Жаротрубный котел — это тип котла , изобретенный в 1828 году Марком Сегеном , [1] в котором горячие газы проходят от огня через одну или несколько трубок, проходящих через герметичный контейнер с водой. Тепло газов передается через стенки труб за счет теплопроводности , нагревая воду и в конечном итоге создавая пар .
Жаротрубные котлы развивались как третий из четырех основных исторических типов котлов: резервуарные котлы низкого давления или котлы « стога сена », котлы с дымоходом с одним или двумя большими дымоходами, жаротрубные котлы с множеством маленьких трубок и котлы высокого давления. водотрубные котлы . Их преимущество перед котлами с дымоходом и одним большим дымоходом заключается в том, что множество небольших трубок обеспечивают гораздо большую площадь поверхности нагрева при том же общем объеме котла. Общая конструкция представляет собой резервуар с водой, через который проходят трубы, по которым отводятся горячие дымовые газы от пожара. Резервуар обычно по большей части имеет цилиндрическую форму (это самая прочная практическая форма для контейнера под давлением ), и этот цилиндрический резервуар может быть как горизонтальным, так и вертикальным.
Этот тип котла применялся практически на всех паровозах горизонтального «паровозного» типа. Он имеет цилиндрический ствол с дымовыми трубами, а также расширение на одном конце для размещения «топки». Эта топка имеет открытое основание, обеспечивающее большую площадь решетки, и часто выходит за пределы цилиндрической бочки, образуя прямоугольный или конический корпус. Горизонтальный жаротрубный котел также типичен для морского применения, в нем используется котел Scotch ; таким образом, эти котлы обычно называют котлами «шотландского» или «морского» типа. [2] Вертикальные котлы также изготавливаются с несколькими жаротрубными трубами, хотя они сравнительно редки; большинство вертикальных котлов были либо с дымоходом, либо с поперечными водотрубами.
В котле локомотивного типа топливо сжигается в топке с образованием горячих дымовых газов. Топка окружена водяной рубашкой охлаждения, соединенной с длинным цилиндрическим корпусом котла. Горячие газы направляются по ряду дымовых труб или дымоходов , которые проникают в котел и нагревают воду, тем самым создавая насыщенный («влажный») пар. Пар поднимается в самую высокую точку котла, паровой купол , где он собирается. В куполе расположен регулятор , контролирующий выход пара из котла.
В котле локомотива насыщенный пар очень часто подается в перегреватель обратно через большие дымоходы в верхней части котла, чтобы осушить пар и нагреть его до перегретого пара . Перегретый пар направляется в цилиндры парового двигателя или, очень редко, в турбину для совершения механической работы. Выхлопные газы выводятся через дымоход и могут использоваться для предварительного нагрева питательной воды с целью повышения эффективности котла.
Тяга в жаротрубных котлах, особенно в морских установках, обычно обеспечивается высокой дымовой трубой . Во всех паровозах, начиная с «Ракеты Стефенсона» , дополнительная тяга создается за счет направления выхлопного пара из цилиндров в дымовую трубу через дымовую трубу , чтобы создать частичный вакуум . В современных промышленных котлах используются вентиляторы, обеспечивающие принудительную или вынужденную тягу котла.
Еще одним важным достижением «Ракеты» было большое количество дымовых труб малого диаметра ( многотрубный котел ) вместо одного большого дымохода. Это значительно увеличило площадь поверхности теплопередачи, что позволило производить пар с гораздо большей скоростью. Без этого паровозы никогда не смогли бы эффективно развиваться как мощные тягачи .
Более подробную информацию о соответствующем типе предка см. в разделе Котлы с дымоходом .
Самой ранней формой жаротрубного котла был корнуоллский котел «высокого давления» Ричарда Тревитика . Это длинный горизонтальный цилиндр с одним большим дымоходом, в котором находится огонь. Сам огонь велся на железной решетке, установленной поперек дымохода, с неглубоким зольником под ним для сбора негорючих остатков. Несмотря на то, что сегодня использование цилиндрического корпуса котла считается низким давлением (вероятно, 25 фунтов на квадратный дюйм (170 кПа)), оно допускало более высокое давление, чем более ранние котлы «стога сена» времен Ньюкомена . Поскольку печь работала на естественной тяге (потоке воздуха), в дальнем конце дымохода требовался высокий дымоход , чтобы обеспечить хороший приток воздуха (кислорода) к огню.
Для повышения эффективности котел обычно закрывали снизу кирпичной камерой. Дымовые газы выводились через него, за пределы железной оболочки котла, после прохождения через жаровую трубу и, таким образом, в дымоход, который теперь располагался на передней стороне котла.
Котел Ланкашира похож на котел Корнуолла, но имеет два больших дымохода, в которых горит огонь. Именно изобретение Уильяма Фэйрберна в 1844 году на основе теоретического рассмотрения термодинамики более эффективных котлов побудило его увеличить площадь колосниковой решетки по отношению к объему воды.
Более поздние разработки добавили трубы Галлоуэя (в честь их изобретателя, запатентованные в 1848 году), [3] крестообразные водяные трубы поперек дымохода, тем самым увеличивая площадь нагреваемой поверхности. Поскольку это короткие трубы большого диаметра и котел продолжает использовать относительно низкое давление, он все равно не считается водотрубным котлом. Трубы имеют коническую форму, что упрощает их установку в дымоходе. [4]
.jpg/1280px-Scotch_marine_boiler_side_section_(Stokers_Manual_1912).jpg)
Судовой котел Scotch кардинально отличается от своих предшественников использованием большого количества трубок малого диаметра. Это дает гораздо большую площадь поверхности нагрева при таком объеме и весе. Печь представляет собой одну трубу большого диаметра, над которой расположено множество маленьких трубок. Они соединены между собой через камеру сгорания – замкнутый объем, полностью находящийся внутри корпуса котла – так что поток дымовых газов через дымовые трубы осуществляется сзади вперед. Закрытая дымовая камера, закрывающая переднюю часть этих трубок, ведет вверх к дымоходу или воронке. Типичные шотландские котлы имели пару топок, более крупные — три. Выше этого размера, например, на больших пароходах , чаще всего устанавливали несколько котлов. [5]
Котел локомотива состоит из трех основных компонентов: топки с двойными стенками ; горизонтальная цилиндрическая «бочка котла», содержащая большое количество небольших дымоходов; и дымовая камера с дымоходом для выхлопных газов. В корпусе котла имеются дымоходы большего размера для установки элементов перегревателя , если таковые имеются. Наддувная тяга в котле локомотива обеспечивается за счет впрыска отработанного пара обратно в выхлоп через дутьевую трубу в дымовой камере.
Котлы паровозного типа применяются также в тяговых двигателях , паровых катках , переносных паровозах и некоторых других паровозных машинах. Прочность котла означает, что он используется в качестве основы для транспортного средства: все остальные компоненты, включая колеса, крепятся на кронштейнах, прикрепленных к котлу. Редко можно встретить пароперегреватели, встроенные в котлы этого типа, и они, как правило, намного меньше (и проще), чем типы железнодорожных локомотивов.
Котел локомотивного типа также является характерной чертой парового вагона сверхтипа , предшественника грузовика с паровым приводом . Однако в этом случае тяжелые балочные рамы составляют несущее шасси автомобиля, к которому крепится котел.
Котлы некоторых железнодорожных локомотивов имеют конусообразную форму от большего диаметра на конце топки к меньшему диаметру на конце дымовой камеры . 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 ( VFT), в просторечии известный как «вертикальный котел», имеет вертикальный цилиндрический корпус, содержащий несколько вертикальных дымоходных труб.
Трубчатый котел с горизонтальной обраткой (HRT) имеет горизонтальный цилиндрический корпус, содержащий несколько горизонтальных дымоходных труб, при этом огонь расположен непосредственно под корпусом котла, обычно в кирпичной кладке.
Широко использовалось в Британии до и на заре броненосцев, единственное защищенное место находилось ниже ватерлинии, иногда под бронепалубой, поэтому, чтобы поместиться под короткими палубами, трубы не выводились назад над печью, а продолжались прямо от нее. с сохранением камеры сгорания между ними. Отсюда и название, а также значительно уменьшенный диаметр по сравнению с вездесущим скотчем или котлом с обратной трубой. Она не имела большого успеха, и от ее использования отказались после введения более прочной боковой брони: «Велки печи, находящиеся очень близко к уровню воды, гораздо более подвержены перегреву. Далее, ввиду длины котла, при равном угле наклона влияние на уровень воды гораздо больше. Наконец, неодинаковое расширение различных частей котла выражено сильнее, особенно вверху и внизу, вследствие возросшего соотношения длины и диаметра котла; местные штаммы также более серьезны из-за сравнительно слабой циркуляции в котлах с длинной и низкой температурой кипения». Все это также привело к сокращению жизни. Кроме того, такая же длина камеры сгорания в котле с прямой трубой была гораздо менее эффективной, чем в котле с обратной трубой, по крайней мере, без перегородок. [6] : 233-235
Погружной котел представляет собой одноходовой жаротрубный котел, разработанный Sellers Engineering в 1940-х годах. Он имеет только дымовые трубы, выполняющие функции печи, а также камеру сгорания с несколькими форсунками горелок, впрыскивающими предварительно смешанный воздух и природный газ под давлением. В нем заявляют о сниженных термических напряжениях, а из-за его конструкции полностью отсутствует огнеупорная кладка. [7]
Жаротрубные котлы иногда имеют и водяные трубы для увеличения поверхности нагрева. Котел Корнуолла может иметь несколько водотрубок по диаметру дымохода (это часто встречается в паровых пусках ). Котел локомотива с широкой топкой может иметь арочные трубы или термосифоны . По мере развития технологии топки было обнаружено, что размещение перегородки из огнеупорных кирпичей (жаростойких кирпичей) внутри топки, чтобы направить поток горячих дымовых газов вверх в верхнюю часть топки, прежде чем он попадет в жаровые трубы, повышает эффективность за счет выравнивания нагрев между верхней и нижней жаровыми трубами. Чтобы удерживать их на месте, использовался металлический кронштейн, но чтобы предотвратить возгорание и разрушение этих кронштейнов, они были построены в виде водяных трубок, в которых холодная вода со дна котла поднималась вверх за счет конвекции при нагревании и переносила тепло. прежде, чем металл достигнет температуры разрушения.
Другой метод увеличения поверхности нагрева заключается в установке внутренних нарезов внутри труб котла (также известных как сервовые трубы).
Не все корпусные котлы поднимают пар; некоторые предназначены специально для нагрева воды под давлением.
В знак уважения к дизайну Ланкашира современные кожуховые котлы могут иметь конструкцию с двумя топками. Более поздней разработкой стала конструкция с обратным пламенем, при которой горелка загорается в глухой печи, а газы сгорания возвращаются обратно. Это приводит к более компактной конструкции и меньшему количеству трубопроводов.
Термин «пакетный» котел возник в начале-середине 20 века; он используется для описания котлов отопления жилых помещений, доставленных на место установки со всей изоляцией, электрическими панелями, клапанами, манометрами и топливными горелками, уже собранными производителем. Другие методы доставки больше напоминают прежнюю практику эпохи сжигания угля, когда другие компоненты добавлялись на месте либо к предварительно собранному сосуду под давлением, либо к «разборному» котлу, куда сосуд под давлением поставляется в комплекте. отливок, подлежащих сборке на месте. Как правило, заводская сборка гораздо более рентабельна, а для домашнего использования предпочтительно использовать комплектный котел. Частично-собранные поставки используются только в случае необходимости из-за ограничений доступа - например, когда единственный доступ к месту установки в подвале осуществляется по узкому лестничному пролету.
Поскольку дымоходный котел сам по себе представляет собой сосуд под давлением, для предотвращения механических повреждений он требует ряда мер безопасности. Взрывы пара в котле, которые представляют собой разновидность BLEVE (взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости), могут иметь разрушительные последствия.
Котел жаротрубного типа, который использовался в автомобиле Stanley Steamer, имел несколько сотен трубок, которые были слабее внешней оболочки котла, что делало взрыв практически невозможным, поскольку трубы выйдут из строя и дадут течь задолго до взрыва котла. За почти 100 лет, прошедших с момента первого производства котлов Stanley, ни один из них ни разу не взорвался. [ нужна цитата ]
Каждый раз, когда котел выключается и включается, он может потерять эффективность. Когда начинается пожар, эффективность горения обычно снижается до тех пор, пока не преобладают установившиеся условия. Когда огонь прекращается, теплый дымоход продолжает втягивать дополнительный воздух из внутреннего пространства, пока не остынет.
Чрезмерную езду на велосипеде можно свести к минимуму
Общие положения заключаются в обеспечении первичного трубопроводного контура с насосом(ами) и вторичного трубопроводного контура с насосом(ами); и либо насос с регулируемой скоростью для перекачки воды из первичного контура во вторичный контур, либо трехходовой клапан для отвода воды из вторичного контура в первичный контур. [9]
Минимальная температура обратной воды в котле составляет от 130 °F (54 °C) до 150 °F (66 °C), в зависимости от конкретной конструкции, чтобы избежать конденсации водяного пара из дымовых газов и растворения CO.
2и так
2из дымовых газов образуется угольная и серная кислота — коррозионная жидкость, повреждающая теплообменник. [10]
Конденсационные котлы могут иметь эффективность 2% или более при более низких скоростях горения за счет извлечения тепла парообразования из водяного пара в дымовых газах. Повышение эффективности зависит от топлива и доступной энергии, которую необходимо восстановить, как доли от общего количества. Дымовой газ метан содержит больше доступной энергии для восстановления, чем относительно меньше пропана или мазута. Конденсатная вода вызывает коррозию из-за растворенного диоксида углерода и оксидов серы из дымохода и должна быть нейтрализована перед утилизацией. [10]
Конденсационные котлы имеют более высокий сезонный КПД, обычно от 84% до 92%, чем неконденсационные котлы, обычно от 70% до 75%. Сезонный КПД — это общий КПД котла за весь отопительный сезон, в отличие от КПД сгорания, который представляет собой КПД котла при активном запуске, исключающий постоянные потери. Более высокая сезонная эффективность отчасти объясняется тем, что более низкая температура котла, используемая для конденсации дымовых газов, снижает потери в стоячем состоянии во время простоя цикла. Более низкая температура котла исключает использование конденсационного парового котла и требует более низких температур радиаторов в водяных системах.
Более высокая эффективность работы в области конденсации не всегда доступна. Для производства удовлетворительной 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 система управления котлом повышает температуру котла до уровня, необходимого для удовлетворения потребности в отоплении. Эти два фактора объясняют большую часть различий в приросте эффективности, наблюдаемом на разных установках. [10]
Для поддержания железнодорожного парового котла высокого давления в безопасном состоянии необходим интенсивный график технического обслуживания.
Трубные доски, плавкую пробку и головки стоек топки следует проверить на герметичность. Должна быть подтверждена правильная работа котловой арматуры, особенно водомеров и механизмов подачи воды . Давление пара следует поднять до уровня подъема предохранительных клапанов и сравнить с показанием манометра.
Срок службы локомотивного котла значительно увеличивается, если его избавить от постоянного цикла охлаждения и нагрева. Исторически сложилось так, что локомотив постоянно находился «в паре» в течение восьми-десяти дней, а затем ему давали достаточно остыть для промывки водогрейного котла. График работы экспресс-двигателей основывался на пробеге. [11] Сегодняшние сохранившиеся локомотивы обычно не содержатся 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» при сохранении некоторого давления в котле, затем слив всей котловой воды через «грязевые ямы» в основании топки и удаление всех «промывных пробок». Затем окалина удаляется струей 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 верх топки и узкие водные пространства вокруг топки. Внутреннюю часть котла осматривают путем осмотра пробочных отверстий, при этом особое внимание уделяется целостности дымовых труб, венца и опор топки, а также отсутствию язв или трещин на пластинах котла. Манометрические стеклянные краны, трубки и плавкую пробку следует очистить от накипи; если на сердцевине плавкой вилки имеются признаки прокаливания, деталь следует заменить. [13]
При повторной сборке следует позаботиться о том, чтобы резьбовые заглушки были установлены в исходные отверстия: конусность может измениться в результате повторной нарезки резьбы. Дверные прокладки грязевой ямы, если они изготовлены из асбеста , следует заменить, но свинцовые прокладки можно использовать повторно; Для утилизации этих вредных материалов действуют специальные инструкции. [12] Сегодня во многих котлах в качестве прокладок используются высокотемпературные синтетические материалы как для рабочих сред, так и для консервации, поскольку эти материалы более безопасны, чем исторические варианты. На крупных объектах технического обслуживания котел промывали и наполняли очень горячей водой из внешнего источника, чтобы быстрее вернуть локомотив в эксплуатацию.
Обычно это ежегодная проверка, требующая снятия и проверки внешних фитингов, таких как форсунки, предохранительные клапаны и манометр. Медные трубопроводы высокого давления могут пострадать от наклепа при эксплуатации и стать опасно хрупкими: перед установкой может потребоваться их обработка путем отжига . Также может потребоваться гидравлическое испытание котла и трубопроводов под давлением.
В Великобритании указанный максимальный интервал между капитальными ремонтами составляет десять лет. Для возможности полного осмотра котел снимают с рамы локомотива и снимают обшивку . Все жаровые трубы снимаются для проверки или замены. Вся фурнитура снимается для капитального ремонта. Перед возвращением в эксплуатацию квалифицированный эксперт проверит работоспособность котла и выдаст ему сертификат безопасности, действительный в течение десяти лет. [12]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )Коррозия при возгорании возникает, 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 таким образом, чтобы обеспечить минимальную температуру обратной воды в котле 150 F. (Примечание: во избежание коррозии важно сверить температуру обратной воды с данными производителя, чтобы избежать коррозии.) Все нагревательные компоненты следует выбирать для работы при минимальной температуре подаваемой воды 170 F, при условии, что разница температур на линиях подачи и обратной воды составляет 20 F. .
