Развитие теплоэнергетики

В качестве одного из примеров стационарных  вертикальных котлов может служить четырехбарабанный водотрубный котел, предложенный американцем Стирлингом в 1894 г. (рис. 7-7). Возможное разнообразие компоновок  котлов такого типа, состоящих из трех, четырех, пяти и шести барабанов, выделение последнего пучка в качестве экономайзера, удобное расположение пароперегревателя между первым и вторым пучками (по ходу газов) сделали котлы такого типа весьма распространенными, а некоторые их конструктивные элементы сохранились и в современном котлостроении.

Одновременно с котлом Стерлинг в Германии начал заметно распространяться вертикальный водотрубный котел Гарбе, отличавшийся прямыми трубками (рис. 7-8) и допускавший при многобарабанном выполнении те же возможности в компоновках, что и котел Стирлинга.

Повышение паропроизводительности котлов.

К концу XIX в. водотрубные   паровые котлы   позволяли в отдельных конструкциях получать суммарную поверхность нагрева свыше 500 м² и суммарную паропроизводительность свыше 20 т/ч пара. Однако задача повышения паропроизводитедьности   не   могла быть решена простым увеличением поверхности нагрева. Существенную роль здесь сыграло увеличение удельной паропроизводительности, которая к середине XX в. возросла в среднем в 10 раз. В рассматриваемый период проблема повышения удельной паропроизводительности только возникала; вместе с ней возникал и ряд вопросов, позволявших позднее обеспечить получение высокой удельной производительности.

В своей основе котельные установки второй половины XIX в. не выходили за рамки потребностей фабрично-заводской энергетики. Так, например, данные по одной из развитых капиталистических стран конца XIX и начала XX вв. — Германии — показывают следующее распределение 47 807 работавших паровых котлов по их величине:

0—50 м^г   51%

50—100 м^г  35,7%

100—200 м^г  10,3%

200 и выше . .     3,0/о

Таким образом, свыше 85% котлов имело среднюю производительность порядка 1 т пара в час, способную обеспечить паром силовую установку мощностью менее 200 л. с. Таковы общие характеристики передовой котельной техники конца XIX в. По этим данным суммарная мощность всех паросиловых установок Германии (кроме транспортных) составляла величину порядка 100 000 л. с, т. е. была меньше мощности одной и притом не самой крупной турбины середины XX в.

Использование жидкого топлива.

Однако и в таком   небольшом   на современный взгляд объеме теплоэнергетика конца XIX в. создавала достаточную базу для творческих исканий ученых и инженеров. Одной из интересных и перспективных областей подобных исследований является использование жидкого топлива. Отдельные опыты в этом направлении не приводили к желаемым результатам. Они сводились либо к разбивке струи жидкого топлива на отдельные тонкие струйки и капли, либо к попыткам «фитильного» сжигания путем пропитки жидким горючим пористых огнеупоров, либо, наконец, к предварительному испарению жидкого горючего до его поступления в топку. Последнее предложение приводит к весьма взрывоопасным конструкциям, первые же не были в состоянии обеспечить надежное смешивание воздуха — окислителя — с топливом.

Ведущая роль в разработке устройств для сжигания жидкого горючего принадлежала России в силу ряда объективных условий, основным из которых являлось богатство нашей страны ресурсами нефти. В основу конструкций нефтяных форсунок русские изобретатели положили выдвинутый в 1867 г. А. И. Шпаковским принципиально новый способ сжигания жидкого   топлива в мелкораспыленном состоянии, получающемся путем пульверизации нефти струей пара. Этот способ получил практическое подтверждение при испытаниях пожарного катера «Русская», проведенных на р. Неве в 1867 г.

В конце XIX и начале XX вв. в России были разработаны самые разнообразные типы форсунок. Одна из наиболее рациональных конструкций была предложена В. Г. Шуховым и применяется до настоящего времени. Использовались также форсунки С. Данилина, отличавшиеся внутренним подводом пара, форсунки О. К. Ленца с плоским факелом, форсунка В. И. Береснева с равномерно распространенным во все стороны плоским факелом, бесшумная форсунка конструкции Е. И. Иванова, механическая форсунка Тентелевского завода, отличающаяся от паровых тем, что в ней распыление осуществлялось не струей пара, а нагнетанием нефти насосом через ряд винтовых каналов.

Отмечая успешное сжигание нефти в форсунках, инж. С. Гулишамбаров утверждал в 1880 г., что «...в деле нефтяного отопления Россия далеко оставила за собою все остальные государства, и наши приборы для этой цели постоянно служат предметом удивления американцев, приезжающих в Баку». О нефтяном отоплении паровых котлов, представленных на промышленной выставке в 1896 г., проф. Г. Ф. Депп писал, что оно «... составляет славу русской земли, русского ума, русского труда».

Другие работы по усовершенствованию котлов.

Была проделана работа по снижению взрывоопасности паровых котлов. В этой работе русские техники занимали ведущее место. Требование снабжать котлы проверенным манометром с красной чертой на шкале против предельно допускаемого давления было впервые выдвинуто в «Проекте правил, подлежащих соблюдению при употреблении паровых котлов», разработанном в России в 1868 г. С уменьшением водяного объема паровых котлов взрывобезопасность их уменьшалась, но вместе с тем усложнилась эксплуатация, в частности поддержание уровня воды в должном положении, что уже в 1877 г. отметил проф. И. А. Вышнеградский, классифицируя котлы по их аккумулирующей способности.

Следует указать, что отставание России в темпах капиталистического развития по сравнению с рядом других стран сказалось на отечественном котлостроении. В странах Западной Европы и США котлостроение во второй  половине XIX в. было сосредоточено в небольшом числе крупных предприятий и осуществлялось на специализированных и хорошо оборудованных заводах. В этих условиях обеспечивался большой выпуск серийной продукции на мировой рынок, но вместе с тем мало стимулировалась творческая мысль отдельных новаторов, предложения которых омертвлялись крупными котлостроительными фирмами. Поэтому многие имена зарубежных новаторов, как и предлагавшиеся ими конструкции, остаются неизвестными, скрытыми в архивах капиталистических фирм.

В отстававшей России к концу XIX в. существовало 118 предприятий, выпускавших котлы, но ни одно из них не было полностью специализированным. Много котлов строилось по единичным проектам, по частным заданиям, в выполнении которых зачастую находили свое выражение передовые идеи отдельные конструкторов и изобретателей, решавших те или иные проблемы котлостроения.

Проблемой надежной циркуляции воды в паровых котлах успешно занимался строитель многих судовых котлов и паровых машин В. И. Калашников. Им была получена привилегия на вертикальный водотрубный котел с «полной циркуляцией», которая означала участие в циркуляционном движении всей проходящей через котел воды за счет одной естественной циркуляции.

К прогрессивной идее прямоточного котла с принудительной циркуляцией под действием питательных насосов пришли изобретатели П. Кузьминский и Н. Пашинин, получившие привилегию на «паропроизводитель», названный ими так потому, что «котел» как сосуд в их конструкции отсутствовал (рис. 7-9). Этот паропроизводитель не имеет радиационной части поверхности нагрева. Конвективная часть представлена змеевиками, образующими дымоходы котла таким образом, что сечение дымохода постепенно суживается, обеспечивая постоянную скорость газов по мере их охлаждения. В центральном вертикально расположенном барабане-паросборнике предусмотрено устройство спирального сепаратора пара.

В своем одновитковом прямоточном котле судового назначения Д. И. Артемьев, наоборот, применил экранный Принцип (рис. 7-10), ограничив топочный объем с вертикальным факелом горения нефти сплошной одновитковой спиралью - экраном. Как экран, так и прямоточный принцип, примененные изобретателем, явились исключительно смелым решением, противоречащим господствовавшим в то время взглядам.

Секционный котлоагрегат конструкции В. В. Табулевича (рис. 7-11), совершенно свободный от температурных напряжений, легко монтируемый и разбивающий газовый поток на ряд струй с высокой искусственной турбулизацией, показал при испытаниях на судне ряд положительных качеств.

Как видно из приведенных примеров, некоторые тенденции современного котлостроения уже проявлялись в передовых работах конца XIX и начала XX вв.

Теория котлоагрегатов.

Разница в степени капиталистического развития между Россией и рядом других капиталистических стран сказывалась и в области теоретических исследований по паровым котлам. За рубежом в условиях фирменных битв за рынки

единственным стимулом технического прогресса являлось стремление к прибылям, а основным методом — разрозненные опытные искания, обобщению которых в теорию мешала обособленность конкурировавших друг с другом фирм, свято хранивших производственные тайны и оберегавших свои патенты. Поэтому часто возникали многочисленные варианты наиболее удачных запатентованных конструкций, иногда значительно худшие, чем оригинал, о которых проф. МВТУ А. П. Гавриленко писал: «...можно встретить множество конструкций паровых котлов, но причиной появления большинства из них было желание обойти патент ранее построенного котла». Между наукой, направленной на раскрытие законов природы, и техникой, направленной на их использование в производстве, обнаружился существенный разрыв.

В России описанные условия сказывались значительно слабее. Поэтому не случайно появление в России ряда теоретических работ обобщающего характера, отходящих от заводской эмпирики и направленных на объяснение процессов, происходящих в теплотехнических устройствах и аппаратах.

Еще в 1864 г. в России была опубликована работа по 
исследованию причин естественной тяги в паровых котлах, 
проведенная И. П. Алымовым, в которой были установлены основные взаимосвязи факторов, определяющих силу 
тяги.

Парообразование и механизм получения пароводяной смеси были исследованы проф. Н. П. Петровым, автором гидродинамической теории смазки. «Курс паровых котлов» и П. Петрова явился энциклопедией котельной техники, затрагивавшей и научно разрешавшей почти все основные проблемы построения и эксплуатации паровых котлов того времени.

Вопросы естественной циркуляции в паровых котлах предстали в новом, более правильном освещении после исследования проф. А. И. Предтеченского, писавшего, что им «...обращено особое внимание на вопрос о конструировании котла, как физического прибора, на выяснение вопроса, какие физические явления происходят внутри котлов».

В 1893 г. по заданию Петербургского металлического завода (ныне ЛМЗ) инженер-технолог В. Сазонов провел глубокое экспериментальное исследование циркуляции, результаты которого были опубликованы отдельным оттиском по распоряжению Русского технического общества, как представляющие большой теоретический и практический интерес.

В своих научных докладах Обществу морских инженеров в 1897 г. А. Погодин на специальных моделях наглядно демонстрировал исследованный им механизм циркуляции пароводяной смеси. В результате своей работы А. Погодин вывел уравнение подъемной силы парового пузыря и сопротивления среды его движению и составил общее уравнение полезного напора в циркуляционном контуре.

Теорию самотяги, разработка которой была начата И. П. Алымовым, развил и углубил для условий задачи о наивыгоднейшей температуре уходящих газов М. Н. Демьянов в 1887 г.

Значительное развитие общей теории паровых котлов было дано в многочисленных работах проф. Г. Ф. Деппа, на которых воспитывалось много русских инженеров-теплотехников и которые представляли собой фундаментальный труд, созданный в результате громадного и всестороннего опыта ее автора. В своих работах Депп высказывал прогрессивную мысль о сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии в крупных камерных топках.

Большим подспорьем для проектирования паровых котлов явился разработанный проф. В. И. Гриневецким графический метод теплового расчета паровых котлов, втором этого метода были уточнены вопросы теории теплообмена: он намечал пути к правильной оценке теплоотдачи излучением и конвекцией, указывал на зависимость конвективного теплообмена от скорости движения газов, направления газового потока, его характера, от диаметра и расположения труб конвективных поверхностей нагрева и ряда других факторов. Его метод расчета имел большую практическую ценность, так как был дополнен большим количеством проверенных опытных значений средних коэффициентов теплоотдачи при разнообразных конкретных условиях теплообмена.

Значительный след в развитии теории паровых котлов и топок оставили многочисленные глубокие исследования проф. К. В. Кирша, автора трудов по котлам, топливу, новым методам его сжигания и, в частности, по сжиганию подмосковного угля и антрацита.

В результате большого числа опытов и теоретических работ в нашей стране сложилась прогрессивная школа ученых и инженеров-котельщиков, оказавшаяся способной успешно решить ряд сложнейших проблем, поставленных перед нею позднее в связи с переходом энергетики на новую качественную ступень в эпоху электрификации.

3.2 Развитие паровых машин во второй половине XIX в.

Развитие судовых двигателей.

В  развитии паровых машин в рассматриваемый период, так же как и в развитии паровых котлов, значительную роль сыграли судовые паросиловые установки. На флоте влияние каждого процента сбереженного топлива, будучи непосредственно связанным с полезным тоннажем судна и радиусом плавания, оказывалось более значительным, чем в стационарных фабрично-заводских установках.

Необходимость в быстром реверсе машины, от которого могла зависеть безопасность судна и людей, сразу же заставила отказаться от использования маховика в судовых машинах, а отказ от маховика означал, что равномерность вращательного момента машины должна достигаться путем применения многоцилиндровых машин. Поэтому в судовых установках вскоре после их возникновения стали применяться сдвоенные машины, работавшие на общий вал. В 30-х годах XIX в. сдвоенные машины начали заменять компаунд-машинами с последовательным расширением пара в двух цилиндрах с кривошипами, расположенными под углом 90° друг к другу. Двухцилиндровые машины сделали ненужным балансир; передача движения на вал гребных колес устраивалась непосредственно или с применением зубчатой передачи. На рис. 7-12 показана паровая машина двойного расширения с двумя горизонтальными цилиндрами высокого давления и вертикальным цилиндром низкого давления, построенная в 1829 г. в Германии для парохода «Геркулес».

Машина отличается неодинаковым числом ходов в цилиндрах высокого и низкого давлений; у нее переменный угол заклинения кривошипов, синхронность периодов работы ЦВД и ЦНД отсутствует, чем достигнута большая плавность хода, но вызвана необходимость в промежуточном ресивере большой емкости.

Введение гребного винта вместо колес, начавшееся после предложений англичанина Смита, шведа Эриксона и чеха И. Ресселя в 30-х годах XIX в., привело к разработке судовых машин вертикального типа с паровыми цилиндрами, расположенными над коренным валом машины.

Одна из таких судовых машин, построенная в 70-х годах XIX в., представлена на рис. 7-13, где хорошо видны оба цилиндра в разрезе, парораспределительные золотники эксцентрик, приводящий в движение золотниковую тягу, которая связана с реверсивным механизмом, управляемым от ручного маховика с ручками; показаны вбрызгивающий конденсатор в виде вертикального цилиндра и мокровоздушный насос, приводимый балансиром от крецкопфа машины.