Водотрубный котел высокого давления [1] (также пишется как водотрубный и водотрубный) — это тип котла , в котором вода циркулирует в трубках, нагреваемых снаружи огнем. Топливо сжигается внутри печи , создавая горячий газ, который кипятит воду в парогенерирующих трубках. В котлах меньшего размера дополнительные генерирующие трубы находятся отдельно в печи, в то время как более крупные коммунальные котлы полагаются на заполненные водой трубы, которые составляют стенки печи, для генерации пара .
Затем нагретая смесь воды и пара поднимается в паровой барабан . Здесь насыщенный пар отбирается из верхней части барабана. В некоторых [ каких? ] службах пар проходит через трубы в тракте горячего газа ( пароперегреватель ), чтобы стать перегретым . Перегретый пар представляет собой сухой газ и поэтому обычно используется для привода турбин, поскольку капли воды могут серьезно повредить лопатки турбин.
Насыщенная вода в нижней части парового барабана возвращается в нижний барабан через «спускные трубы» большого диаметра, где она предварительно нагревает питательную воду. (В крупных коммунальных котлах питательная вода подается в паровой барабан, а спускные трубы подают воду в нижнюю часть водяных экранов). Для повышения экономичности котла выхлопные газы также используются для предварительного нагрева воздуха для горения, вдуваемого в горелки, и для подогрева питательной воды в экономайзере . Такие водотрубные котлы на тепловых электростанциях также называются паропроизводящими установками .
Более старая конструкция жаротрубного котла , в которой вода окружает источник тепла, а газы от сгорания проходят по трубам в водяном пространстве, обычно является гораздо более слабой конструкцией и редко используется при давлении выше 2,4 МПа (350 фунтов на кв. дюйм). Значительным преимуществом водотрубного котла является то, что вероятность катастрофического отказа меньше: в котле нет большого объема воды и нет крупных механических элементов, подверженных отказу.
Водотрубный котел был запатентован Блейки из Англии в 1766 году и изготовлен Даллери из Франции в 1780 году. [2]
«Возможность проектирования водотрубных котлов без использования чрезмерно больших и толстостенных сосудов высокого давления делает эти котлы особенно привлекательными в приложениях, где требуется сухой, высоконапорный, высокоэнергетический пар, включая производство электроэнергии паровыми турбинами» [3] .
Благодаря своим превосходным эксплуатационным свойствам водотрубные котлы пользуются особой популярностью в следующих основных областях:
Кроме того, они часто используются на электростанциях, где обычно требуется большое количество пара (до 500 кг/с) с высоким давлением, т. е. около 16 мегапаскалей (160 бар) и высокой температурой, достигающей 550 °C. Например, солнечная электростанция Ivanpah использует два водотрубных котла Rentech Type-D для разогрева станции и при работе в качестве электростанции на ископаемом топливе. [4]
Современные котлы для выработки электроэнергии почти полностью водотрубные конструкции, благодаря их способности работать при более высоких давлениях. Там, где технологический пар требуется для отопления или в качестве химического компонента, все еще есть небольшая ниша для жаротрубных котлов. Одно заметное исключение составляют типичные атомные электростанции ( водо-водяные реакторы ), где парогенераторы, как правило, сконфигурированы аналогично конструкциям жаротрубных котлов. В этих применениях путь горячего газа через «жаротрубы» фактически переносит очень горячий/высокодавленный первичный теплоноситель из реактора, и пар образуется на внешней поверхности труб.
Их способность работать при более высоких давлениях привела к тому, что судовые котлы стали почти полностью водотрубными. Это изменение началось около 1900 года и отследило принятие турбин для движения вместо поршневых (т. е. поршневых) двигателей – хотя водотрубные котлы также использовались с поршневыми двигателями, а жаротрубные котлы также использовались во многих приложениях с морскими турбинами.
Значительного внедрения водотрубных котлов для железнодорожных локомотивов не было. Было создано несколько экспериментальных конструкций, но ни одна из них не была успешной и не привела к их широкому использованию. [5] Большинство водотрубных железнодорожных локомотивов, особенно в Европе, использовали систему Шмидта . Большинство были составными , а несколько — прямоточными . Jawn Henry компании Norfolk and Western Railway был исключением, поскольку он использовал паровую турбину в сочетании с электрической трансмиссией. [6]
Немного более успешным внедрением стало использование гибридных водотрубных/жаротрубных систем. Поскольку самой горячей частью локомотивного котла является топка , было эффективным проектированием использовать здесь водотрубную конструкцию и обычный жаротрубный котел в качестве экономайзера (т.е. подогревателя) в обычном положении.
Одним из известных примеров этого был USA Baldwin 4-10-2 № 60000 , построенный в 1926 году. Работая как соединение 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 любая экономия перевешивает дополнительные расходы, и он был отправлен в музейную экспозицию в Институте Франклина в Филадельфии, штат Пенсильвания. [8] Серия из двенадцати экспериментальных локомотивов была построена в мастерских Baltimore and Ohio Railroad в Маунт-Клэр 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 Baldwin, он сочетал в себе водотрубную топку с жаротрубным стволом. Первоначальной характеристикой Brotan был длинный паровой барабан, работающий над главным стволом, что делало его похожим на котел Фламана по внешнему виду. [10] [11]
В то время как тяговый двигатель обычно строился с использованием локомотивного котла в качестве каркаса, другие типы паровых дорожных транспортных средств, такие как грузовики и автомобили, использовали широкий спектр различных типов котлов. Пионеры дорожного транспорта Голдсуорси Герни и Уолтер Хэнкок оба использовали водотрубные котлы в своих паровых экипажах около 1830 года.
Большинство вагонов нижнего типа использовали водотрубные котлы. Многие производители использовали варианты вертикального перекрестнотрубного котла, включая Atkinson , Clayton , Garrett и Sentinel . Другие типы включают Clarkson ' thimble tube ' и пистолетный котел вагона Foden O-type . [12]
Производители паровых пожарных машин , такие как Merryweather, обычно использовали водотрубные котлы из-за их быстрой паропроизводительности.
Во многих паровых автомобилях использовались водотрубные котлы, а компания Bolsover Express даже изготовила водотрубную замену жаротрубному котлу Stanley Steamer . [13]
« D-тип » — наиболее распространенный тип котлов малого и среднего размера, аналогичный показанному на принципиальной схеме. Он используется как в стационарных, так и в морских условиях. Он состоит из большого парового барабана, вертикально соединенного с меньшим водяным барабаном (также известным как «грязевой барабан») через несколько парогенерирующих труб. Эти барабаны и трубы, а также работающая на мазуте горелка окружены водяными экранами — дополнительными заполненными водой трубами, расположенными близко друг к другу, чтобы предотвратить поток газа между ними. Эти водяные экраны соединены как с паровыми, так и с водяными барабанами, так что они действуют как комбинация подогревателей и опускных труб, а также уменьшают потери тепла в корпусе котла.
Котлы типа M использовались на многих американских военных кораблях Второй мировой войны, включая сотни эсминцев класса Fletcher . Три набора трубок образуют форму буквы M и создают отдельно сжигаемый пароперегреватель, который позволяет лучше контролировать температуру перегрева. В дополнение к грязевому барабану, показанному на котле типа D, у котла типа M есть коллектор водяного экрана и коллектор водяного экрана в нижней части двух дополнительных рядов вертикальных трубок и опускных труб.
Котел с низким содержанием воды имеет нижний и верхний коллекторы, соединенные водяными трубами, которые напрямую ударяются о горелку. Это котел «без топки», который может генерировать пар и быстро реагировать на изменения нагрузки.
.jpg/1280px-Babcock_and_Wilcox_boiler_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Разработанный американской фирмой Babcock & Wilcox , этот тип имеет один барабан, с питательной водой, забираемой из нижней части барабана в коллектор, который снабжает наклонные водяные трубы. Водяные трубы подают пар обратно в верхнюю часть барабана. Топки расположены под трубами и барабаном.
Этот тип котлов использовался на фрегатах класса «Leander » Королевского флота и на крейсерах класса «New Orleans» ВМС США .
Котел Стирлинга имеет почти вертикальные, почти прямые водяные трубы, которые зигзагом проходят между несколькими паровыми и водяными барабанами. Обычно в схеме «четыре барабана» имеется три ряда труб, но в некоторых приложениях используются вариации, разработанные с другим числом барабанов и рядов.
Они в основном используются как стационарные котлы из-за их большого размера, хотя большая площадь решетки также способствует их способности сжигать широкий спектр топлива. Первоначально работавшие на угле на электростанциях, они также получили распространение в отраслях, которые производили горючие отходы и требовали технологического пара. Целлюлозно-бумажные фабрики могли сжигать отходы коры, сахарные заводы — отходы жома . Это горизонтальный барабанный тип котла.
.jpg/1280px-Yarrow_boiler_end_section_(Stokers_Manual_1912).jpg)
Названный в честь своих разработчиков, тогдашних судостроителей Yarrow Shipbuilders из Поплара , этот тип трехбарабанного котла имеет три барабана в форме дельты , соединенных водяными трубами. Барабаны соединены прямыми водяными трубами, что позволяет легко чистить трубы. Однако это означает, что трубы входят в барабаны под разными углами, что затрудняет герметизацию стыка . Снаружи топки пара труб холодного колена между каждым барабаном действует как сливные трубы . [14]
Благодаря трем барабанам котел Yarrow имеет большую емкость для воды. Поэтому этот тип обычно используется в старых судовых котлах. Его компактные размеры сделали его привлекательным для использования в транспортных энергоблоках во время Второй мировой войны . Для того чтобы сделать его транспортабельным, котел и его вспомогательное оборудование (топливоподогрев, насосные агрегаты, вентиляторы и т. д.), турбины и конденсаторы были установлены на вагонах для перевозки по железной дороге .
Тип White-Forster похож на Yarrow, но с трубками, которые постепенно изогнуты. Это делает их вход в бочки перпендикулярным, таким образом, проще сделать надежное уплотнение. [14]
.jpg/1280px-Thornycroft_boiler_end_section_(Stokers_Manual_1912).jpg)
Разработанный судостроителем John I. Thornycroft & Company , тип Thornycroft имеет один паровой барабан с двумя наборами водяных труб по обе стороны печи. Эти трубы, особенно центральный набор, имеют резкие изгибы. Помимо очевидных трудностей при их очистке, это также может привести к возникновению изгибающих сил по мере нагрева труб, что может привести к их отрыву от трубной доски и возникновению течи. Имеются две печи, выходящие в общий выхлоп, что придает котлу широкий базовый сужающийся профиль. [14]
В котле с принудительной циркуляцией добавляется насос для ускорения потока воды через трубы. [ 15 ]
Класс локомотивов Delaware and Hudson E7 с водотрубными котлами состоял из трех образцов 1400-1402
