Котел с кожухом или дымоходом – это ранняя и относительно простая форма котла , используемая для производства пара , обычно для привода парового двигателя . Этот проект ознаменовал переходный этап в развитии котлов между ранними котлами для стога сена и более поздними многотрубными жаротрубными котлами . Котел с дымоходом характеризуется большим цилиндрическим корпусом котла, образующим резервуар с водой, через который проходят один или несколько больших дымоходов , в которых находится топка . Эти котлы появились примерно в начале 19 века, а некоторые их формы используются и сегодня. Хотя в основном они использовались для статических паровых установок, некоторые из них использовались в первых паровых транспортных средствах, железнодорожных локомотивах и кораблях.
Котлы с дымоходом были разработаны с целью повысить давление пара и повысить эффективность двигателя. Ранние конструкции стогов сена во времена Уотта были механически слабыми и часто представляли собой плоскую поверхность без опоры для огня. Взрывы котлов , обычно начинавшиеся с выхода из строя пластины топки, были обычным явлением. Было известно, что арочная конструкция прочнее плоской плиты, поэтому внутри корпуса котла была размещена большая круглая дымоходная труба. Сам огонь велся на железной решетке, установленной поперек дымохода, с неглубоким зольником под ним для сбора негорючих остатков. Это имело дополнительное преимущество, заключающееся в том, что поверхность нагрева плотно охватывала печь, но это было второстепенное преимущество.
Хотя сегодня оно считается низким давлением (вероятно, 25 фунтов на квадратный дюйм (1,7 атм )), оно считалось высоким давлением по сравнению с его предшественниками. Это увеличение давления стало основным фактором, сделавшим локомотивы (т.е. небольшие самодвижущиеся транспортные средства), такие как локомотивы Тревитика, практическим предложением.
.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 первых производителей локомотивов, в том числе локомотивами Бленкинсопа для железной дороги Миддлтона и локомотивами Стивенсона .
Этот тип котла прост в изготовлении и достаточно прочен, чтобы выдерживать пар «высокого давления» (на данный период) при интенсивной работе в цилиндрах. Через большой дымоход также хороший поток газа, так что огонь получает достаточную тягу только за счет высокого дымохода . Однако у него небольшая площадь нагрева, поэтому он неэффективен и сжигает большое количество угля.
Простой дымоход должен быть длинным, чтобы обеспечить достаточную площадь обогрева. В коротком корпусе котла, например, необходимом для паровоза , это можно сделать с помощью U-образного обратного дымохода , который изгибается сам на себя.
Ричард Тревитик уже использовал обратный дымоход в своем первом локомотиве Коулбрукдейл 1802 года и двигателе «Пен-и-Даррен» 1804 года . [1] Эти котлы были изготовлены из чугуна , короткие и с плоским концом. Его локомотив « Ньюкасл » 1804/5 года выпуска (фактически построенный в Гейтсхеде ) начал проявлять одну характерную особенность котла с обратным дымоходом - выдающуюся форму купола, позволяющую противостоять давлению пара в твердом конце, противоположном печи и дымоходу. В этом случае изготовление котла, теперь из пластин из кованого железа , должно быть, было осложнено единственным горизонтальным цилиндром Тревитика с длинным ходом (диаметр × ход 9 дюймов × 36 дюймов (230 мм × 910 мм), который выходил через этот куполообразный конец. [1] Однако это облегчило работу пожарному, поскольку он больше не пытался добраться до пожарной двери под длинной траверсой поршня.
Уильям Хедли использовал эту модель котла для своих локомотивов 1813 года « Пыхтящий Билли» и «Уайлам Дилли» . Через угольную шахту Уайлам и ее владельца Кристофера Блэкетта Хедли должен был быть знаком с двигателем Тревитика. [2]
В «Ройял Джордже » Тимоти Хакворта 0-6-0 1827 года также использовался котел с обратным дымоходом, хотя он наиболее известен своим новаторским использованием дымовой трубы для создания тяги в огне. [1] Его облегченная версия 0-4-0 для Rainhill Trials , Sans Pareil , была очень похожа. [2] Несмотря на то, что после окончания Испытаний они выглядели устаревшими, канадский « Самсон» этой модели был построен в 1838 году и все еще находился в эксплуатации в 1883 году. [2]
_(14578624980).jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Последними построенными котлами с обратным дымоходом (кроме некоторых стационарных котлов) часто считаются те, которые были построены компанией Huber Co. из Мэриона, штат Огайо , для своих тяговых двигателей «New Huber» с 1885 по 1903 год. [3]
Однако это были не котлы с обратными дымоходами в том смысле, который здесь используется, а скорее с котлами с обратными трубами . У них была одна большая цилиндрическая топочная труба, камера сгорания вне герметичного корпуса котла, а затем несколько узких дымовых труб, возвращающихся в дымовую камеру в форме подковы над и вокруг топочной двери. Близость этой дымовой коробки к пожарному привела к тому, что их прозвали «жгутелями живота». Таким образом, их конструкция имеет больше общего с котлами горизонтального типа (которые использовал сэр Артур Хейвуд ) или морским котлом Scotch, чем с простым однодымоходным котлом.
К этому времени локомотивный котел стал повсеместным для тяговых двигателей. По сравнению с этим преимуществом котла Huber было то, что дымовые трубы можно было легче заменить, без необходимости работать изнутри закрытой топки.
Самой простой формой дымоходного котла был корнуоллский котел «высокого давления» Ричарда Тревитика , впервые установленный на шахте Долкоат в 1812 году . [4] Это длинный горизонтальный цилиндр с одним большим дымоходом, в котором находится огонь. Поскольку печь работала на естественной тяге , в дальнем конце дымохода требовался высокий дымоход , чтобы обеспечить хороший приток воздуха (кислорода) к огню.
Для повышения эффективности инновация Тревитика заключалась в том, чтобы поместить под котлом кирпичную камеру. Выхлопные газы проходили через центральный дымоход, а затем выводились наружу и вокруг корпуса железного котла. Чтобы дымоход не попадал в пространство для топки, кирпичный дымоход проходил сначала под центром котла к передней поверхности, затем снова по бокам и к дымоходу.
Котлы Корнуолла имели несколько преимуществ перед предыдущими вагонными котлами : они имели в основном изогнутые поверхности, чтобы лучше выдерживать давление. Их плоские концы были меньше плоских сторон вагонного котла и удерживались центральным дымоходом печи, а иногда и дополнительными длинными стержнями . Менее очевидным преимуществом была накипь в котле. Котлы повозок или стогов сена нагревались снизу, и любая окалина или примеси, образующие осадок, оседали на этой пластине, изолируя ее от воды. Это снижает эффективность отопления и в крайних случаях может привести к локальному перегреву и выходу из строя пластин котла. В котле с дымоходом любой осадок выпадал за пределы дымохода и оседал в нижней части корпуса котла, где он имел меньший эффект. [5]
В модельном проектировании котел Корнуолла, особенно если он оснащен трубками Галлоуэя ( см. Котел Ланкашира ниже ), является отличным выбором для газовых котлов и моделей паровых лодок. Он прост в сборке и столь же эффективен, как любой небольшой котел. [6]
Котел Баттерли, или котел со свистком, представляет собой малоизвестную конструкцию, заимствованную из корнуоллского образца, произведенную известной котельной Баттерли в Дербишире. [7] По сути, это корнуэльский котел, у которого удалена нижняя половина корпуса вокруг печи, чтобы можно было зажечь большой огонь. Это сделало его популярным на текстильных фабриках Пеннин , где твердый северный уголь имел меньшую теплотворную способность , чем валлийский уголь, используемый на юго-западе, и требовал более сильного огня. [8] В качестве альтернативы его можно рассматривать как укороченный корнуэльский котел с помещенным перед ним тележным котлом и большим огнем под ним. Он имеет тот же недостаток, что и вагонный котел: вогнутая плита топки механически слаба, что либо ограничивает рабочее давление, либо требует дополнительной механической опоры .
Котел Ланкашира похож на котел Корнуолла, но имеет два больших дымохода, в которых горит огонь, вместо одного. Обычно считается, что это изобретение Уильяма Фэйрберна и Джона Хетерингтона в 1844 году, хотя их патент касался метода попеременного зажигания печей, чтобы уменьшить дым, а не самого котла. [9] Ранний локомотив 0-4-0 Стивенсона « Ланкаширская ведьма » уже продемонстрировал использование сдвоенных топочных труб в котле 15 лет назад. [1]
Фэйрберн провел теоретическое исследование термодинамики более эффективных котлов, и именно это побудило его увеличить площадь колосниковой решетки по отношению к объему воды. Особой причиной этого было до сих пор плохое внедрение котла Корнуолл на хлопчатобумажных фабриках Ланкашира, где более твердый местный уголь не мог удовлетворительно сжигаться в печи меньшего размера, в пользу более старого вагонного котла низкого давления и это большая решетка. [8]
Трудности котла Корнуолла 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 дорогого корпуса котла. Они также уменьшили соотношение площади решетки к площади нагрева, что затруднило поддержание достаточного огня. Увеличение диаметра трубы уменьшило глубину воды, покрывающей трубу печи, и, таким образом, увеличило необходимость точного контроля уровня воды со стороны пожарных или, в противном случае, риск взрыва котла . Исследования Фэйрберна окружного напряжения в цилиндрах также показали, что трубки меньшего размера прочнее трубок большего размера. Его решение было простым: заменить одну большую печную трубу двумя меньшими.
Патент [9] показал еще одно преимущество сдвоенных печей. Зажигая их поочередно и закрывая дверцу топки между топками, можно было также организовать подачу воздуха мимо топки (в случае ланкаширского котла - через зольник под колосниковой решеткой), что стимулировало бы дымовые газы, образующиеся при топке. огонь горит более полно и чисто, тем самым уменьшая дымность и загрязнение. [10] Ключевым фактором в этом была характерная вращающаяся воздушная заслонка с ставнями в двери, которая стала особенностью 1840-х годов.
Использование двух дымоходов также имеет эффект усиления, действуя как две длинные стержни , поддерживающие торцевые пластины. [7]
В более поздних разработках были добавлены трубы Галлоуэя (в честь их изобретателя, запатентованные либо в 1848 году [11] , либо в 1851 году [12] ) поперек водяных трубок поперек дымохода, тем самым увеличивая площадь нагреваемой поверхности. Поскольку это короткие трубки большого диаметра и котел продолжает использовать относительно низкое давление, то он все равно не считается водотрубным котлом . Трубы имеют коническую форму, что облегчает их установку в дымоход. [6]
Котлы Ланкашира часто имеют гофрированные дымоходы , которые поглощают тепловое расширение, не деформируя при этом клепаные швы. Еще одной разработкой стал « почечный дымоход» или котел Галлоуэя , в котором две печи соединяются в один дымоход, имеющий почкообразную форму в поперечном сечении. Этот расширенный дымоход с плоской вершиной сохранился за счет использования труб Галлоуэя.
Его максимальное давление составляет 20 бар. Максимальный диаметр котла 3м, имеет две жаровые трубы длиной 6-10м и диаметром 0,8-1м.
Хотя котел Ланкашира считается устаревшей конструкцией, при условии, что дымоход достаточно длинный, он может быть достаточно эффективным. Однако это приводит к тому, что котел становится громоздким, 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 Фэйрберна над котлом в Ланкашире продемонстрировала преимущества эффективности нескольких печей по сравнению с уменьшенным объемом воды. Также было широко распространено понимание того, что более высокое давление пара повышает эффективность двигателей. Исследования Фэйрберна прочности цилиндров [13] привели его к разработке еще одного улучшенного котла, основанного на трубах гораздо меньшего диаметра, который, таким образом, сможет работать при более высоких давлениях, обычно 150 фунтов на квадратный дюйм (1000 кПа ). Это был «пятитрубный» котел, пять трубок которого были расположены двумя вложенными парами в виде водяного барабана и топки, а оставшаяся труба монтировалась над ними в виде отдельного парового барабана. [14] Объем воды был чрезвычайно низким по сравнению с предыдущими конструкциями котлов, поскольку топочные трубы почти заполняли каждый из водяных барабанов.
Котел оказался удачным по своим целям и обеспечивал две большие топки в небольшой емкости для воды. Отдельный паровой барабан также способствовал производству «сухого» пара без уноса воды и риска затопления. Однако его также было сложно изготовить, и он не требовал большой площади обогрева для выполнения работ. Вскоре на смену им пришли многотрубные котлы , такие как котлы Fairbairn-Beeley и Scotch .
