Котельная техника и тепловые двигатели – экскурс в историю
О том, что нагретый пар обладает немалой энергией, было известно ещё в античном мире. В своём сочинении «Пневматика» Герон Александрийский описал устройство эолипила («шар Эола») – котёл, в крышку которого была вделана пара трубок. Они присоединялись к пустому шару, снабжённому двумя соплами. После нагревания и закипания котла пар, вырывающийся из сопел, сообщал шару вращение. Причём данный «двигатель» был, как бы мы сейчас сказали, весьма высокооборотистым: судя по чертежам, более пятидесяти вращений в секунду.
Интерес к энергии нагретого пара вновь пробудился в эпоху Ренессанса. Дань этой отрасли науки отдавал и Леонардо да Винчи, пытаясь приспособить её для военных нужд. До промышленного применения пара было ещё далеко: даже в XVII столетии паровые машины использовались всё ещё как вспомогательные механизмы водоподъёма – например, для работы фонтанов или откачивания воды из горных выработок. В качестве примера можно привести машину, сконструированную в Англии Т. Севери, обеспечивавшую подъём воды на 10 м. Однако уже в 1690 году француз Дени Папен, во-первых, даёт описание пароатмосферного цикла работы парового котла, во-вторых, предлагает такое новшество защиты котла от перегрева, как предохранительный клапан.
Следующее слово в развитии паровых машин сказал опять-таки англичанин – Т. Ньюкомен. Он предложил свою модификацию пароатмосферного двигателя, мощности которого хватало уже на откачку воды с 80-метровой глубины. Особенностями машины Ньюкомена стало отделение парового цилиндра от котла и «двухзадачность» самого котла, в котором не только нагревалась вода, но и конденсировался пар.
Повышение производительности пароатмосферных машин произошло в 1770-х годах благодаря инженеру Д. Смитону, разработавшему правильные пропорции механизма и усовершенствовавшему ряд его деталей.
Однако серьёзного прорыва в обеспечении производственных нужд пароатмосферные двигатели не совершили. Причинами этого были их громоздкость и невероятная топливная «прожорливость». Гораздо более экономичную тепловую машину сконструировал замечательный русский инженер Иван Ползунов. Руководствуясь сведениями о машинах Нькомена и Севери и изучив сочинение Ломоносова о теплотехнике, в 1765 году Ползунов построил по собственному проекту «огнедействующую машину». Несмотря на крайне малый срок службы (машина действовала всего около полутора месяцев), она не только сполна окупила затраты на её изготовление, но и принесла несколько тысяч рублей прибыли. Ползунов не увидел своё детище в работе, так как скончался от туберкулёза ещё до запуска машины. А после его смерти, увы, не нашлось никого, кто мог бы устранить разбалансировку её составных частей, неизбежную в новом механизме.
Следующий этап в развитии теплотехники связан с именем Джеймса Уатта. Он предложил ряд усовершенствований для повышения производительности паровых двигателей, а также разработал машину двойного действия. Главными чертами машины Уатта стали равномерная работа и наличие передаточных узлов, сделавших её пригодной для самого широкого распространения на производстве.
Однако XIX век предъявил к тепловым двигателям новые «векселя к оплате»: несоответствие КПД прежних машин и возросших промышленных нужд. Для его повышения требовалось увеличить давление пара в котле. Сделать это можно было, снизив поперечные размеры цилиндра и удлинив его. На этом этапе развития котёл уже представлял собой совокупность нескольких труб. В зависимости от того, пропускался по ним пар или топочные газы, котлы назывались водотрубными либо газотрубными (разновидностью последних стали дымогарные котлы). Производительность газотрубных котлов оказалась невысокой, и в силу этого широкого применения они не нашли.
Эволюция котлов шла по пути усовершенствования теплообмена в водном резервуаре. Эта задача разрешилась внедрением двухколлекторного котла. А в последние годы позапрошлого столетия появились водотрубные котлы с производительностью в десятки тонн пара в минуту. Проблема повышения нагреваемой поверхности была решена за счёт уменьшения диаметра труб, что повысило их прочность и увеличило суммарную длину.
Конструктивно водотрубные котлы были представлены двумя модификациями: вертикальные (трубы соединялись с цилиндром напрямую) и горизонтальные, где для присоединения труб использовались специальные переходники. Однако подобный вариант не гарантировал устойчивость к высоким давлениям и был труден в обслуживании, поэтому более популярны были котлы первого типа.
В России в конце XIX – начале XX века получили распространение разъёмные котлы Шухова, представлявшие собой совокупность пучков-секций из нескольких труб. Каждая секция была укреплена в барабане, снабжённом крышкой. Благодаря таким решениям котёл можно было легко построить (требовалось сравнительно мало металла) и легко перевозить.
Очередной скачок в котлостроении пришелся на первую половину XX века. К числу появившихся инженерных нововведений относится переход к более полному сгоранию топлива и, как следствие, повышению КПД котла. Ещё одна инновация того времени – топочные экраны: совокупность труб, поглощающих тепловое излучение сгорающего топлива. Применение экранов интенсифицировало выравнивание температур конвективных (за счёт движения горячих газов) и радиационных поверхностей нагрева и повысило паропроизводительность. Чтобы удешевить котлы и улучшить циркуляцию в них, с течением времени отказались от многобарабанных конструкций и ввели циркуляционные насосы, экономайзеры и водоподогреватели.
По мере дальнейшего развития теплотехники массивные и недешёвые барабан ушли в прошлое, и были разработаны прямоточные котлы – подобную идею впервые воплотили немцы в 30-х годах. В Советском Союзе агрегаты новой конструкции появились благодаря Л.К. Рамзину, главному разработчику котлов докритического и сверхкритического давления.
Подытожив всё вышесказанное, следует признать, что именно вертикальные котлы имеют самую удачную конструкцию, и ресурс их производительности далеко не исчерпан.