Котел с кожухом или дымоходом — ранняя и относительно простая форма котла, используемого для производства пара , обычно для приведения в действие парового двигателя . Конструкция ознаменовала переходный этап в развитии котла между ранними котлами для стога сена и более поздними многотрубными жаротрубными котлами . Котел с дымоходом характеризуется большим цилиндрическим кожухом котла, образующим резервуар с водой, пронизанный одним или несколькими большими дымоходами , содержащими топку . Эти котлы появились примерно в начале 19 века, и некоторые формы остаются в эксплуатации и по сей день. Хотя в основном они использовались для статических паровых установок, некоторые из них использовались в ранних паровых транспортных средствах, железнодорожных локомотивах и кораблях.
Котлы с дымоходом были разработаны в попытке повысить давление пара и улучшить эффективность двигателя. Ранние конструкции стога сена времен Уатта были механически слабыми и часто представляли собой неподдерживаемую плоскую поверхность для огня. Взрывы котлов , обычно начинавшиеся с выхода из строя этой топочной плиты, были обычным явлением. Было известно, что арочная конструкция прочнее плоской плиты, поэтому внутри корпуса котла была размещена большая круглая дымовая труба. Сам огонь находился на железной решетке, размещенной поперек этого дымохода, с неглубоким зольником под ним для сбора негорючего остатка. Это имело дополнительное преимущество, заключающееся в том, что нагревательная поверхность плотно обволакивала печь, но это было второстепенным преимуществом.
Хотя сегодня это считается низким давлением (возможно, 25 фунтов на квадратный дюйм (1,7 атм )), это считалось высоким давлением по сравнению с его предшественниками. Это увеличение давления было основным фактором в превращении локомотивов (т. е. небольших самоходных транспортных средств), таких как у Тревитика, в практическое предложение.
.jpg/1280px-Blenkinsop's_rack_locomotive,_1812_(British_Railway_Locomotives_1803-1853).jpg)
Самый простой котел для локомотивов имел один прямой дымоход. Он широко использовался многими из ранних производителей локомотивов, включая локомотивы Бленкинсопа для Миддлтонской железной дороги и Локомотив № 1 Стефенсона .
Этот тип котла прост в изготовлении и достаточно прочен, чтобы поддерживать пар "высокого давления" (для того периода) с расширяющейся работой в цилиндрах. Также имеется хороший поток газа через большой дымоход, так что огонь получает достаточную тягу от действия только высокой трубы . Однако он также имеет небольшую площадь нагрева, поэтому неэффективен и сжигает большое количество угля.
Простой дымоход должен быть длинным, чтобы обеспечить достаточную площадь нагрева. В коротком корпусе котла, например, необходимом для паровоза , это можно сделать с помощью U-образного возвратного дымохода, который загибается назад.
Ричард Тревитик уже использовал обратный дымоход в своей первой конструкции локомотива Coalbrookdale 1802 года и в локомотиве Pen-y-Darren 1804 года. [1] Эти котлы были изготовлены из чугуна , имели короткий и плоский конец. Его локомотив Newcastle 1804/5 годов (на самом деле построенный в Гейтсхеде ) начал демонстрировать одну характерную особенность котла с обратным дымоходом — выступающую куполообразную форму, чтобы противостоять давлению пара в сплошном конце напротив как печи, так и дымохода. В этом случае изготовление котла, теперь из кованых железных пластин, должно быть, было осложнено единственным длинноходовым горизонтальным цилиндром Тревитика (9 дюймов × 36 дюймов (230 мм × 910 мм) диаметр×ход), который выходил через этот куполообразный конец. [1] Однако это облегчило работу кочегара, так как ему больше не приходилось пытаться добраться до топочной дверцы под длинной траверсой поршня.
Уильям Хедли использовал эту модель котла для своих локомотивов 1813 года Puffing Billy и Wylam Dilly . Благодаря шахте Wylam и ее владельцу Кристоферу Блэкетту Хедли, должно быть, был знаком с двигателем Тревитика. [2]
В паровозе 0-6-0 Royal George 1827 года Тимоти Хакворта также использовался котел с обратным дымоходом, хотя он наиболее известен своим новаторским использованием преднамеренной воздухозаборной трубы для усиления тяги в огне. [1] Его более легкая версия 0-4-0 для испытаний Rainhill , Sans Pareil, была очень похожа. [2] Несмотря на то, что они казались устаревшими сразу после окончания испытаний, канадский паровоз Samson этой модели был построен в 1838 году и все еще находился в эксплуатации в 1883 году. [2]
_(14578624980).jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Последними котлами с обратным дымоходом, построенными (за исключением некоторых стационарных котлов), часто считаются те, которые были построены компанией Huber Co. из Мэриона, штат Огайо, для их тяговых двигателей «New Huber» в период с 1885 по 1903 год. [3]
Однако это были не котлы с обратным дымоходом в том смысле, который используется здесь, а котлы с обратным дымоходом . У них была одна большая цилиндрическая топочная труба, камера сгорания, внешняя по отношению к корпусу котла под давлением, затем несколько узких жаровых труб, возвращающихся в подковообразную дымовую коробку над и вокруг топочной дверцы. Близость этой дымовой коробки к топочному устройству привела к их прозвищу «горелки живота». Таким образом, их конструкция имеет больше общего с горизонтальными котлами запускаемого типа (которые использовал сэр Артур Хейвуд ) или шотландским морским котлом, чем с простым котлом с одним дымоходом.
К этому времени локомотивный котел стал повсеместно использоваться в тяговых двигателях. По сравнению с этим преимуществом котла Хубера было то, что жаровые трубы можно было заменить легче, без необходимости работать внутри закрытой топки.
Простейшей формой дымоходного котла был «высоконапорный» корнуэльский котел Ричарда Тревитика , впервые установленный на руднике Долкот в 1812 году. [4] Это длинный горизонтальный цилиндр с одним большим дымоходом, содержащим огонь. Поскольку печь полагалась на естественную тягу , на дальнем конце дымохода требовалась высокая труба , чтобы обеспечить хорошую подачу воздуха (кислорода) к огню.
Для эффективности нововведение Тревитика заключалось в том, чтобы заключить под котлом кирпичную камеру. Выхлопные газы проходили через центральный дымоход, а затем направлялись наружу и вокруг железного корпуса котла. Чтобы дымоход не попадал в топочное пространство, кирпичный дымоход сначала проходил под центром котла к передней поверхности, затем снова по бокам и к дымоходу.
Котлы Cornish имели несколько преимуществ по сравнению с предыдущими вагонными котлами : они состояли в основном из изогнутых поверхностей, лучше выдерживающих давление. Их плоские концы были меньше, чем плоские стороны вагонного котла, и удерживались центральным дымоходом печи, а иногда и дополнительными длинными стержневыми стойками . Менее очевидным преимуществом была накипь. Котлы Wagon или Stigsted нагревались снизу, и любая накипь или примеси, которые образовывали осадок, оседали на этой пластине, изолируя ее от воды. Это снижало эффективность нагрева и могло в крайнем случае привести к локальному перегреву и выходу из строя пластин котла. В дымоходном котле любой осадок падал мимо дымохода печи и оседал на дне корпуса котла, где он имел меньший эффект. [5]
В моделировании , корнуэльский котел, особенно при оснащении трубами Галлоуэя ( см. Ланкаширский котел, ниже ), является отличным выбором для газовых котлов и моделей паровых судов. Он прост в изготовлении и так же эффективен, как любой малогабаритный котел. [6]
Котел Butterley или «свистящий рот» — малоизвестная конструкция, произошедшая от корнуольской модели, производимой известными бойлерными заводами Butterley в Дербишире. [7] По сути, это корнуольский котел с удаленной нижней половиной оболочки вокруг печи, чтобы можно было разжечь большой огонь. Это сделало его популярным на текстильных фабриках Пеннинских гор , где твердый северный уголь имел меньшую теплотворную способность, чем валлийский уголь, используемый на Юго-Западе, и требовал большего огня. [8] В качестве альтернативы его можно рассматривать как укороченный корнуольский котел с вагонным котлом, размещенным перед ним, и большим огнем под ним. Он страдает тем же недостатком, что и вагонный котел: вогнутая топочная плита механически слаба, и это либо ограничивает рабочее давление, либо требует дополнительной механической поддержки .
Ланкаширский котел похож на корнуэльский, но имеет два больших дымохода, содержащих огонь, вместо одного. Обычно считается, что это изобретение Уильяма Фейрберна и Джона Хетерингтона в 1844 году, хотя их патент был на метод попеременного сжигания печей, чтобы уменьшить дым, а не на сам котел. [9] Ранний локомотив Стивенсона 0-4-0 « Ланкаширская ведьма » уже продемонстрировал использование двух топочных труб в котле 15 лет назад. [1]
Фейрберн провел теоретическое исследование термодинамики более эффективных котлов, и именно это привело его к увеличению площади решетки печи относительно объема воды. Одной из причин этого было до сих пор плохое внедрение корнуэльского котла на хлопчатобумажных фабриках Ланкашира, где более твердый местный уголь не мог удовлетворительно сжигаться в меньшей печи, в пользу более старого вагонного котла низкого давления и его большой решетки. [8]
Трудности котла Cornish заключались в том, что для котла любой конкретной мощности требовалась известная площадь топочной трубы в качестве площади нагрева. Более длинные трубы требовали более длинного и более дорогого кожуха котла. Они также уменьшали соотношение площади решетки к площади нагрева, что затрудняло поддержание достаточного огня. Увеличение диаметра трубы уменьшало глубину воды, покрывающей топочную трубу, и, таким образом, увеличивало необходимость точного контроля уровня воды пожарным, в противном случае увеличивался риск взрыва котла . Исследования Фейрберна кольцевого напряжения в цилиндрах также показали, что меньшие трубы были прочнее больших. Его решение было простым: заменить одну большую топочную трубу двумя меньшими.
Патент [9] показал еще одно преимущество двойных печей. Зажигая их попеременно и закрывая дверцу топки между зажиганиями, можно было также организовать подачу воздуха мимо печи (в случае котла Ланкашира через зольник под решеткой), что способствовало бы более полному и чистому сгоранию дымовых газов, производимых огнем, тем самым уменьшая дым и загрязнение. [10] Ключевым фактором в этом была отличительная вращающаяся воздушная заслонка со ставнями в дверце, которая стала особенностью с 1840-х годов.
Использование двух дымоходов также имеет эффект усиления, действуя как две длинные стержневые опоры , которые поддерживают торцевые пластины. [7]
Более поздние разработки добавили трубы Галлоуэя (в честь их изобретателя, запатентованные в 1848 [11] или 1851 [12] ) поперечные водяные трубы поперек дымохода, таким образом увеличивая площадь нагреваемой поверхности. Поскольку это короткие трубы большого диаметра, а котел продолжает использовать относительно низкое давление, это все еще не считается водотрубным котлом . Трубы имеют коническую форму, чтобы облегчить их установку через дымоход. [6]
Котлы Ланкашира часто имеют гофрированные дымоходы , которые поглощают тепловое расширение, не напрягая заклепочные швы. Другим развитием был « дымоход почки » или котел Галлоуэя , где две печи соединялись в один дымоход, имеющий форму почки в поперечном сечении. Этот расширенный и плоский дымоход удерживался с помощью труб Галлоуэя.
Максимальное давление составляет 20 бар (290 фунтов на кв. дюйм). Максимальный диаметр котла составляет 3 м (9,8 фута), имеет две жаровые трубы длиной от 6 до 10 м (20–33 фута) и диаметром 0,8–1 м (2,6–3,3 фута)
Хотя котел Ланкашира считается устаревшей конструкцией, при условии, что дымоход достаточно длинный, он может быть достаточно эффективным. Однако это приводит к громоздкости котла, особенно из-за его длины, и это всегда ограничивало его использование стационарными установками. Это был стандартный котел на хлопчатобумажных фабриках Ланкашира .
.jpg/1280px-Fairbairn_five-tube_boiler,_end_section_(Molesworths,_1883).jpg)
Работа Уильяма Фейрберна над котлом Ланкашира продемонстрировала эффективность нескольких печей по сравнению с уменьшенным объемом воды. Также было широко известно, что более высокое давление пара повышает эффективность двигателей. Исследования Фейрберна по прочности цилиндров [13] привели его к разработке другого улучшенного котла, основанного на гораздо меньших диаметрах труб, которые, таким образом, могли работать при более высоких давлениях, обычно 150 фунтов на квадратный дюйм (1000 кПа ). Это был «пятитрубный» котел, пять труб которого были расположены в двух вложенных парах как водяной барабан и топка, а оставшаяся труба была установлена над ними как отдельный паровой барабан. [14] Объем воды был чрезвычайно мал по сравнению с предыдущими конструкциями котлов, так как топочные трубы почти заполняли каждый из водяных барабанов.
Котел был успешным в соответствии со своими целями и обеспечивал две большие печи при небольшой емкости воды. Отдельный паровой барабан также способствовал производству «сухого» пара, без уноса воды и риска заполнения. Однако он также был сложен в производстве и не предлагал большой площади нагрева для выполняемой работы. Вскоре его заменили многотрубные котлы, такие как котлы Фэрберна-Били и шотландские котлы.
