Института Франклина в Филадельфии, штат Пенсильвания. [8] Серия из двенадцати экспериментальных локомотивов была построена в мастерских Mt. Clare железной дороги Балтимора и Огайо под руководством Джорджа Х. Эмерсона, но ни один из них не был воспроизведен в каком-либо количестве. [9]
Единственным железнодорожным применением водотрубных котлов в каком-либо количестве был котел Бротана, изобретенный Иоганном Бротаном в Австрии в 1902 году и встречающийся в редких экземплярах по всей Европе, хотя Венгрия была активным пользователем и имела около 1000 таких котлов. Как и «Болдуин», он сочетал в себе водотрубную топку и огнетрубный ствол. Первоначальной особенностью Бротана был длинный паровой барабан, проходящий над основным стволом, что делало его внешне похожим на котел Фламана . [10] [11]
В то время как тяговый двигатель обычно создавался с использованием котла локомотива в качестве рамы, в других типах паровых транспортных средств, таких как грузовики и автомобили, использовался широкий спектр различных типов котлов. Пионеры автомобильного транспорта Голдсуорси Герни и Уолтер Хэнкок использовали водотрубные котлы в своих паровых вагонах около 1830 года.
В большинстве вагонов нижнего типа использовались водотрубные котлы. Многие производители использовали варианты вертикального котла с поперечными трубами, в том числе Atkinson , Clayton , Garrett и Sentinel . Другие типы включают « наперсточную трубку » Кларксона и котел в форме пистолета от фургона Foden O-типа . [12]
Производители паровых пожарных машин , такие как Merryweather, обычно использовали водотрубные котлы из-за их способности быстро поднимать пар.
На многих паровых вагонах использовались водотрубные котлы, а компания Bolsover Express даже произвела водотрубную замену жаротрубного котла Stanley Steamer . [13]
Тип D — наиболее распространенный тип котлов малого и среднего размера, аналогичный показанному на принципиальной схеме. Он используется как в стационарных, так и в морских приложениях. Он состоит из большого парового барабана, вертикально соединенного с меньшим водяным барабаном (также известным как «грязевой барабан») через несколько парогенерирующих трубок. Эти барабаны и трубы, а также масляная горелка окружены водяными стенками - дополнительными заполненными водой трубками, расположенными близко друг к другу, чтобы предотвратить поток газа между ними. Эти трубы с водяными стенками подсоединены как к паровому, так и к водяному барабанам, поэтому они действуют как комбинация подогревателей и сливных труб, а также уменьшают потери тепла в корпусе котла.
Котлы типа М использовались на многих военных кораблях США во время Второй мировой войны, включая сотни эсминцев класса «Флетчер» . Три набора трубок образуют форму буквы М и образуют пароперегреватель с отдельным нагревом, который позволяет лучше контролировать температуру перегрева. В дополнение к грязевому барабану, показанному на котле типа D, котел типа M имеет коллектор с водяным экраном и коллектор с водяной перегородкой в нижней части двух дополнительных рядов вертикальных труб и сливных труб.
Котел с низким содержанием воды имеет нижний и верхний коллектор, соединенные водяными трубками, которые непосредственно соприкасаются с горелкой. Это «безпечный» котел, способный генерировать пар и быстро реагировать на изменение нагрузки.
.jpg/1280px-Babcock_and_Wilcox_boiler_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Этот тип , разработанный американской фирмой Babcock & Wilcox , имеет одинарный барабан, в котором питательная вода забирается из нижней части барабана в коллектор, по которому подаются наклонные водопроводные трубы. Водяные трубы подают пар обратно в верхнюю часть барабана. Печи расположены под трубами и барабаном.
Котлы этого типа использовались на фрегатах класса «Леандер » Королевского флота и на крейсерах ВМС США типа «Новый Орлеан» .
Котел Стирлинга имеет почти вертикальные, почти прямые водяные трубы, которые зигзагообразно проходят между несколькими паровыми и водяными барабанами. Обычно в схеме «четыре барабана» имеется три блока трубок, но в некоторых приложениях используются варианты, разработанные с другим количеством барабанов и блоков.
В основном они используются в качестве стационарных котлов из-за их большого размера, хотя большая площадь колосников также способствует их способности сжигать широкий спектр видов топлива. Первоначально они работали на угле на электростанциях, но затем получили широкое распространение в отраслях, производящих горючие отходы и требующих технологического пара. Целлюлозно-бумажные комбинаты могли бы сжигать отходы коры, а сахарные заводы — отходы жома . Это котел горизонтального барабанного типа.
.jpg/1280px-Yarrow_boiler_end_section_(Stokers_Manual_1912).jpg)
Названный в честь своих конструкторов, тогдашней компании Yarrow Shipbuilders из Топлара , этот тип трехбарабанного котла имеет три барабана, расположенных в виде треугольника , соединенных водяными трубками. Барабаны соединены прямыми водяными трубками, что позволяет легко их очищать. Однако это означает, что трубы входят в барабаны под разными углами, что затрудняет герметизацию соединения . За пределами топки пара труб холодного отвода между каждым барабаном действует как сливные трубы . [14]
Благодаря трем барабанам котел Ярроу имеет большую емкость воды. Следовательно, этот тип обычно используется в старых судовых котлах. Компактные размеры сделали его привлекательным для использования в передвижных энергоблоках во время Второй мировой войны . Для обеспечения транспортабельности котел и его вспомогательное оборудование (мазутный подогрев, насосные агрегаты, вентиляторы и т. д.), турбины и конденсаторы были смонтированы на вагонах для перевозки по железной дороге .
Тип Уайта-Форстера похож на тысячелистник, но с постепенно изогнутыми трубками. Это делает их вход в барабаны перпендикулярным, что упрощает создание надежного уплотнения. [14]
.jpg/1280px-Thornycroft_boiler_end_section_(Stokers_Manual_1912).jpg)
Модель Thornycroft, разработанная судостроителем John I. Thornycroft & Company , имеет один паровой барабан с двумя наборами водяных трубок по обе стороны от печи. Эти трубки, особенно центральный комплект, имеют резкие изгибы. Помимо очевидных трудностей при их очистке, это также может привести к возникновению изгибающих усилий по мере нагрева трубок, которые имеют тенденцию отрывать их от трубной доски и создавать утечку. Имеются две топки, выходящие в общий выхлоп, что придает котлу широкий сужающийся профиль основания. [14]
В котле с принудительной циркуляцией добавляется насос для ускорения потока воды по трубкам. [15]
Локомотивы с водотрубными котлами класса E7 Делавэра и Гудзона состояли из трех экземпляров 1400-1402.
