БСЭ1/Котлы паровые

Котлы паровые
Большая советская энциклопедия (1-е издание)

Словник: Конкурс — Крестьянская война. Источник: т. XXXIV (1937): Конкурс — Крестьянская война, стлб. 460—481 ( РГБ )

КОТЛЫ ПАРОВЫЕ, аппараты для производства пара под давлением, идущего на приведение в движение паровых двигателей, не технологические процессы (выпарные и т. п. аппараты), на отопительные цели и т. п. К. п. составляют часть технического устройства парового двигателя в широком смысле этого слова, т. е. иеханизма, превращающего теплоту в работу посредством рабочего тела—пара. Рабочий цикл парового двигателя слагается из четырех процессов: 1)нагревания рабочего тела, 2) расширения его без сообщения тепла, 3) охлаждения и 4) сжатия. Котел осуществляет первый из этих процессов. Неотъемлемую часть котла составляет топка (см.), и котлом называется только такой генератор пара, в к-ром вода испаряется за счет тепла, переданного ей от пламени и горячих газов—продуктов горения топлива (каменный уголь, мазут, газ, дрова, торф и др.) в топке. Котлы, не имеющие топок, составляют особый класс беспламенных котлов и носят обычно специальное название.

Рис. 1. Котел Ньюкомена Рис. 2. Котел Уатта История развития конструкции котла. Первые паровые установки, имевшие промышленное значение, относятся к началу 18 века. Появление их было вызвано промышленным развитием Англии и других стран. Наиболее актуальной задачей того времени была добыча угля, и паровые машины нашли применение для откачки воды из угольных шахт. В 20-х гг. 18 в. Ньюкомен создал на основе идей Папина и Севери атмосферную машину, рабочий пар к-рой имел атмосферное давление. Первые котлы Ньюкомена делались из меди и имели форму шара с вогнутым в виде купола дном, под которым помещалась топка (рис. 1). По мере увеличения мощности машин, от меди, как от слишком дорогого материала, пришлось отказаться, и котлы стали делать чугунными, а затем железными. Уатт придал своим котлам форму сундука с прямыми боковыми стенками (рис. 2). Для того чтобы котел не распирался от внутреннего давления, его боковые стенки были связаны горизонтальными стяжками. Давление в машинах Уатта было еще очень невелико—1,2—1,5 атм. Когда появились машины, работающие с более высоким давлением,—6 атм. и более, пришлось перейти к цилиндрическим котлам, т. к. они не деформируются от внутреннего давления. Затем для увеличения поверхности нагрева стали применять цилиндрические котлы с внутренней жаровой трубой, в к-рой помещалась топка. В Америке Эванс предложил такие котлы еще в 1789, а в Англии они появились ок. 1815. Тревитик ввел их на копях Корнуэльса (Корнваллис); отсюда произошло их название—«корнваллийские котлы». В 1845 в Ланкашире (Англия) Ферьберн ввел систему котлов «ланкаширских»—с двумя жаровыми трубами. Котлы с жаровыми трубами сохранились до наст. времени для небольшой мощности, на 0,5—1,5 т пара в час. На рис. 3 изображен ланкаширский котел, один из самых простых котлов настоящего времени для небольшой мощности, на 1,5 т пара в час. Барабан его склепан из пяти обичаек. Анализ напряжений, возникающих в листах под действием внутреннего давления, показывает, что продольный шов обичаек испытывает вдвое большее напряжение, чем поперечный, представляющий место стыка двух обичаек по окружности барабана. Поэтому продольный шов делается более прочным. Днища штампованные, сферической формы и, благодаря этому, жесткие; внутренняя жаровая труба—волнистая, одновременно жесткая для наружного давления на нее пара и упругая вдоль оси для принятия температурных расширений, которые испытывает тело котла при растопке и при остывании. Для котла, как правило, употребляется малоуглеродистое железо (сталь I), могущее выдержать без разрыва и трещин пластическое удлинение при переходе напряжений за предел упругости, всегда возможное при нагревах отдельных мест котла. Котел опирается на четыре чугунных стула, не мешающих его расширению. Спереди, в нижней части котла, имеется спускной кран для опоражнивания котла при остановке на чистку. Правый патрубок сухопарника имеет два расположенных рядом предохранительных клапана, открывающихся, когда давление в котле превысит нормальное. Левый патрубок несет запорный вентиль, соединяющий котел с паропроводом; другой такой же патрубок, сзади сухопарника, ведет к пароперегревателю, из к-рого идет обратная труба в паропровод. На фронте котла имеются два коротких патрубка для прикрепления к ним водомерного стекла (см.); тут же устанавливается манометр (см.). Питательная вода подается в котел через передний же фронт (на рисунке не показано). Топка помещается в двух жаровых трубах; горячие газы, пройдя трубы, направляются вверх в перегреватель, после чего спускаются вниз и омывают, при движении их к фронту, правую сторону наружного барабана, а при возвратном движении—левую, после чего спускаются в боров (показан пунктиром), в к-ром установлен шибер, регулирующий силу тяги. Газами обогревается только та часть поверхности котла, которая охлаждается водой, т. к. обогрев стенок, соприкасающихся с паром, связан с опасностью их пережога. Рис. 3. Ланкаширский котел

Рис. 4. Котел паровоза «Ракета» Рис. 5. Пароходный котел Стивенса Второй тип котлов возник в 1829 при проектировании Георгом Стефенсоном его знаменитого паровоза «Ракета». Котел для этого паровоза (рисунок 4) был спроектирован Бутом, задача которого состояла в получении большего количества пара от котла, занимающего мало места; он достиг этого, пронизав цилиндрич. котел целым рядом дымогарных труб, обогреваемых горячими газами, идущими из топки. Топка котла окружена водяной камерой, к-рая непосредственно воспринимает теплоту от пламени и также дает значительное количество пара. В 1830 Стефенсон построил паровоз «Планету», котел которого представлял дальнейшее конструктивное развитие дымогарного типа котла и объединял топку с цилиндрической частью котла в одно целое. Этот тип котлов оказался настолько удачным, что до сих пор находит применение в современных паровозах. Тип котла, представляющий комбинацию двух предыдущих, возник на пароходах. Роберт Стивенс вставил дымогарные трубки в верхнюю часть корнваллийского котла и создал таким путем котел (рис. 5), который до наст. времени применяется на пароходах. Для получения большей мощности в таких котлах делают три жаровые трубы (т. н. шотландские котлы).

Рис. 6. Котел водотрубный Альбана Наконец, третий тип современного котла—водотрубный котел—был разработан в 40-х гг. 19 в. Появление водотрубных котлов объясняется требованием, предъявлявшимся в этот период силовыми станциями к паровым котлам в отношении повышения их мощности и рабочего давления. Стало необходимым создать тип котла с большой поверхностью нагрева, не имеющий в то же время больших барабанов, к-рые с ростом давления становились все более тяжелыми, дорогими и опасными. На рис. 6 изображен один из первых водотрубных котлов—Альбана. Он имеет две вертикальные камеры, скрепленные анкерами, между которыми развальцованы трубы. Камеры соединяются с барабаном, собирающим пар посредством чугунных горловин; днища барабана первоначально были также чугунные. Над усовершенствованием водотрубного котла много работал в Англии завод Бабкок и Вилькокс, предложивший в середине 19 века водотрубный котел секционального типа, в котором вертикальные ряды труб были развальцованы обоими концами в ряде отдельных вертикальных коробок, которые, в свою очередь, трубами соединялись с передней и задней частью барабана. На рис. 7 показан котел Бабкок и Вилькокс 70-х гг. 19 в. Этот котел дает наглядное представление о громадном прогрессе техники в промежуток времени между 30-ми и 60-ми гг. 19 в. Стены обмуровки не изображены на рисунке, чтобы дать возможность видеть устройство самого котла. Он подвешен за верхний барабан на особых железных стойках с перекладинами; трубам дан наклон, чтобы облегчить удаление из них пара в коллектор и барабан. Барабан склепан из трех железных обичаек. Днища еще литые, но впоследствии завод Бабкок и Вилькокс заменил их железными, отштампованными в горячем состоянии на прессах. Под передней половиной пакета труб оставлено место для топки. Пакет разделен поперечными перегородками на три дымохода, которые заставляют горячие газы три раза обернуться и омывать трубы с большой скоростью, что увеличивает теплоотдачу трубам. Блягодаря развитой поверхности нагрева котел, занимая сравнительно небольшую площадь пола котельной, может дать 3—5 т пара в час.

Рис. 7. Котел водотрубный Бабкок и Вилькокс Дальнейшее развитие котлостроения пошло гл. обр. в направлении водотрубных котлов, и к началу 20 в. имелись многочисленные конструкции горизонтальных и вертикальных, по установившейся терминологии, водотрубных котлов. Типичные представители этих систем для начала 20 в. приведени на рис. 8 и 9. На рис. 8 показан котел Бабкок и Вилькокс на давление 15 атм., т. н. морского типа, с облегченной обмуровкой. Поверхность нагрева котла—500 м², перегревателя—175 м², площадь колосниковой решотки—2×11=22 м². Нормальная производительность котла—30 т пара в час. Конструкция котла чрезвычайно компактна, и весь котел требует не больше той площади, которую занимает топка, выполненная в виде двух цепных колосниковых решоток, имеющих непрерывное движение от механического привода. Рис. 8. Котел водотрубный Бабкок и Вилькокс морского типа На рисунке 9 приведен типичный вертикально-водотрубный котел завода Дюрр. Котел состоит из двух пакетов труб, развальцованных обоими концами в днищах барабанов и соединенных друг с другом вверху и внизу горизонтальными патрубками (по 4 патрубка на каждую пару барабанов). Для того чтобы не требовалось изгибать трубы, днища выштампованы в виде ряда горизонтальных площадок (плиты Гарбе). Между обоими пакетами труб расположен перегреватель. Топка снабжена механической цепной решоткой. Зола, проваливающаяся из топки и уносимая в дымоходы, собирается в зольные бункеры под котлом и время от времени удаляется из котельной на вагонетках, подаваемых в подвальное помещение под котлом.

Рис. 9. Вертикальный водотрубный котел завода Дюрр Развитие водотрубных котлов в направлении их усовершенствования и повышения рабочего давления и мощности продолжалось еще интенсивнее в 20 в. В настоящее время давление в котлах современных крупных центральных элеткрических станций (ЦЭС) достигло уже 100 атм. и выше, а мощность их—200, 300 и более т пара в час. Рис. 10 и 11 дают представление о том изменении, к-рое претерпели горизонтальные и вертикальные котлы за первые 20 лет 20 в. На рис. 10 представлен типичный американский котел 20-х гг. 20 в. для крупных ЦЭС. Это трехбарабанный водотрубный котел американской станции Лексайд с поверхностью нагрева 2.640 м², рассчитанный на давление пара 97 атм. и температуру перегретого пара 385°. В годы первой империалистической войны в США был разработан способ сжигания угля в топке в размолотом виде. Размолотый в особых мельницах уголь подается по пылепроводу в горелки и сгорает в топке во взвешенном состонии, подобно тому, как сжигается нефть в нефтяных форсунках. Сжигание угля в пылеобразном состоянии позволило осуществлять топки значительно большей мощности, чем прежде (см. Пылевидное топливо). Рис. 10. Американский трехбарабанный водотрубный котел станции Лексайд Топка описываемого котла имеет объем 850 м³, т. е. в нее мог бы поместиться небольшой жилой дом. Опыт американских станций показал, что увеличение объема топки обеспечивает уменьшение степени недожога топлива. Вторая особенность топки та, что она экранирована, т. е. ее стены сплошь покрыты трубами, составляющими часть поверхности нагрева котла. Благодаря этому значительная чатсь тепла, выделяющаяся при горении топлива, передается путем лучеиспускания пламени и газов непосредственно экранной поверзности котла. По боковым стенкам топки расположены перегреватели пара т. н. радиационного типа. Фронтовой экран составляет поверхность нагрева котла. Горячие газы из топки проходят через конвективную часть поверзности котла, образованную двумя его пакетами труб, развальцованными в трех барабанах, и затем вступают в подогреватель. Трубы обоих пакетов, особенно заднего, изогнуты, чтобы их можно было развальцевать по коружности в барабанах. Питание котлов ЦЭС конденсатом с весьма небольшой прибавкой очищенной воды, с одной стороны, и изобретение приборов для очистки изогнутых труб—с другой, сделали ненужными плиты Гарбеи и открыли возможность дешево строить вертикально-водотрубные котлы.

На рис. 11 показан второй образец больших американских котлов 20-х гг. 20 века—горизонтально-водотрубный котел Спрингфилда для станции Истр-Ривер в Нью Йорке. Топка в нем тоже полностью экранирована. Угольная горелка (как в вышеописанном котле) вставлена в топку сверху в правой части топки, и пламя имеет U-образную форму: сперва опускается в правой половине топки вниз, а затем поднимается в левой ее половине вверх. Имеющиеся в котле перегородки заставляют газы, до ухода их из котла вверх, сделать три оборота. Обращает на себя внимание пилообразная форма секций котла, которая, в отличие от старых секционных коллекторов Бабкок и Вилькокс (рис. 7), позволяет иметь прямыми передний и задний фронты котла.

Рис. 11. Американский горизонтальный водотрубный котел для станции Ист-Ривет (Нью Йорк) Рис. 12. Радиационный котел фирмы Kohlendcheidungs-Gesellschaft В самое последнее время в котлостроении наметились две тенденции. Первая состоит в увеличении радиационной и уменьшении конвективной поверхности нагрева котлов. Такие котлы называются радиационными. В них почти непосредственно за топкой расположены перегреватель и затем экономайзер и воздухоподогреватель. Таким является котел (рис. 12) на 120 т пара в час фирмы Kohlendcheidungs-Gesellschaft. Параметры пара: давление 135 атм., перегрев 500°. Топка котла представляет четырехугольную продолговатую камеру, стены которой целиком экранированы трубами котла. Позади экранов, в более холодном промежутке между трубами экрана и стенками топки, помещены обратные трубы экрана. Питательная вода поступает в левый верхний барабан, из к-рого она опускается по обратным трубам экрана и питает нижние барабаны экрана. Дно камеры закрыто гранулятором, т. е. пакетом труб, отгораживающим нижний зольник от топочного пространства и создающим золосборник с более низкой температурой. Золя, проваливающаяся из топки, охлаждается настолько, что не шлакует стен зольника. Четыре пылеугольные горелки расположены по углам топки и направляют пламя в середину топки; горелки направлены несколько в сторону от центра, так что пламя и газы в топочном пространстве находятся во вращательном движении и поэтому хорошо заполняют объем топки. Продукты горения выходят из топки вверх через 2 ряда труб, представляющих конвективную поверхность котла, затем последовательно омывают перегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель. В котле отсутствуют барабаны большого диаметра. В целом котел представляет чрезвычайно компактную мощную конструкцию. Сравнение с рис. 10 и 12 наглядно показывает прогресс техники за последние 10 лет. Подробнее об экранных котлах см. Экранные котлы.

Рис. 13. Пароходный котел системы Ла Монта Вторая тенденция, проявившаяся в самые последние годы, состоит в отказе от естественной циркуляции воды и пара, к-рая имеет место в обыкновенных котлах, и в переходе к специальным типам котлов, в к-рых осуществляется вынужденное движение смеси воды и пара по трубам котла. Такие специальные котлы существуют двух родов—рециркуляционные и прямоточные. В котлах первого рода, предложенных Ла Монтом, кроме питательного насоса, имеется особый рециркуляционный насос, который, получая воду из барабана котла, все время перекачивает ее через трубы котла, являющиеся его поврезностью нагрева. В котлах второго рода (т. н. прямоточных), предложенных Бенсоном, барабан отсутствует, и питательный насос заставляет воду протекать по трубам котла в таком количестве, какое требуется для получения пара; вода, вступающая в котел с одного его конца, сперва нагревается, затем, по мере движения по трубам, начинает испаряться и, наконец, когда она вся уже испарилась, перегреваться, так что из другого конца труб выходит и поступает в паропровод перегретый пар. В котле Ла Монта поверхность нагрева выполняет только свое прямое назначение—передает тепло от газов воде котла, а циркуляция выполняется особым насосом. Обыкновенный же котел выполняет одновременно две функции—парообразователя и насоса, прогоняющего воду и пар по его трубам. Для того приходится располагать трубы в дымоходах таким образом, чтобы пар в них не застаивался, и выносить из дымохода трубы обратной циркуляции, чтобы разщность весов столба воды в последних и смеси пара и воды в обогреваемых трубах вызывала циркуляцию воды в котле. В результате, естественная циркуляция, кажущаяся лдаровой, обходится довольно дорого и оказывается гораздо хуже искусственной. Несмотря на то, что естественая циркуляция заставляет проходить через трубы котла количество воды, примерно в 50 раз большее испаренной, практика знает много случаев систематических прогаров труб, тогда как котел Ла Монта уже при 5—10-кратной циркуляции их не имеет. Причина этого заключается в том, что трубы обыкновенного котла, при одном режиме топки являющиеся опускными, с переменой режима могут сделаться подъемными. Такое опрокидывание направления циркуляции связано с застоями пара в трубах и, как следствие, с прогаром их. В котле Ла Монта одинаковая скорость жвижения воды во всех параллельно включенных трубах достигается вставкой в трубы особых дроссель-шайб, которыми выравниваются скорости во всех трубах. Благодаря этому накипь мало оседает на его трубах. Система Ла Монта совершенно меняет внешний вид котла. На рис. 13 изображен котел Ла Монта пароходного типа. Котел рассчитан на 50 т пара в час при 130 атм. давления и 430° перегрева. Топка котла имеет на фронтовой и задней стенках по 7 нефтяных форсунок. Обе боковые стенки и под экранированы; экранированы также и верхние части стенок топки над форсунками. Горячие газы из топки поднимаются вверх и последовательно обогреваю трубы конвективного пакета котла, перегреватель, экономайзер, после этого направляются в воздухоподогреватель и уходят в трубу. Справа виден барабан котла, поставленный вертикально, и перед ним циркуляционный насос. Вся компоновка котла, благодаря возможности применять трубки малого диаметра и располагать их горизонтально, исключительно компактна.

Рис. 14. Схема котла «Велокс»: A—форсунка, B—топочная камера, C—кипятильные трубы, D—пароперегреватель, E—газовая турбина, F—подогреватель питательной воды, G—компрессор, H—передача, J—вспомогательный мотор, K—циркуляционный насос, M—центробежный пароотделитель, O—питательный насос. Интересное видоизменение котла Ла Монта представляет сконструированный в 1932 фирмой Броун-Бовери котел «Велокс». Его особенность состоит в том, что горение в топке происходит под давлением в несколько атмосфер. Избыток давления позволяет осуществить громадные скорости газов—200—300 м/сек. Благодаря этому коэффициент теплопередачи в 10—15 раз больше, чем в обыкновенных котлах. Камера горения составлена из батареи вертикальных труб, расположенных по стенкам ее и вертикальными концами собранных в общий коллектор. Трубы содержат воду и представляют секции котла. Каждая из них пронизана тремя дымограными трубками; газы из топки, пройдя через последние и омыв перегреватель, расположенный в горизонтальном кожухе сбоку котла, вступают затем в газовую турбину, вращаюущую компрессор для наддува воздуха в топку. Сработав в турбине свое давление, газы при атмосферном давлении уходят через экономайзер наружу. Показатели котла примерно в десять раз больше показателей обыкновенных котлов. В топочном пространстве развивается до 10 млн. калорий в час. С 1 м² поверхности котла испаряется 500 кг пара в час, или, пересчитывая на общую поверхность котла, перегревателя и экономайзера, ок. 100 кг в час. Вся установка весит ок. 2кг на испаренный в 1 час килограмм пара. Котел «Велокс» имеет значение гл. обр. для специальных установок, на военных судах и т. п. Рис. 14 дает представление об общем виде всего агрегата, работающего на нефти. Рис. 15 дает представление о прямоточном котле заводов Борзига и Дюрра. Котел работает с давлением 130 атм. и температурой перегретого пара 530°. Его нормальная производительность 70 т и максимальная—100 т пара в час. Часть поверзности нагрева котла (240 м²) размещена в экранах, остальная, конвективная часть, расположена в нисходящем дымоходе и равна 940 м², из к-рых последние 200 м² содержат уже перегретый пар. Выйдя из котла, дымовые газы по горизонтальному ходу вступают во вращающийся воздухоподогреватель системы Юнгстрема. В нем горизонтально посаженное колесо с рядом плоских ребер при вращении своем проходит верхней половиной через дымоход, по к-рому движутся дымовые газы, и нагревается, в то время как нижняя половина колеса, пересекая канал, подающий воздух в топку, обдувается воздухом, к-рый нагревается, отнимая тепло от колеса. Топка пылеугольная, упрощенного типа, без пылепровода и горелки, т. н. Кремера; в ней мельница находится в боковой шахте, непосредственно примыкающей к топке. Угольная пыль, продуваемая из шахты, встпуает в топку по горизонтальной горловине, и, смешавшись с дополнительным воздухом, подаваемым через ряд отверстий вокруг гроловины, загорается, образуя в топочном пространстве факел.

Рис. 15. Прямоточный котел Борзиг и Дюрр. Из других котлов специального типа следует упомянуть котел Леффлера (описание его см. Электрические станции. Появившиеся в 1935 вращающиеся котлы Форкауфа и Хутнера пока имеют значение главным образом для авиации. Современные паровые котлы строятся на паропроизводительность до 300—600 т пара в час, что вызвано стремлением упростить устройство станций и иметь возможность снабжать паром трубины в 50—100 тысяч квт от одного котла.

Котлостроение в СССР. В царской России котлостроение стояло на очень низком уровне. К. п. строились простейших типов и на низкое давление (до 6—8 атм.), причем, гл. обр., копировались иностранные образцы К. п. Более крупные и технически более совершенные К. п. получались преимущественно из Англии и Германии. После окончания Гражданской войны котлостроение в Союзе ССР стало развиваться бурными темпами. В 1925 оно уже превысило довоенный уровень; в этом году котельные заводы СССР построили 32.700 м² котельной поверзности. В 1927 продукция заводов возросла до 78.600 м², а в 1935 достигла 200.000 м², причем все вновь строящиеся электроцентрали оборудовались уже только советскими котлами. Созданное в 1931 Центральное конструкторское бюро котельных з-дов провели станлартизацию типов котлов и свело их число, примерно, со ста типов, строившихся в 1922, до пятнадцати. Рост мощности отдельной котельной единицы в СССР виден из след. табл.:

Годы	Паросъемы (т/час.)
1913	15
1925	25
1927	40
1930	75
1934	200
1935	300

Советское котлостроение создало свои оригинальные типы котлов большой мощности. На рис. 16 дан образец котла конструкции ЦКБК. Это—экранный котел на 120—160 т пара в час, работающий на мазуте. В настоящее время (1937) новые типы котлов создаются Центральным конструкторским бюро котельных заводов, Центральным котлотурбинным ин-том и Бюро прямоточных котлов. Последнее проектирует прямоточные котлы своей конструкции на давление 100 атм. и выше. На рис. 17 показана схема такого котла, установленного в Москве на Тепло-электроцентрали.

Рис. 16. Экранный котел советского производства; паропроизводительность 140—160 т в час. Отопление мазутом. Рис. 17. Продольный разрез советского прямоточного котла СПП 200/400. Паропроизводительность 160/200 т/ч.; давление 140 атм. Температура перегретого пара 475—500°: 1—возмоэное место отбора горячих дымовых газов для подсушки угля, 2—конвекционный перегреватель высокого давления, 3—вторичный перегреватель, 4—коллектор вторичного пергревателя, 5—конвекционный котел (испарительная зона), 6—воздушный подогреватель, 7—выход дымовых газов, 8—воздух от вентилятора, 9—спуск золы из бункеров, 10—предохранительные клапаны, 11—выходной коллектор радиационной части, 12—входной коллектор вторичного подогревателя, 13—газовые предохранительные клапаны, 14—трубы радиационной части котла, 15—12 шт. пылеугольных горелок, 16—подвод вторичного воздуха, 17—входной коллектор радиационной части, 18—48 нефтяных механических форсунок.

Теория парового котла. История развитяи К. п. от самых начальных их форм до современных новейших типов показывает, как епрвоначально весьма простая конструкция постепенно усложнялась, как к ней присоединялись добавочные устройства, так что в конце концов получился весьма сложный агрегат, состоящий из ряда отдельных частей, имеющих каждая свое назначение. Приведенный выше обзор далеко не исчерпывает всего разнообразия типов котлов и их топок. Но во множестве существующих конструкций можно отличить общие родовые признаки. Котельный агрегат развился из первоначального аппарата для испарения воды путем дифференциации его частей и добавления к ним новых, имеющих каждая свое особое назначение. Современный котельный агрегат, как видно из предыдущего, состоит из следующих видов рабочих поверхностей: радиационная и конвективная поверхность испарения, или собственно котел, перегреватель, подогреватель питательной воды (экономайзер) и подогреватель воздуха, подаваемого в топку. Чтобы понять, почему возникли все эти части и как изменялос с развитием котла соотношение между их поверзностями, надо рассмотреть рабочий процесс котла, состоящий в теплообмене между горячими газами и стенками котла.

Тепловой баланс котла. Рабочий процесс парвого котла состоит в передаче тепла, развивающегося при горении топлива, поверхности нагрева. Поэтому большое значение для оценки работы котла имеет его тепловой баланс, показывающий, какая часть тепла газов используется котлом на парообразование и в чем состоят потери, имеющие место в котле. Забрасываемое в топку топливо обладает способностью развить при полном горении определенный тепловой эффект. Из этого тепла, представляющего собой теплотворную способность топлива q₀ калорий тепла на 1 кг топлива, в котле может быть использована для парообразования только некоторая часть q₁, сотальная же часть представляет потери, неизбежные при работе котла. Прежде всего горение в топке всегда идет неполно, и часть теплотворной способности, заключенной в топливе, не реализуется в топке. Если, напр., под котлом сжигается каменный уголь, то часть его q₂ проваливается сквозь прозоры колосников, остается несгоревшей в шлаках и уносится с летучей золой в дымоходы. Кроме этой «механической» неполноты горения, в топке может быть еще и «химическая» неполнота горения и связанная с ней потеря тепла q₃. Например, углерод топлива не весь сгорит в СО₂, а часть его может сгореть неполно, образовав окись углерода СО и развив при этом значительно меньший тепловой эффект. Точно так же могут сгореть неполно продукты возгонки угля, и в продуктах горения окажутся несгоревший водород, метан и другие горючие газы. Таким образом, в топке разовьется меньше тепла, чем могло дать топливо, на величину $q_{2}+q_{3}$. Следующие две потери происходят при отдаче пламенем и газами своего тепла поверхности нагрева. Во-первых, часть их тепла передается через стенки обмуровки и рассеивается в окружающей среде, во-вторых, газы не могут быть охлаждены ниже температуры стенок котла, к-рым они отдают свое тепло; в действительности же они имеют температуру значительно выше этой последней. Чем выше их температура, тем больше тепла уносится дымовыми газами в трубу; называя эту потерю q₄, а потерю тепла через обмуровку котла q₅, имеем еще две потери — $q_{4}+q_{5}$. Если котел работает в стационарном состоянии, то его баланс тепла дается равенством: $q_{0}=q_{1}+q_{2}+q_{3}+q_{4}+q_{5}$, а коэффициент полезного действия его равен:

$\eta ={\frac {q_{1}}{q_{0}}}$.

Уменьшение потерь достигается различными способами. Потери на охлаждение q5 вообще невелики и могут быть сведены до величины меньше 1% правильной кон­струкцией обмуровки. Потери в трубу q₄ зависят как от температуры уходящих газов, так и от их объема. Чем меньше дано избытка воздуха к теоретически необходимому для горения, тем меньше будет потеря в трубу; однако, при уменьшении количества воздуха до теоретически необходимого получить полное горение в топке очень трудно. Существует нек-рый оптимум величины избытка воздуха, при к-ром сумма потерь $q_{4}+q_{3}$ становится наименьшей, при этом q₃ равняется обычно 1—2%. В зависимости от рода топлива этот оптимальный избыток достигает 0,20—0,50 от теоретического. Превышение теоретического воздуха в 2 и даже в 3 раза, как это получается у неопытных кочегаров, увеличивает потерю q₄ в два и более раз. Потери на механическую неполноту сгорания топлива q₂ зависит в значительной степени от рода топлива, от конструкции топки и умения кочегара управлять горением топлива в слое и в топочном пространстве. При умелом обслуживании она может быть сведена к 1—2%.Таким образом, кпд котла определяется, гл. обр. потерей в трубу q₄. Кроме объема газов, она, как сказано, зависит еще от температуры уходящих газов Т₂, а эта последняя определяется величиной поверхности нагрева. Чем больше будет поверхность нагрева, тем ниже получится температура уходящих газов. Однако охлаждать газы ниже известного предела нецелесообраэно. Количество тепла, отнимаемого в каком-нибудь определенном месте дымохода единицей поверхности котла, зависит от разности температур по обе стороны стенки котла, т. е. от разности температуры газов Т и воды t. Если разность (T-t) в конце котла станет очень мала, то задняя часть котла будет работать непроизводительно, она будет испарять с единицы поверхности весьма мало пара, и затрата металла на постройку котла окажется слишком большой. Требование минимума потерь тепла в котле оказывается, т. о., несовместимым с требованием иметь небольшую поверхность нагрева, т. е. дешевый котел. Котел, работающий экономично, окажется дорогим котлом, и, наоборот, дешевый котел будет иметь низкий кпд. Таким образом, в определении размера котла приходится остановиться на нек-ром оптимальном решении, при к-ром сумма амортизационных и эксплоатационных издержек получается наименьшей. Чтобы полнее осветить этот вопрос и сделать понятным выгоду преобразования котла в сложный агрегат—котел-экономайзер-воздухоподогреватель,—надо подойти к работе котла с иной точки зрения и рассмотреть более подробно процесс отдачи тепла газами различным частям поверхности нагрева котла или, как принято говорить, рабочую характеристику котла.

Рабочая характеристика котла. Рабочая характеристика дает связь между величиной поверхности нагрева котла и количеством тепла, отданного газами (или их температурой). Аналитически эта зависимость выражается в виде нек-рой произвольной части поверхности нагрева H (квадратные метры), к-рую омыли газы, идущие из топки, в функции от количества тепла Q (калорий в час), к-рое газы на этом пути потеряли. Количество тепла, передаваемое единице поверхности нагрева, различно в зависимости от того, какова разность температуры газов Т и воды в котле t. Количество тепла dQ, переданное за нек-рый промежуток времени, напр. 1 час, элементу поверхности нагрева, можно выразить формулой:

$dQ=k(T-t)dH$, (1)

где k—коэффициент теплопередачи, зависящий от ряда причин: скорости газов, формы поверхности нагрева, плотности и теплопроводности газов и т. п. Для случая пакета труб, расположенных поперек потока газов, k пропорционально произведению плотности на скорость в степени, примерно, двух третей; k несколько возрастает с уменьшением диаметра труб. Отсюда стремление конструкторов увеличивать скорость дымовых газов и уменьшать диаметр труб котла. С другой стороны, тепло, отданное газами, пропорционально понижению их температуры:

$dQ=-cGdT$, (2)

где G—вес продуктов горения, прошедших по дымоходам в час, а с—теплоемкость газов при постоянном давле­нии. Знак минус стоит в формуле потому, что dQ есть отнятое от газов тепло; поэтому понижение температуры—dT отвечает положительному количеству тепла, отнятого от газов.

Пользуясь формулой (2), в уравнении (1) теплоту Q можно заменить температурой:

$k(T-t)dH=-cGdT$,

или

$dH=-{\frac {cG}{k}}\cdot {\frac {dT}{T-t}}$. (3)

Имея в виду, что температура воды в котле постоянна и равна температуре кипения воды, соответствующей давлению внутри котла, можно написать, что $dT=d(T-t)$, и интеграл уравнения (3) будет:

$H={\frac {cG}{k}}\ln \left({\frac {T_{1}-t}{T_{2}-t}}\right)$. (4)

В нем H есть часть поверхности нагрева, заключенная между Т₁—начальной и Т₂—конечной температурами газов. Это и есть аналитическое выражение рабочей характеристики. Интеграл (4) взят в предположении, что тепло, отнятое от газов, все передано поверхности нагрева и что козффициент теплопередачи k и теплоемкость с постоянны. Последнее приблизительно верно в пределах одного пакета труб, и для каждого участка дымохода величину k надо брать соответственно расположению и форме поверхности нагрева, скорости и температуре газов. Таким образом, уравнение (4) дает лишь приближенную зависимость и при более точных расчетах оно должно быть заменено более точным выражением. Однако, и не входя в подробности численного расчета поверхности нагрева, на основании общего вида уравнения рабочей характеристики (4), можно получить ряд выводов и выяснить причины эволюции котла.

Рис. 18. Рабочая характеристика котла. Проще и нагляднее всего это можно сделать графически, представив рабочую характеристику в виде кривой $H=f(T-t)$. На рис. 18 она построена в виде кривой ABC. По оси абсцисс на рисунке отложена поверхность экрана и конвективной части котла, а по оси ординат—температура газа в соответственных местах ее. Из формулы 4-й следует, что при $T_{2}=tH=\infty$и, следовательно, кривая ассимптотически приближается к горизонтальной линии, изображающей температуру t котла. Пунктирная часть кривой АВ, отвечающая топочному пространству, не изображает действительной температуры в топке, а построена на основании расчета, исходящего из предположения, что отдача тепла лучеиспусканием не имеет места в топке. На самом деле она будет лежать ниже, так как тепло отдается котлу и лучеиспусканием. Начальная точка А поэтому представляет так называемую теоретическую температуру горения Т₀, которая получилась бы, если бы вся теплотворная способность топлива q₀ была затрачена на нагрев продуктов его горения. Приняв температуру воздуха t₀ за ноль, будем иметь: $q_{0}=(T_{0}-t_{0})cG$, откуда: $T_{0}={\frac {q_{0}}{cG}}+T_{0}$. Это, конечно, фиктивная температура, т. к. она вычислена в предположении, что не произойдет частичной диссоциации углекислоты и паров волы, каковая на самом деле будет иметь место. Но она имеет важное расчетное значение. Попрежнему ограничиваясь лишь приближенными формулами, вполне достаточными для выяснения сущности рабочих процессов котла, можно принять теплоемкость газов за постоянную величину и пренебречь понижением T₀ от неполноты горения, имеющим место в топке. Тогда, согласно формуле (2) тепло, отнятое от гаэов, будет пропорционально понижению их температуры от этой начальной T₀, и ординаты кривой ABC на рис. 18 представят одновременно и температуру и, в нек-ром масштабе, теплосодержание газов. Таким образом, рис. 18 изображает весьма наглядно тепловую работу котла и позволяет оценить форсировку отдельных его мест. Чем круче наклон кривой, т. е. чем больше угол между касательной к ней и горизонталью, тем больше съем пара с соответственного места поверхности котла. Например с поверхности нагрева, расположенной в топке (ab), снимается в десять и более раз больше пара (отрезок ординаты Bb’), чем с такой же по величине поверхности (dc) последних его элементов, к-рые омываются газами, уходящими в боров (отрезок Cc’). Поэтому нельзя говорить о напряженности тепловой работы котла в целом; средняя форсировка его, представляющая отношение количества тепла, отданного со всей его поверхности, к величине этой последней $\left({\frac {Q}{H}}\right)$ и изображающаяся на рис. 18 тангенсом угла σ_ср. наклона хорды АС к горизонтали, не дает об этом представления. Если бы конвективная поверхность котла была выбрана меньшей, напр. равнялась бы не bc, a bd, то σ_ср. сейчас же увеличился бы. Между тем, в работе передних, наиболее напряженных частей котла ничего бы не изменилось. Это соображение объясняет, почему одни котлы имеют больший съем пара с 1 м², а другие—меньший. В значительной части это обусловливается выбором температуры уходящих из котла газов. Чем она выше, тем больше и средняя форсировка котла. Например котел, изображенный на рис. 9, имеет паросъем с 1 м² своей поверхности в час, примерно, в два раза меньший, чем котел, показанный на рис.  8. Вызвано это тем, что последний представляет лишь часть парового агрегата, и газы уходят из него не в трубу, а в экономайзер, имеющий, примерно, такую же поверхность нагрева, как и котел. Котел на рис. 12 почти весь расположен в топке, и поэтому с 1 м² он испаряет более 200 кг пара в час. Понятно, что температура газов, покидающих этот котел, очень высока, и для понижения ее до 150—180° нужны поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя, в несколько раз превышающие испарительную поверхность, или котел в узком смысле слова. В рассматриваемом примере поверхность экономайзера в три с половиной раза, а воздухоподогревателя почти в пять раз больше котла. Таким образом, котельный агрегат имеет в области интенсивной передачи тепла самую дорогую поверхность нагрева—котел—очень небольшой поверхности, а в тех местах, где разность температур газа и стенок невелика, она заменена более дешевой поверхностью экономайзера и воздухоподогревателя. В особом положении находится перегреватель: температура стенок его выше, чем котла, и перемещение перегревателя в область более холодных газов заставляет в несколько раз увеличивать ею поверхность нагрева, чтобы сохранить тот же перегрев пара. На рис. 18 ΔT означает охлаждение газов на такую температуру, которая необходима для передачи перегревателю требуемою тепла. Из рисунка ясно видно, как быстро растет необходимая для этого поверхность при понижении температурной разности между газами и стенкой. Поэтому целесообразно помещать перегреватель в область высоких температур, причем предел стаится только конструктивными соображениями—опасностью пережога его труб. Наоборот, расположение позади котла экономайзера, температура воды в котором ниже, чем в котле, представляет большие выгоды в смысле уменьшения общей поверхности нагрева агрегата. То же относится и к воздухоподогревателю. Воздухоподогреватель, кроме того, позволяет повысить температуру в топке. Благодаря этому оказывается возможным сжигать в экранированной тонне труднозагорающееся топливо.

Рис. 19. Рабочая характеристика котла. Рабочая характеристика на рис. 19 наглядно показывает, как рациональное размещение всех четырех элементов современного котла уменьшает для агрегата, подобного изображенному на рис. 12, их общую поверхность и стоимость нотла. Для сравнении на рис. 19 пунктиром нанесена рабочая характеристика котла, не имеющего экономайзера и подогревателя. В нем охладить газы до той же температуры, а значит и достигнуть того же кпд установкой добавочной поверхности котла, оказывается невозможным. Рисунок 19 дает, т. о., объяснение всему современному развитию конструктивных форм котельного агрегата.

Теплопередача в котлах. В топках экранированных котлов теплота передается главным образом лучеиспусканием. Согласно закону Стефан-Больцмана, количество передаваемого в единицу времени тепла пропорционально разности четвертых степеней абсолютных температур пламени и стенки котла. Входящие в состав дымовых газов углекислота и пар воды также обладают способностью излучать тепло, хотя и в значительно меньшей степени, чем светящееся пламя. По мере понижения температуры газов все большая доля тепла передается соприкосновением (конвекцией). При этом тепло, передаваемое от дымовых газов воде в котле, встречает на своем пути сопротивление трех родов: при переходе от газа к наружной поверхности стенки котла, при проходе сквозь стенку и при переходе от внутренней поверхности стенки к воде. Общее выражение теплопе­редачи (1), отнесенное к единице поверхности

$Q=k(T-t)$, (1’)

можно представить в виде $Q={\frac {(T-t)}{\left({\frac {1}{k}}\right)}}$, причем ${\frac {1}{k}}$ можно рассматривать как коэффициент сопротивления теплопередаче. Это сопротивление складывается из перечисленных выше отдельных сопротивлений, для каждого из которых можно написать аналогичное ур-ие:

$Q=\alpha _{1}(T-T'_{1})$

$Q={\frac {\lambda }{\delta }}(T'-t')$ (5)

$Q=\alpha _{2}(t'-t)$

Здесь α₁—коэффициент теплоперехода от газов к стенке, α₂—то же для перехода тепла от стенки к воде, λ—коэффициент теплопроводности стенки, δ—толщина последней, Т’ и t’—температуры наружной и внутренней поверхности стенки котла. Подсчет показывает, что тепловое сопротивление стенки и воды составляет лишь несколько процентов от сопротивления газов, и главное сопротивление в передаче тепла представляется со стороны газов. Его надо стремиться уменьшать, увеличивая скорость газа. Уменьшение остальных сопротивлений не принесет пользы, поэтому нецелесообразно переходить на более теплопроводный металл (медь, алюминий) и применять приспособления, ускоряющие циркуляцию воды. Надо только принять меры к тому, чтобы в трубах не застаивался пар. Температуру стенок можно найти из ур-ий (5).

За последние 10 лет за границей и в СССР произведены многочисленные опыты, осветившие вопрос о теплопередаче в котлах и выяснившие влияние на нее различных факторов. Для того чтобы лабораторные опыты можно было применять для расчета котлов, их обыкновенно обрабатывают на основании теории подобия, и результаты опытов представляют в виде зависимости между критериями подобия. И тех случаях, когда движение газов между трубами котлов происходит неполным сечением дымоходов или очень сложно, ставятся опыты с моделями котлов, построенными по правилам учения о подобии и моделировании (см. Теплопередача).

Производство котлов. При давлениях в 10— 12 атм. К. п. изготовлялись из железных листов; вальцами вхолодную листам давалась цилиндрическая форма обичайки; листы скреплялись между собой заклепками. Переход к высокому давлению совершенно изменил способ производства котлов. Барабан котлов на 100 атм. должен иметь толщину стенок порядка 100 ;мм. Применявшаяся при котлах на 30 атм. сварка барабанов стала уже невозможной при стенках их в 100 мм, и барабаны приходится делать цельнокованными, отжимая их в горячем со­стоянии на гидравлических прессах из цилиндрической стальной болванки. Для этого в болванке пробивают сперва в центре отверстие, в к-рое продевают стальную ось, укрепленную на двух стойках под прессом. Нажимая пресс и последовательно проворачивая болванку, постепенно придают ей форму длинного полого цилиндра, а обжимая концы цилиндра, доводят отверстие в его торцах до величины, требуемой для лаза. Расчет стенок барабанов на прочность производится по формулам теории упругости (формула Лямса и т. п.). Для развальцовки труб в барабанах просверливаются отвер­стия, что вызывает неравномерное распределение напряжений в подверженном давлению барабане; на краях отверстий напряжение металла повышается в 2—2,5 раза. Однако, как показали опыты, развальцовка труб, вызывая пластическую деформацию у краев отверстий, снижает краевой эффект. Расчет барабана ведется с учетом обоих явлений. Далее, расчеты на температурные напряжения, возникающие от температурного градиента через стенку барабана, показали, что барабан необходимо вынести из дымоходов и покрыть изоляцией, иначе добавочные температурные напряжения достигали величины напряжений от внутреннего давления пара. С утолщением труб котла к напряжениям металла, вызванным внутренним давлением, также добавляются все большие температурные напряжения, так что после известного предела утолщение делает трубу менее прочной. На этом соображении основан расчет оптимальной толщины труб. Большие трудности возникли при проектировании трубопроводов для котлов высокого давления и перегрева, во фланцах и болтах к-рых при начальном прогреве паропровода возникают весьма большие напряжения. Обыкновенная сталь при высоких перегревах—500° и выше—обладает прочностью в 10 раз меньшей, чем при 0°. Поэтому в котлостроении перешли на специальные сорта сталей, на т. н. легированные стали, содержащие небольшие добавки различных металлов, в несколько раз повышающие прочность; для барабанов котла применяются хромо-никелевые, хромо-никель-молибденовые стали. При высоких температурах обнаружилось особое свойство металла получать под нагрузкой медленную непрерывную пластическую деформацию. Это явление, получившее название «крип» (англ.—ползучесть), уменьшается в несколько раз, если сталь содержит 0,3—0,5% молибдена; одновременно значительно возрастает и прочность стали при высоких температурах. Поэтому молибденовая сталь получила широкое применение для труб перегревателей, паропроводов и т. и. Вообще легированная сталь получает все более широкое распространение в котлах. Так, например, воздухоподогреватели, быстро ржавеющие от осаждения на них влаги, стали делать из нержавеющей медистой стали, содержащей 1% меди.

Лит.: Ратциг А. А., История теплотехники. М.—Л., 1936 (Академия наук СССР. Труды Ин-та истории науки и техники, сер. 11, вып. 2); Тецнер Ф. и Гейнрих О., Паровые котлы, перевод с 7 немецкого издания, М.—Л., 1932; Кнорре Г. Ф. и Семенов-Девятков И. Д., Курс паровых котлов, ч. 1, Л.—М., 1934; Шöне, Современное состояние паровой техники в Германии, «V. D. I.», 1936, Bd 80, № 34. перевод отраслевого Бюро технич. информации котлотурбинной промышленности Главэнерго, 1936; Кирпичев М. В. и Михеев М. А., Моделирование тепловых устройств, М.—Л., 1936; Гребер Г. и Эрк С., Основы учения о теплообмене, перевод с немецкого, Москва—Ленинград, 1936 (дана лит.): Мак Адамс В. Г., Теплопередача, перевод с английского, Ленинград—Москва, 1936 (дана лит.).