Техника - молодёжи 1969-08, страница 9

искусство

кипятить воду

Г. СМИРНОВ, инженер

П аровые автомобили, которым была посвящена статья «Снова пар?» в № 4 за 1968 год, заинтересовали многих наших читателей. В своих письмах они, в частности, просят рассказать подробнее о котле — этом важнейшем агрегате паровой установки. К сожалению, автомобильное котлостроение не успело сформироваться, накопить опыт, выработать классические конструкции: слишком стремительно бензиновый мотор вытеснил паровую машину. Наиболее ярко и выпукло тенденциям транспортного котло-строения суждено было проявиться в судовых установках. Именно здесь конструкция котлов эволюционировала без перерывов в течение 150 лет. Именно здесь котлы доведены до высокой степени совершенства. Именно здесь современное паромобилестрое-ние может позаимствовать наиболее богатый и основательный опыт.

Лет десять назад специальность «паровые котлы» не пользовалась особой популярностью у студентов Ленинградского кораблестроительного института. Над будущими котельщиками подтрунивали, пренебрежительно именовали их «чайниками». На этой почве нередко возникали диспуты. В них спорщики отстаивали достоинства избранных специальностей, о которых имели, увы, весьма смутное представление. И все-таки обычно отступать с уроном приходилось именно будущим котельщикам. Что могли они противопоставить сверхэкономичным двигателям внутреннего сгорания, сверхлегким газовым или сверхмощным паровым турбинам?

Трубки? Лючки? Заглушки?

Понадобилось несколько лет, чтобы за этой кажущейся незатейливостью увидеть красоту мощных, таинственных процессов, протекающих за прочными стальными стенками современных котлов, чтобы осознать, сколь сложны, а порой и драматичны проблемы этого необычного инженерного искусства — искусства кипятить воду.

МЕСТО НОТЛА 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 магдебург-скими 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 Лапеном, 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 поршни 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 двигателе-строения. Для горения топлива необходима температура 2000—22С0 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.

4

4

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 иих:

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 накипеоб-разования. Горячие газы только перегревают пар, испарение же воды происходит в отдельном коллекторе, через который воздуходувка продувает часть перегретого пара. В котлв нет нагреваемой газом поверхности, на внутренней стороне которой могла бы оседать иакипь.

КОТЕЛ ШМИДТА — другое решение проблемы накипе-обраэования. 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!

6