Материал нашел и подготовил к публикации Григорий Лучанский
Источник: Г. Смирнов, инженер. Искусство кипятить воду. «Техника-молодежи» №8, 1969 г.
Место котла в машинном строю
«Часто дух великих событий идет впереди самих событий и среди «сегодня» уже бродит «завтра», — заметил как-то английский физик Крукс.
Триста с лишним лет назад такими тенями грядущего, предвещавшими рождение паровой машины — великого изобретения, которое произвело переворот в промышленности, — были впечатляющие опыты фон Герике с магдебургскими полушариями, эффектные паровые фонтаны Соломона де Ко, туманные намеки в книгах маркиза Ворчестера. Эти смутные догадки, первые невнятные призраки «завтра» оформились в ясную идею у знаменитого Дени Папена.
Он придумал незатейливое устройство: в цилиндре, на дне которого — вода, ходит поршень, связанный через блоки с тяжелым грузом. Нагревая дно, получаем пар, поднимающий поршень. Если убрать огонь, цилиндр начнет охлаждаться, пар сконденсируется, и атмосферное давление загонит поршень вниз, подняв при этом груз. Эскиз этого устройства, набросанный Папеном, можно было бы смело рекомендовать как эмблему паровой энергетики. Налицо уже все атрибуты паровой установки: котел, рабочий цилиндр, конденсатор.
Чтобы паровая машина вошла в жизнь, оставалось сделать два шага: отделить от рабочего цилиндра сначала котел, а потом конденсатор. Первый шаг довелось сделать Томасу Ньюкомену и И. Ползунову, второй, завершающий, — Джеймсу Уатту. Но едва ли великий Уатт добился бы решительного успеха, если бы Ньюкомен и Ползунов не избавили его от массы головоломнейших проблем. Пожалуй, лучше всего об этих трудностях могли бы рассказать, как ни парадоксально, создатели газовых двигателей. Ибо именно они, рискнув отказаться от котла, оказались вовлеченными в адский хоровод неприятностей и неполадок, совершенно незнакомых инженерам-паровикам.
Полистайте историю паровой машины. Ее творцы немало повозились с уплотнением поршней и изоляцией цилиндров.
Но никогда прежде не приходилось сталкиваться с охлаждением — делом, приводившим буквально в трепет творцов газовых двигателей, вынужденных охлаждать все: цилиндры, поршни, камеры сгорания, лопатки. Приходилось окружать цилиндры водяными рубашками, остужать поршня струйками масла, разбавлять раскаленные газы в камерах сгорания избыточным, ненужным для горения холодным воздухом.
И тем не менее далеко не всегда удавалось достичь нужных результатов. Охлаждать лопатки оказалось так трудно, что газовая турбина вообще не могла появиться на свет до тех пор, пока металлурги не создали жаропрочных никель-молибденовых сплавов.
Такими-то неприятностями для газовых машин оборачивается любопытное противоречие современного двигателестроения. Для горения топлива необходима температура 2000—2200°С. Лучшие же конструкционные материалы выдерживают лишь 1000—1100°С. Именно поэтому и приходится защищать все детали от действия этого разрушительного перепада температур. Но если в газовых двигателях каждую деталь надо охлаждать в отдельности и в местах, порой весьма труднодоступных, то в паровых установках котел выполняет эту работу разом. При перепаде в 1°С кипящая вода отводит с одного квадратного метра до 50 тыс. ккал в час.
А от раскаленных газов тепло передается гораздо хуже — всего 50 ккал в час. Поэтому-то температура трубки, находящейся даже в сердце огненного факела, гораздо ближе к температуре кипящей воды, чем пламени.
Таким образом, котел — замечательный редуктор температуры, в котором безопасно и безболезненно могут соседствовать высокие температуры, необходимые для горения, и гораздо более низкие, ограничиваемые возможностями конструкционных материалов, вот почему паровые двигатели и появились на 100 лет раньше газовых.
Котел не только легко и удобно редуцирует температуру, но и физически отделяет грубый и грязный процесс сжигания топлива от тонких, деликатных процессов в цилиндре машины или проточной части турбины. Это делает паровую установку на редкость всеядной. В котле можно сжигать торф, уголь, дрова, мазут, даже мусор: качество пара, идущего в машину, совершенно не зависит от вида горючего. Иное дело газовые двигатели.
Их топка, по сути дела, совмещена с рабочим объемом, твердое топливо сжигать нельзя. Попытки приспособить двигатели к пылевидному топливу не увенчались успехом. И даже не всякое жидкое горючее можно подавать в форсунки газовых двигателей, в свое время Рудольф Дизель собирался поразить мир двигателем, способным работать на продуктах перегонки дерева, угля, горючих сланцев и даже на растительных маслах — пальмовом или хлопковом. Но он скоро отказался от своего намерения, и в наши дни двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины работают на сравнительно дорогих нефтепродуктах.
Теперь мы можем составить первое представление о паровом котле. Это сравнительно грубый и конструктивно простой механизм, без микронных точностей, притертых поверхностей и хрупких деталей. Тонкая регулировка, подшабривание и притирка, позволяющие порой делать чудеса в двигателях внутреннего сгорания, в котельной технике бессильны.
Ими невозможно заменить понимание мощных, сложных физических и химических процессов, идущих в недрах внешне незатейливого устройства.
Эволюция чайника и технический прогресс
Сравнение котла с чайником довольно точное. Первые котлы даже внешними очертаниями смахивали на чайник, а точнее — на этакий медный пустотелый гриб. И тем не менее в них происходили те же самые процессы, что и во многих современных котлах. Воздух окислял топливо. Горячие газы нагревали днище и стенки и, охладившись, выходили в трубу. Паровые пузыри, образовавшиеся на горячем днище, отрывались и всплывали вверх, а на их место подтекали порции воды. Достигнув поверхности, пузыри лопались, и над бурлящей поверхностью возникало облако мельчайших брызг. Но места, откуда отбирался пар для машины, брызги не достигали: высота оказывалась неплохим сепаратором.
Такова исходная конструкция, с которой началась эволюция парового котла.
Слово «эволюция» употреблено здесь не случайно. Замените в рассуждениях о живой природе слово «организм» на «механизм», и вы получите принцип совершенствования любых машин, в частности котлов: специальная деталь всегда лучше универсальной. Для котлов усложнение внешних функций свелось к тому, что паровые двигатели требовали все больше пара и все более высоких давлений.
Историки с недоумением рассказывают, как однажды раздраженный Уатт требовал повесить Тревитика за то, что тот изобрел паровую машину высокого давления. Во времена, когда избыточное давление в 0,3 кг/см2 уже угрожало взрывом котла, Тревитик говорил о 9—10 кг/см2, впрочем, он действительно хватил через край: такие давления паровая техника освоила лишь через 50 лет. Во времена Уатта важно было увеличить паропроизводительность котла. Как бы вытянув ньюкоменовский котел в длину, Уатт получил так называемый сундучный котел с плоским днищем и стенками. Позднее появился корнуэльский котел, в котором толщу воды пронизывала труба прямоугольного сечения, омываемая изнутри горячими газами. Возможно, успех этих конструкций и помешал Уатту оценить идею Тревитика.
По странной иронии судьбы человек, так много сделавший для зарождения паровой техники, не смог понять пути, по которому она пошла дальше. Заменив плоские стенки корнуэльского котла цилиндрическими и поместив топку в жаровую трубу, котельщики не только смогли повысить давление пара, но и упорядочить циркуляцию воды внутри котла. Если раньше этот процесс был хаотичным, то теперь паровые пузыри, образующиеся на жаровой трубе, устремлялись вверх, захватывая в восходящее движение и воду. На поверхности эта пароводяная смесь разделялась, пар уходил в машину, а вода по боковым стенкам подтекала снова к основанию жаровой трубы. Таким образом, жаровая труба оказалась своеобразным насосом, помещенным внутрь котла, насосом, основное назначение которого охлаждать самого себя.
Позднее путь горячих газов усложнился: от них стали отнимать тепло в пакетах из трубок, проходящих сквозь водяное пространство котла. Так родился знаменитый огнетрубный котел, вошедший в историю под именем шотландского. Этот шедевр котельного дела был обречен на вымирание: частые сплющивания жаровых труб постепенно убеждали котельщиков, что среда с высоким давлением должна находиться внутри трубки.
О том, с каким трудом эта мысль укоренялась в сознании даже новаторов-моряков, можно судить по словам адмирала Фишера — человека, которому британский флот обязан появлением знаменитых дредноутов.
«Подумайте только, поместили огонь там, где должна быть вода, и воду — на место огня!» И тем не менее водотрубные котлы быстро завоевали флот.
Гигантский корпус шотландского котла превращается в небольшой горизонтальный цилиндр, а бесформенное водяное пространство заменяется пучками труб, омываемых снаружи горячими газами. Эти пучки — секции, змеевики, пакеты, соединенные так или иначе с коллектором, создавали в водотрубных котлах чрезвычайно четкие контуры циркуляции.
Правда, для хорошей естественной циркуляции за счет разницы удельных весов пароводяной смеси и воды котлы должны быть довольно высокими. Но, когда появились циркуляционные насосы, прокачивающие воду и пароводяную смесь сквозь обогреваемые трубки, это ограничение отпало. Паровой котел удалось вписать в пространство любой формы, лишь бы разместить в нем факел пламени. От такого котла с принудительной циркуляцией один шаг до прямоточного — вода, подаваемая насосом в систему последовательно-параллельных змеевиков, целиком превращается в пар. Венчает здание современного котельного дела прямоточный котел сверхвысоких параметров. При давлении в 225 атмосфер удельный вес пара становится таким же, как у воды. В этих условиях естественная циркуляция и сепарация пара становятся невозможными в принципе. Пар сверхкритического давления можно генерировать только в прямоточном котле, причем наипростейшем — в трубке, в один конец которой подается вода, а из другого выходит пар.
Такова схема эволюции. Схема, ибо в действительности все неизмеримо сложнее. Прямые линии искажаются побочными влияниями. (Первый прямоточный котел, к примеру, был запатентован почти одновременно с сундучным котлом Уатта.) Наконец, существует множество конструкций, появление которых не оправдано ни повышением давления, ни возросшей паропроизводительностью. Зато их легко было очищать от накипи, запускать, останавливать, хранить.
«Товарищ! Я вахту не в силах стоять»
«Осторожность, внимательность и трезвость для кочегара несравненно лучше, нежели чрезвычайная телесная сила». Так считал господин Жанвие, издавший в 1837 году «Правила и руководство для начальника, механика и для управляющего машиной на пароходе».
Но вот спустя 50 лет никто из понимающих людей не решился бы утверждать второстепенность телесной силы. И это понятно: когда господин Жанвие писал свое наставление, в топку парохода надо было забросить за час 300—400 кг угля. В конце XIX столетия кочегарам линкора за то же время приходилось подавать из угольных ям и искусно забрасывать в топки 20 т угля! «Средняя температура в котельном отделении, где каждая смена кочегаров работает по 4 часа, стоя перед котлами, не бывает ниже 63°С, а максимальная доходит до 93,5°... Можно представить себе, что должны претерпевать кочегары и машинисты, работающие буквально в пекле, действующем разрушительно на их организм», — писал один из журналов того времени. Нередко скорость боевых кораблей определялась не мощностью их машин, а пределом выносливости кочегаров. А если добавить к этому трудности погрузки угля, так изнурившие в свое время экипажи Второй Тихоокеанской эскадры в русско-японскую войну, то нетрудно понять: котельная топка застопорила развитие всего парового флота.
Это драматическое положение заставило инженеров лихорадочно искать выход из положения. Некоторые из них пошли по линии механизации угольной топки и занялись разработкой устройств для забрасывания угля, для его перемешивания, для удаления золы и шлака и т.д. Другие возлагали надежды на жидкое топливо, не дающее шлака и золы, не Меняющее своих свойств при перегрузке, легко транспортируемое с судна на судно, из цистерны в цистерну. Эти люди, лучше чем кто-либо другой понимавшие недостатки жидкого топлива, с поразительным упорством держались, однако, той мысли, что жидкое горючее надо сжигать, как и уголь, на колосниковой решетке или какой-нибудь иной твердой поверхности. Нефть пытались сжигать на плоских поддонах, на наклонных плоскостях, на огнеупорном материале.
Предлагалось отапливать котлы с помощью керосиновых ламп с фитилями из асбеста. Была даже идея превращать нефть в подобие угля, пропитывая ею куски пористого огнеупорного материала. Ажиотаж достиг такого накала, что Морское министерство поручило русским агентам в Америке пристально следить за появлением каждой новинки в сжигании жидкого топлива.
Но только отказавшись копировать угольную топку, изобретатели добились успеха. Сначала облако мелко распыленных частичек начали создавать сильной струей сжатого воздуха или пара. Потом стали разбрызгивать топливо центробежными силами. А в конце концов оказалось: подогретая нефть, под большим давлением нагнетаемая в форсунку, образует великолепный конус из мельчайших частичек.
Но мазутное отопление никогда не достигло бы успеха без хорошо отработанных воздуходувок, в 1870-х годах, когда в газоходах огнетрубных котлов начали устанавливать пароперегреватели, а потом экономайзеры и воздухоподогреватели, выяснилось, что естественная тяга не в состоянии преодолеть аэродинамического сопротивления. Тогда ей на помощь в газоходе установили дымосос. Этот механизм, работающий при повышенных температурах, оказался не очень надежным.
Ему на смену пришли вентиляторы, нагнетающие воздух в котельное отделение. А после второй мировой войны стали нагнетать воздух под давлением прямо в топку.
Каждый из этих переходов сопровождался уменьшением размеров котла, ибо чем больше скорость горячих газов, тем лучше, интенсивнее идет теплообмен и тем меньше поверхности нагрева. Но самый компактный котел получился едва ли не случайно во время экспериментов с первыми газовыми турбинами. Тогда, в 1930-х годах, лопатки турбин выдерживали всего 450°С. Чтобы снизить температуру газов до этой величины, решено было сжигать топливо в котле, а получающийся пар пускать в паровую турбину на помощь газовой. Но расчеты показали, что паровая часть этой установки гораздо мощнее газовой, поэтому ее правильнее считать паровой установкой с газотурбинным наддувом.
Один из экспериментальных котлов 1932 года оказался настоящим рекордсменом. Горячие газы обтекали трубки со скоростью 200 м/сек, в 10 раз быстрее, чем в обычных котлах. В 1 куб. м топки за час выделялось 8 млн. ккал! Для сравнения напомним: судовые котлы тех лет в лучшем случае выдерживали лишь 2 млн. ккал, а котлы 1950-х годов — 4—6 млн. У современных высоконапорных котлов эта величина перевалила за 10 млн., в них достигнуты максимальные напряженности и скорости обтекания: эволюция обычной котельной топки нашла в них свое завершение.
«Кошмары водоподготовки»
Если бы современные инженеры-котельщики могли присутствовать на пуске машины Кронштадтского порта в 1777 году, они, вероятно, каждое новое сообщение гида встречали бы громким смехом. Самая мощная (80 л.с.) и самая экономичная (9,5 кг угля на л.с./ч.) паровая машина того времени весила 111 т! Три чугунных котла высотой 5 и диаметром 3 Метра вмещали по 19,5 т воды каждый и генерировали пар с избыточным давлением 0,2 кг/см2.
Как это неудобно, расточительно, громоздко, тяжеловесно! И все-таки у старинной машины было весьма полезное и важное устройство, какого нет у современных котлов. Труба, по которой можно было забрасывать на дно смесь железных и деревянных опилок с навозом, позволяла устранять течи без остановки котла. Но современного специалиста поразило бы не столько это незатейливое устройство, сколько замечательная неприхотливость старинных котлов к качеству питательной воды. В них можно было заливать речную, болотную, морскую воду, и, как видим, даже несколько комьев грязи отнюдь не ухудшали их работы. Для современного же котла иногда оказываются губительными несколько лишних миллиграммов солей, растворенных в литре питательной воды.
Вот к чему привело более чем двухвековое стремление котлостроителей к более компактным, легким, удобным и экономичным парогенераторам! Едва ли не каждое усовершенствование в этом направлении в конечном итоге ужесточало требование к воде. И если инженеры чересчур увлекались и забывали об этой неумолимой зависимости, последствия оказывались страшными: котлы взрывались. Это случалось так часто, что в некоторых технических журналах была даже постоянная рубрика — «Взрывы котлов».
Изучение аварий показало, что котел с кипящей водой под высоким давлением — своеобразная взрывчатка. Нужна лишь «детонация» — резкое понижение давления, при котором вода мгновенно вскипела бы, и огромное количество пара произведет взрыв. Таким детонатором чаще всего оказывается накипь.
До сих пор мы считали, будто вода абсолютно чистая.
В действительности же котел — своеобразная клоака паровой установки, все загрязнения: масло, протечки морской воды в конденсаторе, кислород, углекислота — все это вместе с питательной водой попадает в котел. Из него же непрерывно отводится сравнительно чистый пар, поэтому в котловой воде постепенно концентрируются примеси. Внутри водяного объема температура распределена довольно неравномерно. А поскольку среди солей, растворенных в котловой воде, есть такие, растворимость которых уменьшается при повышении температуры, они и оседают в наиболее нагретых местах, образуя иногда плотный слой. Теплопроводность его раз в 100 меньше, чем у стали, и металл под ним может быстро перегреться и лопнуть. И вот тогда-то происходит взрыв...
Конечно, если теплонапряженность топки мала, котлу ничто не угрожает. Даже под толстым слоем накипи его стенки не могут нагреться до опасной температуры, поэтому в него можно подавать любую воду, даже забортную. Надо только время от времени продувать ее, чтобы вывести из установки накопившиеся загрязнения. Правда, толстый слой накипи уменьшает теплопередачу, но в старых огнетрубных котлах» куда без труда мог забраться человек, накипь периодически скалывали.
Переход к теплонапряженным водотрубным котлам был бы невозможен, не найди котельщики веществ, переводящих не растворимые при повышенной температуре соли в растворимые или в такие, которые образуют рыхлый осадок, удаляемый продувкой. Чтобы на поверхности металла все время была защитная пленка, котловая вода должна быть мягкой.
Для этого в нее добавляют щелочь или фосфат натрия. Однако этих веществ не должно быть в избытке — иначе вода в котле сильно пузырится и в пароперегреватель уносится много капель, которые, испаряясь, оставляют в нем скопления солей. При высоком давлении и температуре становится особенно опасным растворенный в воде кислород: он вызывает самую страшную разновидность коррозии — язвенную. Поэтому переход на повышенные параметры потребовал разработки новых устройств, в которых из питательной воды удаляется кислород.
Но и это еще не все. Мы ничего не рассказали о гальванической коррозии, о каустической хрупкости, о коррозии под напряжением, об окислении трубок пароперегревателей при высокой температуре, о разъедании стенок парового коллектора, подвергаемых попеременному осушению и смачиванию, и о десятках других противоречивых и до сих пор еще не решенных проблем — «кошмаров водоподготовки».
Именно они, эти «кошмары», породили необычные котлы, создатели которых во главу угла поставили свойство, в старинных котлах достигавшееся автоматически, — неприхотливость к качеству питательной воды.
Таким образом, котельная техника как бы заранее подготовилась к восприятию новой топки — активной зоны ядерного реактора, — топки, позволившей создать небывалые корабли и электростанции, топки, в которой теплонапряженность теоретически может быть доведена до 10 млрд. ккал/м3 час, топки, которая породила необыкновенные котлы, завершившие эволюцию чайника.
Процесс испарения воды в чайнике может быть усовершенствован по двум направлениям.
Первое — газ внутри трубки, вода снаружи — дало ветвь огнетрубных котлов.
Второе — газ снаружи, вода внутри — породило ветвь водотрубных котлов. Эволюция первых завершилась шотландским котлом. Эволюция вторых продолжается. Наиболее совершенный судовой котел в наши дни — высоконапорный котел с газотурбинным наддувом. Какие схемы появятся в будущем? Вот некоторые из них:
Котел Ламонта — интенсивное движение воды и пароводяной смеси в котле создается не за счет разницы их удельных весов, а при помощи циркуляционного насоса.
Прямоточный котел — наиболее легкая конструкция.
В принципе это труба, в один конец которой подается вода, из другого выходит перегретый пар. Главная трудность — регулирование на переменных нагрузках.
Котел Хюттнера — на него возлагали большие надежды в 1930-х годах. Здесь котел превращается в часть двигателя. Струи пара, вытекающие из v-образных трубок, набранных в диск, заставляют его вращаться.
Котел Лефлера — попытка снять трудности накипеобразования. Горячие газы только перегревают пар, испарение же воды происходит в отдельном коллекторе, через который воздуходувка продувает часть перегретого пара. В котле нет нагреваемой газом поверхности, на внутренней стороне которой могла бы оседать накипь.
Котел Шмидта — другое решение проблемы накипеобразования. Здесь в зону высоких температур вынесен абсолютно изолированный контур, содержащий чистейшую воду. Пар, получающийся в этом контуре, испаряет воду второго контура. Накипь, выседающая здесь, не страшна, ибо температура стенок не превышает 250—300°С!
Назад в раздел
