Топки для твердого топлива системы И.А.Строганова

Эволюция средств обогрева и приготовления пищи. Исторический обзор




Материал нашел и подготовил к публикации Григорий Лучанский

Источник: Строганов И.А. Топки для твердого топлива системы И.А.Строганова. Тверь, Типо-Литография Н.М.Родионова, 1910 г.


Отличия топки для твердого топлива системы И. А. Строганова от систем топок колосниковой, генеративной и полугенеративной

Топка моей системы отличается от колосниковой полным отсутствием колосников, также она не может быть названа генеративной или полугенеративной вследствие отсутствия принципа генераторного сжигания газов в том виде, как этот принцип проводится в практике.

Главные части, составляющие сущность названной системы, следующие:

1) Своеобразной конструкции кирпичная шахта А, с отверстием В, для прохода пламени под паровой котел или какой-либо другой огреваемый аппарат С.

2) Своеобразный загрузочный аппарат Б, установленный над верхним отверстием шахты А. Шахта А служит для сжигания топлива и выкладывается огнеупорным кирпичом; она имеет несколько наклоненный под; сейчас же за огнеупорной облицовкой ее стенок расположены каналы, подводящие воздух из воздушных проходов загрузочного аппарата Б к топливу; в передней стенке шахты имеются одно или два (смотря по надобности) зольниковых отверстия К для удаления время от времени золы. Каналы, подводящие нужный для горения воздух, располагаются во всех стенках шахты. Воздух из отводов m, m, m, m загрузочного аппарата поступает в переднюю стенку по каналу I, в две боковые стенки по каналам i, i и в свод, а отсюда в лобовую стенку, по каналам n. Все эти каналы заканчиваются внизу шахты окнами O, O, O, как показано на чертеже. Воздушные каналы назначаются для подвода и подогревания накаленными стенками всего количества воздуха, нужного для горения топлива в шахте А; последняя во избежание потери тепла наружу, изолируется толстостенной кладкой с герметически закупоренными воздушными камерами r, расположенными в трех стенках.

Загрузочный аппарат D состоит из двух металлических коробок f и b, вставленных одна в другую. Внутренняя коробка f назначается для загрузки топлива, а наружная для образования каналов О', O', через которые проходит воздух к отводам m', m' — в печную кладку шахты А. Приток воздуха регулируется клапанами р', р', помощью насаженных на их оси рукояток е, е, поворачивая эти клапаны около осей, можно убавить или прибавить количество воздуха, поступающего к топливу; щиты с', с' служат прикрытием от засорения воздушных каналов. Внутренняя коробка f имеет сверху крышку h, уравновешенную грузами q, q, а на некоторой глубине два, наклоненных и упирающихся друг в друга щита r, r, на которые и загружается топливо. Щиты несут на своих осях, выходящих с одного конца наружу коробок, два сектора s, s, зацепляющихся друг с другом; кроме того, на одной из осей щитов сидит крепко рукоятка t. Секторы s, s соединяют щиты в одну систему и рукояткой t можно их произвольно раздвинуть до вертикального положения. Грузы q, q, закрепленные также на осях щитов, заставляют их сходиться обратно и таким образом закрывать отверстие коробки автоматически, независимо от желания кочегара.

Действие топки происходит так: открывается крышка h, закидывается топливо на щиты r, r, и затем, по мере надобности, по закрытии верхней крышки, сбрасывается помощью рукоятки в шахту А, через отверстие t'. Топливо горит на поду шахты, а зола, по мере прикапливания, раз в день или через два-три дня и даже один раз в неделю удаляется через отверстие К. Огонь, как сказано, направляется окном В под огреваемый прибор. Для возможно меньшей потери тепла через под шахты, в почву, на дне шахты всегда оставляется слой золы в 2-3 дюйма толщиною.

Закончив общее описание своей системы отопления, изложу те недостатки, которыми страдают системы: колосниковая, генераторная и полугенераторная.

1) Все возможные системы сжигания топлива на колосниках, представляя первобытный способ отопления, страдают, несомненно, самым большим злом —чрезвычайно плохой регулировкой притока воздуха, тогда как соразмерность последнего с горючим материалом представляет почти всю сущность экономического отопления. При колосниковой системе всегда наблюдается большой избыток воздуха в дымоходах; последний, растворяя продукты горения, понижает полезное действие топки; он неизбежно и бесконтрольно врывается в топку:

А) При закидывании кочегарами топлива, когда топочные дверцы открываются настежь, большее количество холодного воздуха проходит в данное время сверху слоя топлива, сильно понижая температуру топочных газов.

В) После загрузки, когда уже топочные дверцы закрыты, распределение воздуха помощью открытия поддувала является делом чрезвычайно трудным; невозможно установить открытие поддувальных дверец так, чтобы сечение, в которое проходит воздух, доставляло должное количество воздуха, а не больше и не меньше. Частое открывание и закрывание поддувала утомляет кочегаров и в практике всегда открытие бывает очень велико.

С) Предполагая, что кочегар очень опытен и идеально честно относится к своему делу, т. е. неустанно следит за открытием поддувал, и что всегда проходит объем воздуха, соответствующий топливу, мы встречаемся затем с произвольным проникновением воздуха в колосниковую решетку. Лежащий на этой последней слой топлива не может быть равномерным и всегда в одном месте плотнее и толще, тогда как в другом рыхлее и тоньше. Сопротивление для струй воздуха представляется крайне различным, причем больший объем воздуха проникает в местах меньшего сопротивления, т. е. как раз именно там, где горючего материала мало; между тем плотная часть слоя топлива лишается притока нужного количества и плохо окисляется.

D) Уже через несколько минут после загрузки топлива и закрытия топочных дверец на колосниковой решетке более тонкие места слоя выгорают и колосники обнажаются совсем. Тогда зло увеличивается, так как почти весь воздух, не встречая сопротивления, уходит помимо топлива в такие свободные места. Частое же расшуровывание и выравнивание слоя топлива ведет к прорыву воздуха открытием топочных дверец, да и утомительно для кочегаров.

2) Следующий весьма важный недостаток колосникового способа заключается в неизбежно низкой температуре горения. Процесс полного окисления углерода или сгорания его происходит при очень высокой температуре и достигается тем успешнее, чем точнее согласовано количество притока кислорода и чем выше начальная температура последнего.

Колосниковая решетка исключает возможность пропускать к топливу очень нагретый воздух, быстро сжигающий металлические части.

3) Устройство колосниковой решетки под паровыми котлами почти всегда делается таким образом, что весь процесс горения происходит очень близко от поглощающей рабочей поверхности котла, благодаря чему температура горения не может быть достаточно высокой. Колосниковые решетки в отдельной от котла кирпичной кладке, хотя и устраиваются, но редко, вследствие сильного нагревания и порчи колосников.

4) Работа на колосниках требует большого напряжения кочегара и очень утомительна и вредна для здоровья. Кочегары постоянно рискуют потерять зрение от яркости топочных газов или простудиться во время загрузки топлива, когда получается ветер, дующий в топку; здесь зло увеличивается еще тем обстоятельством, что с одной стороны, от топки, кочегар едва может выносить действие лучистой теплоты огня.

5) Существенный недочет колосникового способа отопления составляет очень резкое колебание температуры топочных газов вблизи рабочей поверхности котла. Помимо плохой экономичности, быстрое повышение и понижение температуры под котлом сильно вредит последнему, заставляя части его то сокращаться, то расширяться. Во многих системах котлов замечается течь по швам вследствие быстрого охлаждения во время загрузки топлива. Таким образом нарушается прочность аппаратов, надежное состояние которых представляется важным условием безопасности человека и гарантией непрерывного хода работ завода или фабрики.

6) Полная зависимость хорошего ведения дела отопления от субъективных качеств кочегаров при колосниковом способе общеизвестна, поэтому можно представить себе, какие различные результаты получаются в практике при названном способе.

7) На некоторых сортах топлива колосниковые решетки сильно страдают от огня, и годичный ремонт иногда достигает значительной суммы.

8) Наконец, в практике бывает иногда надобность возможно быстро прекратить огонь под котлом. Такая надобность является при разрыве паропровода, порче котла и проч. Тогда на колосниках приходится или заливать топливо водой, или выгребать его вон из печи. В первом случае сильно страдает котел от быстрого охлаждения, во втором велика опасность пожара, да и временем кочегар не всегда располагает.

Помимо колосниковой системы в промышленности встречаются еще кое-где топки генеративные и полугенеративные или газовые.

Принцип генеративный предполагает предварительное добывание горючих газов, из которых самое видное место занимает окись углерода СО, получаемая сжиганием нижних слоев топлива в углекислоту и разложением этой последней, благодаря прохождению через накаленный уголь, на окись углерода по реакции СО2 + С = 2СО. Присутствие в топливе других элементов помимо угля, как то водорода и проч., дает попутно также и образование углеводородов, метана и друг.     

Предварительно добытые при недостаточном притоке воздуха горючие газы отводятся особыми газопроводами под огреваемые приборы и там СО сжигается в углекислоту с помощью добавочного воздуха. В сказанном заключается все зло генеративного способа, его плохая экономичность и опасность его применения. В самом деле, добывание окиси углерода с помощью неизбежной реакции СО2 + С = 2СО -большая ошибка с практической точки зрения, особенно при дорогих сортах топлива. Спрашивается, какой смысл терять тепло на переходные состояния материи, если можно ближе подойти к цели и получить максимум тепловой энергии. Затем, изготовив окись углерода в генераторе, мы лишь перевели топливо, с известной затратой работы, из одного состояния в другое и только, т. е. получили опять сырое же топливо, которое требуется теперь хорошо сжечь. Здесь я немного оговорюсь; мне могут возразить, что не вся теплота пропадает бесследно, что некоторая доля ее передается генераторным горючим газам, т. е. объему 2СО. С этим нужно согласиться. Действительно, эти газы аккумулируют остаток тепла, но, во-первых, только остаток от затраченной тепловой энергии на механическую работу разделения молекул СО2, а во-вторых, эту усвоенную теплоту газы значительно теряют по длинному пути через все слои топлива до места вторичного сжигания.

При генеративном способе приходится наблюдать за количеством воздуха и при первичном впуске и при последнем сжигании газов, а следовательно, имеется и двойная потеря тепла от несовершенства регулировки притока, точно соразмерить который совсем невозможно. При начальном разложении избыток воздуха может повести к большому образованию углекислоты, которая не успеет разложиться вся на СО и будет мешать далее сжиганию генераторных газов. Избыток воздуха, впускаемого в генераторные газы под самым огреваемым прибором, понизит температуру продуктов горения и, следовательно, также убыточно.

Более достоверные анализы генераторных газов дают присутствие в них углекислоты до 9% и азота до 70%. Отсюда видно, что на долю горючих газов генератора остается лишь 21% и эту-то смесь, представляющую, как я сказал, сырое топливо, требуется сжечь, вводя в нее еще воздух с большим содержанием азота. Замечу, что каждая лишняя часть процента углекислоты в генераторных газах увеличивает зло, мешает совершенному сжиганию их и сама по себе не может далее служить источником тепловой энергии.

Из сказанного ясно, что способ генеративный для обычного топлива (торф, дрова и проч.) совсем не годится; в этом вся причина, почему генераторы, вошедшие было в фабричную практику, скоро исчезли из нее, за исключением производств, в которых отопление генераторными газами необходимо или удобно по существу дела. Мне самому пришлось быть свидетелем заслуженного уничтожения генераторов на нескольких фабриках, где после устройства даже простых колосников получилась некоторая экономия в топливе.

Способ полугенеративный и того менее рационален. Если можно было сколько-нибудь сносно обставить уход за центральным генератором, то при устройстве полугенераторных топок к каждому котлу или печи, дело осложнилось пропорционально количеству их, а вместе с тем регулировка притока воздуха (а это все) стала буквально немыслимой. Ко всему этому, все такие топки имеют добавочные воздушные окна, разбросанными по печи, что очень затрудняет регулировку. Тут же, на беду, полное отсутствие удобных загрузочных аппаратов, свободный доступ воздуха в загрузочное отверстие шахты вверху, перегорание и засорение нижних колосников, назначаемых для первичного притока воздуха под топливо и много других недостатков.

Горьким опытом изведав в течение шестнадцатилетней фабричной практики все отрицательные стороны разных систем топок, я пришел к выводу, что желательная конструкция топок должна иметь следующие качества:

1) Сжигать топливо прямо в углекислоту (конечно, в мере физической возможности) с выделением максимума тепловой энергии. Такая топка будет менее опасна по отношению к взрывам газов, чем обыкновенные колосники.

2) Сжигать топливо при высокой температуре горения, так как только при этом условии на практике возможно полное сгорание.

3) Практика мне показала, что все топки, дающие длинное пламя, которое идет чуть не во всю длину дымоходов, не дают полного сжигания топлива и вообще, чем дальше идет пламя от первоначальной точки своего возникновения, тем быстрее понижается его температура (особенно под котлом, жадно поглощающим тепло), тем более не догорают углевые частицы и тем более отлагаются они в сажу, со всей ее плохой теплопроводностью. Следовательно, топка должна давать короткое пламя и лишь продукты горения, аккумулируя тепло, должны нести его к рабочим поверхностям котлов. В этом случае передача идет равномернее, полнее и без всякой опасности прожига котлов. Мне часто приходилось слышать, что необходимо проводить пламя далее, чтобы больше использовать его лучистую теплоту. На деле это оказывается не так; легко доказать несостоятельность такого взгляда. Дело в том, что пламя само по себе есть еще сырое топливо, что ему должно еще догорать и что помимо быстрого понижения температуры длинного огня или, так сказать, потухания горящих частиц газов и обращения их в сажу, вследствие громадной разности температуры стенок котла и температуры, при которой лишь возможно полное горение (2000-150), есть еще обстоятельство, мешающее передаче тепла котлу, — это малая теплопроводность струи еще горящих газов, текущих по дымоходу. Отсюда лишь поверхностная отдача тепла котлу и высокая температура в борове за котлом.

С другой стороны, по закону сохранения энергии, лучистая теплота пропасть не может, где бы горение ни происходило, если только она не расходуется на «разложение» и другие побочные реакции; тогда она идет на нагревание продуктов горения, служащих аккумулятором, а эти продукты, равномерно нагретые, отдают уже тепло котлу. Конечно, при этом желателен возможно кратчайший путь газов до рабочей поверхности котла, чтобы тепловая энергия не растерялась дорогой. Другими словами, топливо должно сжигаться в отдельной шахте, но возможно ближе к котлу и так, чтобы пламя совсем догорало непременно вначале первого дымохода. Даже лучше было бы, если бы огонь под котел и совсем не заходил и процесс горения заканчивался до рабочей поверхности котла. Однако потребность избежать длинного пути газов заставляет мириться с присутствием огня в начале первого дымохода.

4) Весь приток воздуха под топливо должен быть сосредоточен в одном месте, совершенно доступном и удобном для кочегаров, дабы последний мог легко регулировать количество испарения, не отходя от места загрузки.

5) Прорыв холодного воздуха под котел помимо топлива должен быть устранен, как наносящий вред котлу и понижающий экономичность.

6) Конструкция топки должна быть такая, чтобы очистка ее не требовала много времени и была бы возможно реже. Это обстоятельство важно ввиду сильного охлаждения котла за время очистки.

7) Необходимо возможно полное устранение потери тепла через стенки топки, иначе произойдет охлаждение в момент самого сжигания топлива, а отсюда неполное горение. Менее опасна потеря тепла через стенки обмуровки котла.

8) Поддерживание возможно постоянной температуры газов, текущих по дымоходам, для избежания вредных напряжений в стенках котла.

9) Свободный доступ для контроля горения.

10) Возможно меньший ремонт и долговечность конструкции. Вот те задачи, которые я положил в основу при проектировании описанной системы отопления. Насколько выполнены мною на деле предъявленные выше требования, предоставляю судить опытным людям, знающим цену хорошему способу отопления. Теперь же ради пояснения замечу, что по моему личному убеждению, я удовлетворительно ответил делом на все заданные вопросы. Мой загрузочный аппарат, согласно чертежу, проводит в шахту не одно топливо, но и весь необходимый воздух, протекающий между стенками двух коробок и утилизирующий теплоту, которая могла бы нагревать верхние чугунные части. В то же время легкие воздушные клапаны доступны кочегару; устранен также приток холодного воздуха в шахту с помощью самозакрывающихся щитов. Загрузка проста и удобна. Шахта конструирована таким образом, что горение происходит в ней же, следовательно, она не представляет генеративной или полугенеративной или газовой топки, а потому безопасна и дает возможность сжигать топливо при высокой температуре, не вводя в то же время эту последнюю в газы, соприкасающиеся с железом котла; дает постоянно равномерную температуру газов в дымоходах, требует сравнительно редкой очистки. Колосники и другие металлические части устранены совершенно, и ремонт сводится к редкой замене огнеупорной облицовки шахты внутри, на толщину лишь 1 кирпича. Устранена потеря тепла наружу, хотя, правду сказать, пришлось для этого строить толстостенную кладку, но я того мнения, что лучше потерять один раз, чем платиться всегда; кроме того шахта защищена от излучения воздушной герметически закрытой щелью шириною 2", расположенной за 1/2 кирпича от всей наружной поверхности стен.

При работе устранена зависимость притока воздуха от субъективных качеств кочегара, ибо излишнее открытие воздушных клапанов поведет к большему парообразованию, а не потере испарительной способности топлива, благодаря тому обстоятельству, что приток воздуха всегда может происходить лишь через топливо, а не помимо его. Это условие очень важное для экономичной работы. Мне приходилось слышать, что можно работать очень экономно и на колосниках, только стоит подобрать хороший комплект кочегаров. Правда, известные в технической литературе конкурсы в Америке на лучшую работу показали, что хороший, ловкий кочегар может дать экономию в топливе до 25%. Но ведь состязание в течение 6-8 часов, притом на приз, не есть обычная работа кочегара. Желая изучить условия, при которых идет успешная работа кочегара, я становился сам на место последнего и что же? Постоянная забота о том, чтобы приток воздуха был соразмерный с топливом, постоянная возня с задней заслонкой, передними дверцами, поддувалом и проч. да наблюдение за водомерными приборами так утомили меня, что после шести часов работы я превратился в самого обычного кочегара, со всею апатией физически усталого человека, которому уже не до экономии в топливе. Если прибавить к этому, что простой рабочий ничем не заинтересован в этой экономии, то станет понятным желание исключить участие человека в регулировке соразмерного притока воздуха, оставив ему лишь возможность добывать большее или меньшее количество пара, без влияния на испарительную способность топлива. Указывают иногда и на то обстоятельство, что часто, особенно на дровах, даже при колосниковом способе отопление идет бездымное. Отсюда выводят о совершенном сжигании топлива. Однако при ближайшем исследовании оказывается, что бездымность горения идет за счет чрезмерно большого количества воздуха и, следовательно, вовсе не экономична. Экономичный приток воздуха лежит в тесных пределах между бездымным горением и выделением изредка дыма; поэтому лучше изредка немного дымить, чем растворять продукты горения большим избытком воздуха. Как лучшее доказательство сказанного, можно привести случай, когда совершенно отсутствует дым, но тем не менее наносится самый большой и бесспорный вред отоплению — это время закидки топлива, при полном открытии передних дверец колосниковой топки.

Полагаю, что нет надобности добавлять о значительном облегчении кочегаров при работе с моей конструкцией топки. Само собою понятно, что громадное различие, кидать ли топливо сверху вниз, будучи совершенно защищенным от огня, или возиться с закидыванием топлива в горизонтальном направлении, размешивать его по колосникам и чистить эти последние перед открытой огневой пастью.

Скажу еще, что возможность быстро прекратить огонь без всякого вреда для парового котла и самой шахты является одним из преимуществ моей системы. Обыкновенно, в случае нужды, топливо в несколько минут заливается водой. При этом вода не может вызвать вредных напряжений в частях котла, благодаря тому обстоятельству, что, попадая на горящее топливо в шахте, она быстро испаряется и к котлу поступает лишь сильно перегретый пар; сокращение котловых стенок происходит равномерно и без ущерба для прочности. Кирпичные части топки, как показал опыт, также не страдают от заливки огня водой.

В самое последнее время в конструкции загрузочного аппарата и шахты мною введены значительные улучшения, что, несомненно, должно повысить еще более шансы на совершенное использование топлива. Усовершенствования эти не показаны на прилагаемом чертеже.




Назад в раздел


Пишите нам:
aerogeol@yandex.ru