ПАРОВОЙ КОТЕЛ И ДАВЛЕНИЕ ПАРА В ПАРОВОЙ МАШИНЕ
Ко мне часто обращаются всякие энтузиасты, которые неожиданно вдруг воспылали интересом к созданию паровых машин. Энтузиазм новоначальных активистов паросиловой техники понятен и очарование всей красоты идеи паровой тяги мне известно, но им почему-то кажется, что вот возьмут они задешево изношенный авто –мотор и немного его переделают. А потом приставят к нему паровой котел собственного изготовления, который быстро делается из старых газовых баллонов – и все отлично заработает.
Вынужден буду сильно отсудить пыл таких энтузиастов. По поводу возможностей переделки авто- ДВС в паровую машину мы поговорим в следующей статье.
А сегодня поговорим о водяном паре, и о создании котлов. И поговорим о трудностях создания устройств, генерирующих пар.
Итак: водяной пар, и размышления на тему- какого давления он должен быть, чтобы паровая машина как то прилично работала.
И для понимания этого вопроса давайте посмотрим в прошлое паросиловой техники и поймем, как происходила эволюция котлов, и как в исторической ретроспективе росли давления пара в котлах.
Итак- первые паровые машины конструкции Паппена и Ньюкомена вообще работали «наизнанку». Т.е. пар в таких котлах совершал только «холостой ход», а рабочее давление создавало атмосферное давление воздуха. Поэтому и такие паровые машины назывались «атмосферными». Прошу не путать с «атмосферными» ДВС, где суть «атмосферности» состоит в атмосферном давлении воздуха на входе во впускной коллектор мотора и несколько меньшем давлении перед выпускными клапанами головки цилиндров. Это в отличии от моторов с турбонаддувом, где давление во впускном коллекторе имеет некое избыточное давление (обычно- 0,5- 0,7 атм избытка).
Итак, в первых «атмосферных» паровых машинах начала и середины 18-го века пар только поднимал поршень вверх, в процессе «холостого хода», потом часть пара выводилась в атмосферу, остатки пара в надпоршневом пространстве конденсировались. При этом процессе давление в области под поршнем резко падало, становилось меньше атмосферного и поэтому давление атмосферы и вес поршня двигали его вниз, тем самым совершая рабочий ход и создавая мощность. Конечно, мощность таких паровых машин была крайне малой, при очень больших габаритах машин, но они уже могла совершать определенную работу. Т.е. в первых паровых «атмосферных» машина рабочее усилие совершало давление величиной меньше атмосферы. В атмосферной паровой машине не было кривошипного механизма передачи мощности, а была цепь, которая и тянула рычаг за поршнем. Именно поэтому "холостой" ход", которым пар поднимал поршень никак не приводил к полезному усилию.
Потом в 1776 году появилась машина Уатта с кривошипом и шатуном, которая создавала рабочее усилие за счет давления пара из котла. Давление пара в паровых машинах Уатта в конце 18-го и начале 19-го века составляло 1,2 атм избыточного давления. Это было крайне мало, но большее давление просто не могли безопасно развить паровые котлы того времени. Это были котлы предельно примитивной «сундучной» конструкции.
По сути это был прямоугольный железный ящик (напоминающий по форме сундук) с плоскими стенками и закругленным сводом наполненный водой, который устанавливался на кирпичное основание. Между кирпичными стенками такого основания под ящиком разводился огонь, железный ящик с водой нагревался, вода кипела, пар собирался в верхнем объеме ящика над поверхностью воды, и далее по трубке уходил к паровому поршневому двигателю. Стенки «сундучного» котла сооружались из кованых листов железа толщиной от 5 до 8 мм, которые соединялись между собой внахлест с помощью заклепок. Понятно, что такая прямоугольная конструкция не могла создавать высокие давления, поэтому и давление пара в котле подобной конструкции было крайне невелико. Да и вообще, манометр современного типа с чувствительным элементом в виде спиральной трубки были изобретен только в 50-х годах 19 века, и поэтому давление в котлах 250, 220 и 180 лет назад определялось по косвенным признакам- по величине выпячивания стенок «сундучных» котлов от давления пара…
В 20-х годах 19 века начались эксперименты с котлами иных конструкций, например с галерейными котлами, где несколько цилиндров из клепанной стали устанавливались один над другим в пространстве между кирпичными стенами. Чуть позже сформировалась конструкция цилиндрического жароторубно-дымогарного котла, который затем эволюционировал в схему «паровозного котла». Такие котлы с цилиндрическими корпусами позволили поднять давление пара до 2.7 – 3.3 атм, но технология клепаных соединений листов стали начала 19-го века не позволяли поднимать давление выше. Но даже такие давления в 3 атмосферы давали лишь относительно небольшие котлы, например на паровозах, или на речных пароходах (в США по Мисисиппи плавали такие), а вот большие котлы на фабричные паровые машины или крупные морские суда еще долго продолжали делать примитивного «сундучного» типа.
Например, на британском пароходе «Грейт Истерн» (это было самое крупное судно 19-го века, первый рейс- 1860 г), который имел водоизмещение в 32 тыс тон, и суммарную мощность трёх паровых машин в 8 тыс л.с., было установлено 10 котлов «сундучного» типа. И эти котлы развивали давление всего в 1,6 атм. Силовая установка обеспечивала пароходу гиганту с гребными колесами скорость в 14 узлов. Естественно- пар в цилиндры двигателей шел насыщенным, от того и КПД паровой установки был ничтожным. Именно такой КПД установки сыграл на плачевную судьбу парохода. На крейсерской скорости пароход потреблял в день 350-400 тонн угля, при этом пароход в своих рейсах не смог ни разу быть загруженным полностью- а он мог вместить 4 тысячи пассажиров. Ибо в США шла гражданская война и поток пассажиров в Америку значительно снизился, а основной коммерческий смысл создания парохода- гиганта был в трансатлантических рейсах. Поэтому пассажирская эксплуатация не была рентабельной, и пароход больше использовался как прокладчик телеграфных кабелей между континентами. При этом даже на таком давлении пара в истории парохода Грейт Истерн были взрывы «сундучных» котлов с человеческими жертвами.
Взрывы котлов «сундучного» типа были частым явлением на пароходах первой половины 19-го века, поэтому Торговым Советом Соединенного Королевства (надзорный орган для торгового флота) был установлен предел для давления пара на судовых котлах в 25 фунтов на квадратный дюйм (это 1.7 атм). Естественно такие параметры пара для двигателей предопределяли крайне низкий КПД паровых машин и огромный расход топлива.
Естественно, такие ограничения не устраивали практично мыслящих судовладельцев и инженеров судостроителей.
Поэтому британский судовладелец и инженер-новатор Альфред Холт смог добиться от морских властей разрешения на повышение давления в котлах на своих судах с новой конструкцией котлов. Он запустил в 1865 году пароход "Агамемнон" с галерейными котлами, работающими при давлении 60 фунтов на квадратный дюйм (4,1 атм).
Пароход "Агамемнон" был совсем небольшим судном, имел водоизмещение 2200 тонн и мощность паровой машины всего в 300 л.с. Но кроме передовых (по тем временам) котлов, там еще была и установлена паровая машина двойного расширения, т.е. там были цилиндры высокого и низкого давления. От применения таких технических новшеств этот пароход расходовал всего 20 тонн угля в день на крейсерской скорости в 10 узлов и "Агамемнон" двигался быстрее чайных клиперов – самых быстроходных парусников того времени. При этом пароход был почти в два-три раза грузоподьёмнее этих парусников и совершал рейс между Лондоном и Китаем за 65 дней, а парусники плыли не менее 77 дней. При этом на пути из Англии в Китай пароход дополнительно загружал уголь только один раз - в Индийском океане на острове Маврикий. И если до этого пароходы не могли соревноваться по выгодности эксплуатации и скорости движения с парусниками, то с появлением в котлах пара повышенного давления – парусники уже стали коммерчески проигрывать пароходам.
Но время шло дальше, технический прогресс развивался, и в конце 19-го века на флоте появились более современные водотрубные котлы «адмиралтейского» (треугольного) типа с естественной циркуляцией. Такие котлы уже безопасно давали давление от 9 до 12 атм. В это же время развитие паровозного типа котла позволило железнодорожным локомотивам использовать давление в 10-12 атм.
В начале 20-го века, и в период Первой мировой войны давление пара в котлах на флоте уже достигало 14-16 атм.
Ко времени Второй мировой войны давление пара в котлах на современных военных судах того времени с мощными турбинными установками достигало 25 атм.
Прогресс развития техники во время Второй мировой привел к тому, что в 1949 году в британском торговом флоте стандартным стало давление в 42 атм, вместо прежних 30 атм.
На пароходе- лайнере «Юнайтед Стейтс» - рекордсмене пересечения Атлантики (1952 г.) - силовая установка давала суммарно 116 тысяч кВт и давление пара составляло 90 атмосфер при перегреве пара в 510 С°.
Надо сказать, что паровозы так и застряли на давлениях пара в 12-14 атм и это было обусловлено пределом прочности конструкции паровозного котла. На таких давлениях и с выхлопом отработавшего пара в небо КПД паровоза не превышал 6-7% даже при мощном перегреве пара.
В современной большой энергетике на мощных электростанциях с паровыми турбинами давление пара достигает 220-240 атм при перегреве в 560 град С.
ИТОГ НАШЕГО ВЗГЛЯДА В ПРОШЛОЕ РАЗВИТИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ:
Итак мы рассмотрели эволюцию изменения давления в котлах пароходов и паровозов за последние 250 лет. И эта линейка цифр многое расставляет по своим местам.
Поэтому, когда кто- то из подвижников – паролюбов и котло -энтузиастов собирается создавать паровую машину с давлением пара в 5-6 атм в котле из старых газовых баллонов, то имейте в виду, что вы будете работать на параметрах пара, которые были характерны уровню развития техники 60х и 70х годов 19 века, с соответствующим КПД и расходом топлива.
Отсюда получается и вывод: никакой коммерчески осмысленной эксплуатации техники с таким расходом топлива не получится. Расход топлива будет очень велик, а мощность двигателя - весьма мала.
Для заинтересовавшихся такой темой - смотрите мою статью о влиянии давления и свойств пара на крутящий момент паровой машины- https://dzen.ru/a/ZWGjZU8zaCDDKTWI.
А следующая статья будет о реальности и целесообразности переделки поршневых автомобильных ДВС-моторов в паровые машины.
