Котел с жаротрубным котлом — тип котла, изобретенный в 1828 году Марком Сегуином [1] , в котором горячие газы проходят от огня через одну или несколько труб, проходящих через герметичный контейнер с водой. Тепло газов передается через стенки труб посредством теплопроводности , нагревая воду и в конечном итоге создавая пар .
Котел с жаротрубой был разработан как третий из четырех основных исторических типов котлов: котлы с резервуаром низкого давления или « стогами сена », котлы с дымоходом с одним или двумя большими дымоходами, котлы с жаротрубой и множеством маленьких трубок и котлы с водотрубой высокого давления . Их преимущество перед котлами с дымоходом с одним большим дымоходом заключается в том, что множество маленьких трубок обеспечивают гораздо большую площадь поверхности нагрева для того же общего объема котла. Общая конструкция представляет собой резервуар с водой, пронизанный трубками, которые переносят горячие дымовые газы от огня. Резервуар обычно имеет цилиндрическую форму по большей части — это самая прочная практичная форма для контейнера под давлением — и этот цилиндрический резервуар может быть как горизонтальным, так и вертикальным.
Этот тип котла использовался практически на всех паровозах в горизонтальной «локомотивной» форме. Он имеет цилиндрический ствол, содержащий жаровые трубы, но также имеет расширение на одном конце для размещения «топки». Эта топка имеет открытое основание, чтобы обеспечить большую площадь решетки, и часто выходит за пределы цилиндрического ствола, образуя прямоугольное или коническое ограждение. Горизонтальный жаротрубный котел также типичен для морского применения, используя шотландский котел ; таким образом, эти котлы обычно называют котлами «шотландско-морского» или «морского» типа. [2] Вертикальные котлы также были построены по типу с несколькими жаровыми трубами, хотя они сравнительно редки; большинство вертикальных котлов были либо дымоходными, либо с поперечными водяными трубами.
В котле локомотивного типа топливо сжигается в топке для получения горячих дымовых газов. Топка окружена охлаждающей рубашкой из воды, соединенной с длинным цилиндрическим корпусом котла. Горячие газы направляются по ряду дымогарных труб , или дымоходов , которые проникают в котел и нагревают воду, тем самым образуя насыщенный («влажный») пар. Пар поднимается в самую высокую точку котла, паровой купол , где он собирается. Купол является местом расположения регулятора , который управляет выходом пара из котла.
В локомотивном котле насыщенный пар очень часто поступает в пароперегреватель , обратно через большие дымоходы в верхней части котла, чтобы высушить пар и нагреть его до перегретого пара . Перегретый пар направляется в цилиндры паровой машины или очень редко в турбину для производства механической работы. Выхлопные газы выводятся через дымоход и могут использоваться для предварительного нагрева питательной воды с целью повышения эффективности котла.
Тяга для жаротрубных котлов, особенно в морских применениях, обычно обеспечивается высокой дымовой трубой . Во всех паровозах со времен «Ракеты » Стефенсона дополнительная тяга обеспечивается путем направления отработанного пара из цилиндров в дымовую трубу через воздухозаборник , чтобы обеспечить частичный вакуум . Современные промышленные котлы используют вентиляторы для обеспечения принудительной или вынужденной тяги котла.
Другим важным достижением в Ракете было большое количество жаровых труб малого диаметра ( многотрубный котел ) вместо одного большого дымохода. Это значительно увеличило площадь поверхности для теплопередачи, что позволило производить пар с гораздо большей скоростью. Без этого паровозы никогда не смогли бы эффективно развиваться как мощные первичные двигатели .
Более подробную информацию о соответствующем типе предка см. в разделе Котлы с дымоходом .
Самой ранней формой жаротрубного котла был «высоконапорный» корнуэльский котел Ричарда Тревитика . Это длинный горизонтальный цилиндр с одним большим дымоходом, содержащим огонь. Сам огонь находился на железной решетке, размещенной поперек этого дымохода, с неглубоким зольником под ним для сбора негорючего остатка. Хотя сегодня он считается котлом низкого давления (возможно, 25 фунтов на квадратный дюйм (170 кПа)), использование цилиндрического корпуса котла позволяло достичь более высокого давления, чем более ранние котлы «стога сена» времен Ньюкомена . Поскольку печь полагалась на естественную тягу (поток воздуха), на дальнем конце дымохода требовалась высокая труба , чтобы обеспечить хорошую подачу воздуха (кислорода) к огню.
Для эффективности котел обычно был обшит снизу кирпичной камерой. Дымовые газы направлялись через нее, снаружи железного корпуса котла, после прохождения через жаровую трубу и далее в дымоход, который теперь размещался на передней стороне котла.
Ланкаширский котел похож на корнуоллский, но имеет два больших дымохода, в которых циркулируют огни. Это изобретение Уильяма Фейрберна в 1844 году, основанное на теоретическом рассмотрении термодинамики более эффективных котлов, привело его к увеличению площади решетки топки относительно объема воды.
Более поздние разработки добавили трубы Галлоуэя (в честь их изобретателя, запатентованного в 1848 году), [3] крест-накрест 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, просто чтобы облегчить их установку через дымоход. [4]
.jpg/1280px-Scotch_marine_boiler_side_section_(Stokers_Manual_1912).jpg)
Шотландский морской котел резко отличается от своих предшественников использованием большого количества труб малого диаметра. Это дает гораздо большую площадь поверхности нагрева для объема и веса. Топка остается одной трубой большого диаметра с множеством маленьких труб, расположенных над ней. Они соединены вместе через камеру сгорания — закрытый объем, полностью заключенный в оболочке котла — так что поток дымовых газов через жаровые трубы идет сзади вперед. Закрытая дымовая коробка, закрывающая переднюю часть этих труб, ведет вверх к дымоходу или воронке. Типичные шотландские котлы имели пару топок, более крупные — три. Выше этого размера, например, для больших паровых судов , было более обычным устанавливать несколько котлов. [5]
Котел локомотива состоит из трех основных компонентов: двухстенной топки ; горизонтальной цилиндрической «котельной бочки», содержащей большое количество небольших дымоходных труб; и дымовой коробки с дымоходом для отработавших газов. Котельная бочка содержит более крупные дымоходные трубы для переноса элементов пароперегревателя , если таковые имеются. Принудительная тяга обеспечивается в локомотивном котле путем впрыскивания отработанного пара обратно в выхлоп через воздухозаборную трубу в дымовой коробке.
Котлы локомотивного типа также используются в тяговых двигателях , паровых катках , переносных двигателях и некоторых других паровых дорожных транспортных средствах. Присущая котлу прочность означает, что он используется в качестве основы для транспортного средства: все остальные компоненты, включая колеса, установлены на кронштейнах, прикрепленных к котлу. Редко можно найти пароперегреватели, спроектированные для этого типа котла, и они, как правило, намного меньше (и проще), чем типы железнодорожных локомотивов.
Паровозный котел также характерен для парового вагона надтипа , парового предшественника грузовика . Однако в этом случае тяжелые балочные рамы образуют несущее шасси транспортного средства, и котел крепится к нему.
Котлы некоторых железнодорожных локомотивов имеют конический диаметр от большего в топке до меньшего в дымоходе . Это снижает вес и улучшает циркуляцию воды. Многие более поздние локомотивы Great Western Railway и London, Midland и Scottish Railway были спроектированы или модифицированы для установки конических котлов.
Вертикальный жаротрубный котел (ВЖК), в просторечии называемый «вертикальным котлом», имеет вертикальный цилиндрический корпус, содержащий несколько вертикальных дымогарных труб.
Горизонтальный возвратный трубчатый котел (HRT) имеет горизонтальный цилиндрический кожух, содержащий несколько горизонтальных дымоходных труб, при этом топка расположена непосредственно под кожухом котла, как правило, в кирпичной кладке.
Широко использовавшийся Британией до и в ранние дни броненосцев, единственным защищенным местом было место под ватерлинией, иногда под бронированной палубой, поэтому, чтобы поместиться под короткими палубами, трубы не выводились обратно над печью, а продолжались прямо от нее с камерой сгорания между ними. Отсюда название и значительно уменьшенный диаметр по сравнению с вездесущим шотландским или возвратным трубчатым котлом. Он не имел большого успеха, и его использование было прекращено после введения более прочной боковой брони - «верхушки печи, находясь очень близко к уровню воды, гораздо более подвержены перегреву. Кроме того, из-за длины котла, при равном угле наклона, влияние на уровень воды намного больше. Наконец, неравномерное расширение различных частей котла более выражено, особенно вверху и внизу, из-за увеличенного соотношения между длиной и диаметром котла; местные напряжения также более серьезны из-за сравнительно слабой циркуляции в длинных и низких котлах». Все это также привело к сокращению срока службы. Кроме того, та же длина камеры сгорания была намного менее эффективна на прямотрубном котле, чем на котле с обратной трубой, по крайней мере без перегородок. [6] : 233-235
Котел с погружным огнем — это одноходовой жаротрубный котел, разработанный Sellers Engineering в 1940-х годах. Он имеет только жаротрубы, функционирующие как топка и камера сгорания, с несколькими соплами горелок, впрыскивающими предварительно смешанный воздух и природный газ под давлением. Он заявляет о сниженных тепловых напряжениях и полностью лишен огнеупорной кирпичной кладки из-за своей конструкции. [7]
В котлах с жаротрубами иногда также имеются водяные трубы для увеличения поверхности нагрева. Корнуоллский котел может иметь несколько водяных труб по диаметру дымохода (это распространено в паровых пусках ). Локомотивный котел с широкой топкой может иметь арочные трубы или термические сифоны . По мере развития технологии топки было обнаружено, что размещение перегородки из огнеупорного кирпича (жаропрочного кирпича) внутри топки для направления потока горячих дымовых газов вверх в верхнюю часть топки до того, как он потечет в жаротрубы, повышает эффективность за счет выравнивания тепла между верхними и нижними жаротрубами. Чтобы удерживать их на месте, использовался металлический кронштейн, но для предотвращения сгорания и эрозии этих кронштейнов они были построены как водяные трубы, при этом холодная вода из нижней части котла двигалась вверх за счет конвекции по мере нагревания и уносила тепло до того, как металл достигнет температуры отказа.
Другим методом увеличения поверхности нагрева является использование внутренних нарезов внутри труб котла (также известных как трубы серве).
Не все водогрейные котлы производят пар; некоторые из них специально предназначены для нагрева воды под давлением.
В память о дизайне Ланкашира современные котлы с корпусом могут поставляться с конструкцией с двумя топками. Более недавней разработкой стала конструкция с обратным пламенем, где горелка зажигается в глухой топке, а дымовые газы возвращаются обратно. Это приводит к более компактной конструкции и меньшему количеству трубопроводов.
Термин «пакетный» котел появился в начале-середине 20-го века; он используется для описания бытовых отопительных котлов, доставляемых на место установки со всей изоляцией, электрическими панелями, клапанами, датчиками и топливными горелками, уже собранными производителем. Другие способы доставки больше напоминают предшествующую практику эпохи сжигания угля, когда другие компоненты добавлялись на месте либо к предварительно собранному сосуду под давлением, либо к «разборному» котлу, где сосуд под давлением доставлялся в виде набора литых деталей для сборки на месте. Как правило, заводская сборка намного более рентабельна, и пакетный котел является предпочтительным вариантом для бытового использования. Частично собранные поставки используются только при необходимости из-за ограничений доступа — например, когда единственный доступ к месту установки в подвале — это спуск по узкой лестнице.
Поскольку сам котел с огневым желобом является сосудом под давлением, он требует ряда мер безопасности для предотвращения механических отказов. Взрывы паров в котле, которые являются разновидностью BLEVE (взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости), могут быть разрушительными.
Котел с огнетрубным типом, который использовался в автомобиле Stanley Steamer, имел несколько сотен труб, которые были слабее внешней оболочки котла, что делало взрыв практически невозможным, поскольку трубы выходили из строя и давали течь задолго до взрыва котла. За почти 100 лет с момента первого производства котлов Stanley ни один из них не взорвался. [ необходима цитата ]
Каждый раз, когда котел циклически выключается и включается, он может терять эффективность. Когда начинается пожар, эффективность сгорания обычно ниже, пока не наступят устойчивые условия. Когда огонь прекращается, теплый дымоход продолжает втягивать дополнительный воздух из внутреннего пространства, пока не остынет.
Чрезмерную езду на велосипеде можно свести к минимуму
Обычными положениями являются обеспечение первичного контура трубопровода с насосом(ами) и вторичного контура трубопровода с насосом(ами); а также либо регулируемого насоса с переменной скоростью для перекачки воды из первичного контура во вторичный контур, либо трехходового клапана для перенаправления воды из вторичного контура в первичный контур. [9]
Минимальная температура возвратной воды в котел составляет от 130 °F (54 °C) до 150 °F (66 °C) в зависимости от конкретной конструкции, что позволяет избежать конденсации водяного пара из дымовых газов и растворения CO.
2и так
2из дымовых газов образуются углекислый газ и серная кислота , едкая жидкость, которая повреждает теплообменник. [10]
Конденсационные котлы могут быть на 2% и более эффективными при более низких скоростях горения за счет извлечения тепла парообразования из водяного пара в дымовых газах. Повышение эффективности зависит от топлива и доступной энергии, которая должна быть извлечена как доля от общего количества. Дымовой газ из метана содержит больше доступной энергии для восстановления, чем пропан или мазут, относительно меньше. Конденсированная вода вызывает коррозию из-за растворенного диоксида углерода и оксидов серы из дымовых газов и должна быть нейтрализована перед утилизацией. [10]
Конденсационные котлы имеют более высокую сезонную эффективность, обычно от 84% до 92%, чем неконденсационные котлы, обычно от 70% до 75%. Сезонная эффективность — это общая эффективность котла за весь отопительный сезон в отличие от эффективности сгорания, которая является эффективностью котла при активном сжигании, что исключает постоянные потери. Более высокая сезонная эффективность отчасти объясняется тем, что более низкая температура котла, используемая для конденсации дымовых газов, снижает постоянные потери во время цикла отключения. Более низкая температура котла исключает конденсационный паровой котел и требует более низких температур радиаторов в водяных системах.
Более высокая эффективность работы в конденсационной области не всегда доступна. Для производства удовлетворительной бытовой горячей воды часто требуется температура котловой воды выше, чем позволяет эффективная конденсация на поверхности теплообменника. В холодную погоду площадь поверхности радиатора здания обычно недостаточно велика, чтобы обеспечить достаточное количество тепла при низких температурах котла, поэтому управление котлом повышает температуру котла по мере необходимости для удовлетворения потребности в отоплении. Эти два фактора объясняют большую часть изменчивости прироста эффективности, наблюдаемого на различных установках. [10]
Для поддержания железнодорожного парового котла высокого давления в безопасном состоянии необходим интенсивный график технического обслуживания.
Трубные доски, плавкая пробка и головки стоек топки должны быть проверены на герметичность. Правильность работы арматуры котла, особенно водомеров и механизмов подачи воды , должна быть подтверждена. Давление пара должно быть поднято до уровня, при котором предохранительные клапаны поднимаются, и сравнено с показанием манометра.
Срок службы локомотивного котла значительно продлевается, если он избавлен от постоянного цикла охлаждения и нагрева. Исторически локомотив постоянно находился «в паре» в течение примерно восьми-десяти дней, а затем ему давали достаточно остыть для промывки котла горячей водой. График для экспресс-локомотивов основывался на пробеге. [11] Сегодняшние законсервированные локомотивы обычно не находятся постоянно в паре, и рекомендуемый интервал промывки теперь составляет от пятнадцати до тридцати дней, но возможно и до 180 дней. [12]
Процесс начинается с «продувки», пока в котле сохраняется некоторое давление, затем сливается вся котловая вода через «грязевые отверстия» в основании топки и удаляются все «пробки промывки». Затем накипь счищается или соскабливается с внутренних поверхностей с помощью струи воды под высоким давлением и стержней из мягкого металла, например, меди. Особое внимание уделяется участкам, особенно подверженным образованию накипи, таким как корона топки и узкие водные пространства вокруг топки. Внутренняя часть котла осматривается путем визуального осмотра через отверстия для пробок, при этом особое внимание уделяется целостности жаровых труб, короны топки и стоек, а также отсутствию раковин или трещин на пластинах котла. Краны и трубки измерительного стекла и плавкая пробка должны быть очищены от накипи; если сердечник плавкой пробки показывает признаки кальцинации, ее следует заменить. [13]
При повторной сборке следует позаботиться о том, чтобы резьбовые пробки были установлены на свои первоначальные отверстия: конусность может измениться в результате повторной нарезки резьбы. Прокладки люка, если они сделаны из асбеста , следует заменить, но те, что сделаны из свинца, можно использовать повторно; действуют специальные инструкции по утилизации этих вредных материалов. [12] Во многих котлах сегодня используются высокотемпературные синтетические материалы для прокладок как для рабочих сред, так и для консервации, поскольку эти материалы безопаснее исторических вариантов. На крупных предприятиях по техническому обслуживанию котел промывали и заполняли очень горячей водой из внешнего источника, чтобы быстрее вернуть локомотив в эксплуатацию.
Обычно ежегодная проверка, которая требует снятия и проверки внешних фитингов, таких как инжекторы, предохранительные клапаны и манометр. Медные трубы высокого давления могут пострадать от упрочнения при использовании и стать опасно хрупкими: может потребоваться их обработка путем отжига перед повторной установкой. Также может потребоваться гидравлическое испытание котла и трубопроводов под давлением.
В Великобритании максимальный интервал между капитальными ремонтами составляет десять лет. Для проведения полной проверки котел поднимается с рамы локомотива и снимается обшивка . Все жаровые трубы снимаются для проверки или замены. Все фитинги снимаются для капитального ремонта. Перед повторным использованием квалифицированный эксперт проверит пригодность котла к эксплуатации и выдаст сертификат безопасности, действительный в течение десяти лет. [12]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )на огне возникнет, когда дымовые газы охлаждаются ниже точки росы и вступают в контакт с сосудом под давлением из углеродистой стали. Чтобы избежать коррозии, системы отопления должны быть спроектированы так, чтобы работать таким образом, чтобы обеспечивать минимальную температуру обратной воды в котел 150 F. (Примечание: важно сверить температуру обратной воды с документацией производителя, чтобы избежать коррозии.) Все компоненты отопления должны быть выбраны для работы с минимальной температурой подаваемой воды 170 F, предполагая разницу температур в 20 F между линиями подачи и возврата воды.
