Котлы паровых машин

Паровая машина — вещь непростая. И ее конструкция только для кочегара выглядит как всегда. С той стороны лопаты ее устройство может быть очень даже разным. А попаданцу для внедрения паровика придется выбирать какую-либо схему…

На самом деле говорить, что паровые машины отличаются топками неверно. Они отличаются котлами, просто очень часто топка и котел это конструктивно один элемент (хотя и топки тоже бывают очень разные по принципу работы). В этой же статье будут рассмотрены только особенности котлов, связанных с нагреванием воды.

На первый взгляд задача несложная. У нас есть герметичный котел с водой и у нас есть уголь. Уголь сжигают под котлом, вода кипит и все крутится. Однако, на практике, как всегда, возникают технологические проблемы.

Во-первых, котел с паровозом — это не кастрюля с пельменями. Вода в кастрюле кипит при 100°С, пока вся не выкипит и пельмени не начнут поджариваться. Для паровой машины 100°С — температура смешная. Даже самые первые и простые машины нагревали воду до 200°С (при этом давление было в районе 5-8 атмосфер), а последние из паровозов умудрялись раскочегарить воду в котле до 530°С, при этом давление уходило за 25 атмосфер. Такую температуру просто на открытом огне не получить, необходимы различные ухищрения.

Во-вторых — уголь, он денег стоит. А в океана на пароходе да в шторм — он может оказаться просто бесценным. Поэтому свою роль играет и КПД котла паровой машины, то есть какой процент тепла не улетит в паровозную трубу. Ведь хочешь-не-хочешь, а дым выходить должен. Дым горячий. Поэтому желательно по всей длине его движения отбирать тепло, чтобы повысить эту самую КПД.

Поэтому котел паровой машины — очень сложная конструкция. И по размеру это, наверное, самая большая часть паровой машины.

Котлы делятся на два типа — водотрубные и жаротрубные. Вместо «жаротрубный» можно увидеть термины и «огнетрубный» и «дымогарный», это одно и то же.
В водотрубном огонь нагревает трубы, которые выходят из котла и в которых есть вода.
В жаротрубном огонь проходит по трубам, пронизывающим котел насквозь и по пути греет воду.

Рассмотрим сначала жаротрубный котел.
В самой идее нет ничего сложного — ну трубы, проходящие через котел. Любимый тип котла для паровоза. Однако, если посмотреть на паровоз в разрезе, становится понятна сложность реализации:

Большая емкость слева — это топка. Забор из труб — это и есть дымогарные трубы, по которым проходит горячий воздух, нагревая воду вокруг них. Справа — зачаток дымовой трубы. Количество труб могло быть и заметно больше. Чем тоньше трубы — тем выше КПД котла, но чем больше труб, тем дороже паровоз. Этот вариант имеет сравнительно крупные дымогарные трубы и поэтому их не так много. Но слишком тонкими трубы делать тоже нельзя — они быстро забьются сажей и теплопроводность упадет. Приходилось искать баланс между этими основными свойствами. Много зависело от качества угля — чем он качественнее, тем меньше он дает золы и сажи.

Нужно помнить, что они должны быть герметично заделаны в котел с двух сторон. А температура в топке — 800°С и давление в котле — 20 атм. И нигде ни в одной трубе не должно быть ни малейших утечек.
Естественно, задача сложная именно с точки зрения качества производства.
Но конструкция такова, что топка становится продолжением котла и это позволяет либо сделать короткий паровоз, либо увеличить производительность пара (то есть мощность) паровоза.

Второй тип — водотрубный котел.

Здесь из котла выходят трубки с водой, которые греются пламенем.
Тут тоже — чем тоньше трубки, тем быстрее нагревается вода и тем выше КПД котла. Однако, чем тоньше трубки, тем труднее готовому пару выходить из них и поэтому пар водотрубного котла «сырой». Так же в трубках образовывается накипь, что ограничивает уменьшение их диаметра.

Водотрубных котлов было два типа — прямоточный и барабанный.

В прямоточном все просто — вода однократно течет через трубки, постепенно превращаясь в пар. Эта схема имеет недостаток — на выходе вся вода должна превратится в пар, поэтому здесь важна точность теплодинамики. Однако, успехи расчета котлов со временем сделали именно этот тип пригодным для быстроходных паровозов и пароходов.

В барабанном типе котла вода имеет несколько контуров и вода циркулирует по ним несколько раз, пока не превратится в пар. Реализовать такой котел проще с точки зрения термодинамики, но конструктивно он сложнее — должны быть несколько контуров — один для разогрева воды, а второй — для подогрева уже готового пара (на картинке изображена схема именно барабанного котла).

Ну и естественно, были гибридные котлы, в которых использовались как огнетрубные, так и водотрубные элементы. Распространения они не получили, видимо они больше сочетали недостатки двух видов котлов, чем их достоинства.

Итак, как видно попаданцу — котел просто так не построишь.
Котел должен давать требуемое количество пара в минуту и требуемой температуры. Топка должна быть точно рассчитана — чтобы и машина не оказалась слишком сложной (то есть дорогой и ненадежной), и чтобы КПД котла было максимальным, ведь обогревать вселенную — зряшная затея…