I) Общие понятия. II) Типы котлов. III) Арматура паровых котлов. IV) Практические указания расчета котлов. V) Уход за котлом. VI) Взрывы котлов. VII) Литература о паровых котлах. VIII) Надзор за П. котлами.
I. Котлы или паровики ? закрытые приборы, для изготовления пара, давления выше атмосферного, из воды или иной жидкости, действием горящего топлива. П. котлы должны изготовляться из материала плотного, не пропускающего пар, и прочного, способного безопасно выдерживать давление пара. Лучшими материалами для изготовления котлов служат листовое железо, мягкая сталь и красная медь. Чугун, из которого вначале изготовлялись все котлы, ныне применяется редко, как материал для котлов весьма ненадежный. При расходовании пара из котла убыль пара должна возмещаться вновь образующимся в котле паром; в противном случае давление пара в котле станет весьма быстро понижаться. Поэтому размеры котла и топки для сжигания топлива должны быть хорошо согласованы с количеством пара, требуемого от котла. О силе или паропроизводительности котла принято в практической жизни судить по силе паровой машины, питаемой паром из котла; поэтому паропроизводительность котла, т. е. весовое количество доставляемого котлом пара в час, определяют числом производимых им П. лошадей (см. П. машины), предполагая, что на каждую П. лошадь требуется 15 кг (36 2/3 русск. фн.) пара в час. Согласно сказанному, котел в 60 сил должен быть способен доставлять 60 х 15 = 900 кг пара в час. Жар от горения топлива проникает в воду через стенки котла; чем больше поверхность нагрева, т. е. та площадь стенок котла, которая изнутри покрыта водой, а снаружи обогревается огнем или горячими газами от сжигания топлива, тем большая часть теплоты горючего материала передается воде для обращения ее в пар и тем меньшая часть улетает даром в дымовую трубу; но с увеличением поверхности нагрева возрастает также вес и стоимость котла; поэтому наиболее выгоден в экономическом отношении тот котел, для которого стоимость расходуемого в год топлива, сложенная с процентами на погашение капитала, затраченного на котел со всей совокупностью устройства (печью, дымовой трубой и пр.), будет наименьшая. В котлах фабричных или заводских, от которых требуется большая паропроизводительность, обыкновенно на первый план выступает экономия в топливе, вследствие чего в таких котлах стремятся по возможности увеличивать поверхность нагрева, не обращая особого внимания на стоимость котлов.
II. Типы котлов. Простейший тип котла есть котел цилиндрический, в виде железной трубы, диаметром в 0,9?1,5 м (3?5 фт.), а длиной иногда в 20 м и более (20 м = 65,5 фт. = более 9 саж.), закрытой на концах плоскими или выпуклыми железными крышками, называемыми днищами котла. Котел изготовляется из железных листов, толщиной в 7?10 мм и более (9/32 до 3/8 дм и более), плотно и прочно склепанных между собой; днища, из того же материала, тоже приклепываются к котлу. Цилиндрическая форма котла, а также выпуклая форма днищ, особенно благоприятны для прочного сопротивления давлению пара изнутри; цилиндрический котел весьма прост, удобен для осмотра и очистки, но имеет малую поверхность нагрева или же занимает слишком много места в длину. Для увеличения поверхности нагрева, без увеличения длины, цилиндрический котел снабжается одним или двумя добавочными цилиндрическими котлами меньшего диаметра, которые называются кипятильниками, если огонь направляется прямо на них, или подогревателями (нагревателями), если огню подвергается прежде главный котел. На табл. I (черт. 1 и 2) изображен котел А с одним подогревателем B. Подогреватель соединяется с котлом патрубком (короткой соединительной трубой) К, а иногда двумя или тремя патрубками. Топливо сжигается под котлом в топке H на колосниковой решетке, составленной из колосников, т. е. чугунных (иногда железных) брусков или полос особой формы, уложенных так, что между ними находятся промежутки (зазоры) для свободного доступа воздуха к топливу из зольника, т. е. помещения под топкой, на дне которого скопляется зола и мелкие кусочки угля, проваливающиеся сквозь колосниковую решетку. В изображенном на чертеже устройстве ? огонь и горячие газы охватывают сначала нижнюю половину котла, протекая по первому дымоходу I к другой оконечности котла; затем, спускаясь вниз и возвращаясь назад по второму дымоходу II, обогревают верхнюю половину подогревателя и, наконец, удаляются по третьему дымоходу III, охватывающему нижнюю половину подогревателя, в боров D ? канал, отводящей газы в дымовую трубу. Для управления огнем, боров D снабжен вертикальной заслонкой или задвижкой Z , подвешиваемой к цепи так, что кочегар, не сходя со своего места, может устанавливать ее в любом положении. В котлах с подогревателями парообразование происходит в главном котле, в подогревателях же только подогревается вода до температуры, еще не достигающей температуры кипения. Питательная вода для питания котла подводится, обыкновенно по трубке SE (черт. 1), в подогреватель.
Черт. 1.
Диаметр котла обыкновенно 1?1,2 м (3,25?4 фт.); длина 7?10 м (23?33 фт.); диаметр подогревателя не менее 0,5 м (1 2/3 фут.), для возможности внутреннего осмотра и очистки от грязи и накипи. Нередко в одной печи ставятся несколько горизонтальных котлов, каждый с некоторым числом добавочных котлов меньшего диаметра; такие системы котлов называются батарейными котлами. В Англии стремление увеличить поверхность нагрева цилиндрических котлов привело к особым типам английских котлов, в которых внутри цилиндрического котла проходит одна или две трубы, называемые жаровыми, топочными или пламенными трубами, потому что топками для сжигания топлива служат сами трубы, каждая из которых снабжается колосниковой решеткой, на которой горит топливо. Котел с одной жаровой трубой (или с одной внутренней топкой) называется корнвалийским или корнуэльским (по-англ. Cornish boiler), a с двумя ланкаширским (Lancashire boiler). Оба типа весьма распространены и на континенте, включая сюда и Россию. На черт. 3 и 4 (табл. I) показан тип котлов, изготовляемых немецким заводом Schulz-Knaudt und С о в Эссене. В этом котле внутренняя (жаровая) труба помещена не посредине, как в корнвалийском котле, а ближе к одному боку и сделана, для усиления прочности, не гладкой, а волнистой, из литой мягкой стали. Гладкие жаровые трубы представляют самую опасную часть английских котлов; они легко сплющиваются и дают трещины при значительных давлениях пара извне, вследствие чего нуждаются в особых скреплениях; сопротивление волнистых труб слишком вчетверо превосходит сопротивление гладких и потому они не требуют скреплений. Кроме завода Шульц-Кнаудта, волнистые трубы изготовляются и в Англии, фирмой Leeds Forge С о по патенту Фокса (Fох). Днища английских котлов, для увеличения прочности, ныне нередко изготовляют штампованными, имеющими выпуклую форму, с отогнутыми наружу или внутрь флянцами, для склепывания с котлом и жаровыми трубами. Котлы Шульц-Кнаудта снабжены подобными днищами. В этих котлах, как и в других, пламя от горения топлива проходит сначала над порогом из огнеупорного кирпича, устраиваемом частью для ограждения слоя топлива, а частью для лучшего перемешивания дыма с притекающим в топку воздухом, что способствует сжиганию дыма. Протекая по жаровой трубе, пламя и горячие газы отдают ее стенкам и окружающей их воде большую часть своей теплоты, после чего обогревают бока и низ котла, протекая сначала по одному боковому дымоходу II (черт. 4 т. I) и удаляясь затем назад по другому боковому дымоходу III в боровок b , а оттуда в дымовую трубу. Пар близ уровня воды содержит примесь воды, механически вместе с ним увлекаемой; такой пар называют влажным, в отличие от сухого пара, без примеси воды. Для осушения пара ставится на котле особый П. колпак с (черт. 3) или паросушитель, из которого пар отводится, посредством боковых патрубков и паропроводных труб, к месту своего назначения. Для продувки котла ? очистки от скопляющейся внизу грязи или же полного опоражнивания ? служит патрубок е (черт. 3), снабженный спускным или продувным краном или клапаном. Внутренний осмотр котла и полная очистка его от грязи и накипи производится через снабженные плотно закрываемыми крышками отверстия, называемые лазами или горловинами, для влезания внутрь котла и люками ? сравнительно малыми отверстиями для чистки. На черт. 5 (табл. I) изображен внешний вид ланкаширского котла, с двумя жаровыми трубами а и b , не вмазанного в печь. Здесь с ? люк для чистки, е и f ? водомерные стекла, h ? питательный клапан. Вверху котла видны: предохранительный клапан i , два П. или стопорных клапана k, l и лаз d. Продольный шов, вдоль котла, снабжен 2 рядами заклепок ? двойной заклепочный шов, а поперечные швы одним рядом ? одиночный заклепочный шов. Котел Галловея (Galloway), черт. 1, 2, 3 табл. II, отличается от ланкаширского тем, что за порогом две жаровые трубы соединяются в одну общую [По-английски такая система называется breechesflued boiler или duplex furnace boiler. Breeches ? брюки, flue ? жаровая труба, furnace ? печь, топка.], в поперечном сечении напоминающую вид турецкого боба, и снабженную целым рядом поперечных конических трубок, называемых трубками Галловея (Galloway tubes). Одна из них показана отдельно на черт. 1 (в тексте). Трубки эти увеличивают поверхность нагрева, усиливают прочность жаровой трубы и способствуют более быстрой циркуляции воды в котле; они делаются коническими, чтобы их можно было вставлять в трубу снаружи, через более широкое отверстие, в которое может пройти трубка с отогнутым внизу флянцем. Трубки приклепываются к жаровой трубе заклепками на обоих флянцах, иногда же привариваются к стенкам котла, образуя с ними одно целое. Пройдя общую жаровую трубу, горячие газы разделяются в поперечном дымоходе с (черт. 2 т. II) и протекают разом в оба боковых дымохода d (черт. 3), затем спускаются вниз и по третьему дымоходу е удаляются в дымовую трубу. Нередко обыкновенные английские котлы снабжаются тоже трубками Галловея. Диаметр английских котлов доходит до 2,3 м (7,5 фт.), а длина 8?10 м (26?33 фт.). Диаметр жаровых труб не меньше 0,7 м (2 1/3 фут.), но лучше, для более совершенного сжигания в них угля, брать диам. в 0,92 м (3 фут.). На черт. 6 (табл. I) показан внешний вид морского или пароходного котла с двумя жаровыми трубами (а иногда тремя и четырьмя) внизу и значительным числом дымогарных трубок вверху. Диаметр таких котлов бывает в 4 м (13 фут.) и более, а толщина стенок доходит до 30 мм (1 3/16 дм). Вопреки своему названию, дымогарные трубки служат исключительно для увеличения поверхности нагрева, а вовсе не для сжигания дыма; напротив, значительно охлаждая протекающие внутри их горячие газы, они скорее могут способствовать образованию дыма. Дымогарные трубки, латунные или железные, применяются всюду, где требуется, в весьма ограниченном пространстве, получить очень большую поверхность нагрева. Они составляют неотъемлемую часть обыкновенного паровозного котла (см. Паровозы) и нередко встречаются также в фабричных или заводских котлах. Их можно уподобить целому ряду трубок малого диаметра, заменяющему одну большую жаровую трубу. Если одна труба будет заменена сотней трубок диаметра вдесятеро меньшего, при прежней длине, то совокупная площадь поперечного сечения трубок останется та же самая, как и в большой трубе, но совокупная поверхность нагрева всех трубок будет в десять раз больше, в сравнении с прежней поверхностью большой трубы. Простейший тип заводских трубчатых котлов состоит в обыкновенном цилиндрическом котле, обогреваемом огнем снизу и снабженном, в нижней своей половине, пучком продольных дымогарных труб, образующих второй дымоход для газов, прошедших первый ? нижний ? дымоход под котлом. На черт. 4, 5 и 6 (табл. II) показана комбинация ланкаширского котла внизу с трубчатым котлом вверху. Горячие газы, пройдя по жаровым трубам нижнего котла, поднимаются вверх, текут по дымогарным трубам верхнего котла, затем спускаются вниз и по нижнему дымоходу удаляются в боров и дымовую трубу. Паровое пространство (т. е. надводная, наполненная паром, часть котла) нижнего котла, при помощи заделанного в кладку соединительного патрубка а и вертикальной трубы b , соединено с паровым пространством верхнего котла. Помещенные внизу и вверху водомерные стекла указывают положение уровней воды в обоих котлах. Верхний котел снабжен паровым колпаком, с лазом, проделанным в крышке колпака. Спереди имеются двустворные дверцы для осмотра и чистки дымогарных труб. На чертеже ясно видны скрепления плоских днищ со стенками обоих котлов, состоящие из железных листов, приклепанных при помощи железных угольников к днищам и стенкам котлов. Подобные скрепления, неизбежные во всех котлах с плоскими днищами, изображены также на черт. 1, 2 и 3, табл. II. К только что описанной комбинации котлов принадлежат котлы Тишбейна, Пидбефа (Piedboeuf), Бернингхауза. Постоянно возрастающее применение все более и более высоких давлений пара вынудило обратиться к новым типам водотрубных котлов, отличающихся от трубчатых тем, что они состоят из трубок малого диаметра, наполненных внутри водой и помещаемых прямо над огнем, а не внутри большого котла, который заменен упомянутой системой сообщающихся между собой трубок. Трубки малого диаметра, даже при незначительной толщине стенок, способны выдерживать сравнительно весьма высокие давления пара и потому водотрубные котлы особенно пригодны для высоких давлений, от 10 до 15 атм. и выше. Хотя в большинстве водотрубных котлов и имеется парособиратель или сборник пара, в виде цилиндрического котла довольно значительного диаметра, в 1 м и более, но котел этот не подвергается непосредственно действию огня и притом диаметр его все-таки значительно меньше диаметра английских и многих трубчатых котлов. На черт. 7 и 8, табл. I, показан водотрубный котел Дюрра (D u rr), составленный из наклонно к горизонту расположенных трубок, закрытых с одного конца и вставленных другим концом в наполненную водой камеру с плоскими стенками ( коллектор ), внутри которой образующийся в трубках пар поднимается в верхний горизонтальный парособиратель. В каждую из водяных трубок вставлена другая, меньшего диаметра, не доходящая до закрытого конца трубки и слегка высовывающаяся воронкообразно уширенным концом в упомянутую камеру. Вода, сильно нагреваясь между стенками наружной и внутренней трубок и устремляясь вместе с паром в камеру, вызывает обратный ток воды из камеры во внутреннюю трубку. Таким образом происходит усиленная циркуляция воды, препятствующая отложению грязи и накипи внутри трубок. Комбинация двух вставленных друг в друга трубок для усиления циркуляции воды придумана Фильдом и известна под названием трубок Фильда (о них далее, при описании вертикальных котлов). Котлы Дюрра у нас в России не получили значительного распространения. В водотрубном котле Рута (Root), черт. 2 и 3, табл. III, каждая трубка соединяется с соседней при помощи особых чугунных соединительных коробок. Котел Рута дает очень влажный пар, вследствие незначительности парового пространства в верхней поперечной трубе (черт. 2), служащей сборником пара. Особенное распространение получили в России водотрубные котлы весьма крупной американской фирмы Бабкок и Вилькокс (Babcock and Wilcox), которые в большом количестве изготовляют у нас заводы: "Металлический" в СПб и "Фицнер и Гампер" в Сельцах, близ Сосновиц. Котел такой системы изображен на черт. 7, т. III. В нем каждая вертикальная серия наклонно к горизонту поставленных трубок, расположенных не одна над другой, а в шахматном порядке, вправляется обоими концами в особые волнообразные или змеевидные коробки (коллекторы), которые как впереди, так и сзади котла приставляются одна к другой и при помощи коротких вставных трубок соединяются с приклепанными снизу к верхнему котлу ? сборнику пара ? коробками в виде карманов (так наз. портмонэ ) . Нижняя часть задних волнообразных коробок вставными трубками соединена с нижней поперечной трубой или котлом, называемой грязником, в котором скопляются грязь и накипь. Огонь и горячие газы из топки, при помощи отклоняющих щитов и перегородок, направляются извилистым путем, сначала вверх, а затем вниз, к борову и дымовой трубе. Кроме описанного котла, в России еще недавно был весьма распространен, особенно в военном флоте, котел Бельвиля (Belleville), изобретатель которого немало потрудился над разработкой вопроса о возможно безопасном водотрубном котле и снабдил свой котел весьма многими остроумными, но к сожалению довольно сложными, приспособлениями, каковы напр. автоматический (самодействующий) питательный аппарат для питания котла водой, автоматический регулятор для управления горением, а следовательно, давлением пара и быстротой парообразования и проч. В московском промышленном районе значительной известностью пользуются водотрубные котлы русского инженера Шухова, изготовляемые московским котельным заводом Бари. В этой системе концы наклонных к горизонту водяных трубок вставлены в штампованные днища коротких цилиндрических коробок (коллекторов), соединенных друг с другом (передние и задние особо) и с грязником посредством коротких штампованных флянцев, а с верхним парособирателем посредством патрубков, снабженных флянцами (подробности в статье проф. Худякова: "Бюллетень Московского политехнического общества за 1893?94 г."). Главные достоинства водотрубных котлов заключаются: в компактности устройства, при сравнительно весьма большой поверхности нагрева и малом весе котла; в сравнительной безопасности изготовления пара весьма высоких давлений, доходящих до 20 атмосфер и более. Прежде такие котлы даже назывались невзрываемыми (inexplosibles), однако, опыт показал, что взрывы происходят и в них, но не имеют тех разрушительных последствий для имущества и жизни людей, которыми нередко сопровождаются взрывы котлов с большим содержанием воды. Чаще всего взрыв имеет чисто местный характер, ограничиваясь незначительным выбрасыванием воды с паром, которое, тем не менее, может, конечно, причинить ожоги и даже смерть людям, стоящим близ самого котла. Сравнительно большая доступность всех частей для осмотра и очистки, удобство перевозки, быстрота разведения паров и проч. относятся тоже к достоинствам водотрубных котлов. Но водотрубные котлы имеют и свои недостатки: в них нередко происходят значительные и быстрые колебания в давлении пара и в положении уровня воды вследствие малого объема воды, быстрой ее циркуляции и сильного парообразования в сравнительно узких трубках и каналах; кроме того, в них поверхность испарения слишком мала, точнее ? не поверхность испарения, а поверхность выделения пара, на которой образующийся в трубках пар выходит из воды и переходит в П. пространство; иногда в водотрубных котлах эта поверхность, в отношении к поверхности нагрева, бывает раз в двести меньше, нежели в котлах других систем; от этого получается влажный пар; наконец, вследствие сравнительной сложности устройства и многочисленности сопряжений трубок требуется особенно тщательный и умелый уход за котлом, во избежание течи и других расстройств котла, влекущих за собой более частый ремонт котла. К разряду водотрубных котлов относится также начинающий находить разнообразные применения котел Серполэ (Serpollet), состоящий из помещаемых в топку спиралеобразно изогнутых, сильно, сплюснутых в вертикальном направлении трубок с довольно толстыми стенками, но с весьма узким внутренним каналом, в виде тонкой вертикальной щели; с одного конца в трубку вгоняется насосом вода, в том количестве, которое нужно для немедленного превращения ее в пар без остатка, а из другого конца особой трубкой отводится образовавшейся пар. Такие котлы отличаются полной безопасностью, при весьма высоких давлениях пара; не содержа вовсе запаса воды, они чрезвычайно быстро развивают пары, но пригодны только для сравнительно небольшого числа сил ? для небольших расходов пара. Вертикальные котлы, изготовляемые обыкновенно на небольшое число сил, не отличаются особым разнообразием устройства. Они состоят из наружного барабана или кожуха, внутрь которого вставлена цилиндрическая топка, к потолку или небу которой приделана короткая вертикальная жаровая труба. На черт. 1 табл. III показан такой котел, системы Ляшапеля (Lachapelle); этот котел снабжен горизонтальными цилиндрическими водяными трубками, для увеличения поверхности нагрева. В других котлах эти трубки заменяются более удобными для вставки коническими трубками Галловея, или же трубками (кипятильниками) Фильда, вставленными вертикально в потолок или небо топки (черт. 4, табл. III). Одна из таких трубок показана отдельно на черт. 5 (табл. III). Трубка Фильда состоит из двух трубок, вставленных одна в другую. Сильно нагреваемая снаружи вода поднимается по внешней трубке, тогда как более холодная течет сверху вниз по внутренней трубке; этим достигается быстрая циркуляция воды, препятствующая отложению грязи и накипи внутри трубок. У входа в жаровую трубу нередко подвешивается полое металлическое тело в виде груши, для отклонения огня к окружающим тело трубкам. На черт. 9, табл. I, показан вертикальный трубчатый котел с дымогарными трубками. Газы из внутренней топки поднимаются по дымогарным трубкам в верхнюю (дымовую) коробку. Помещенные в котле вертикальные перегородки имеют целью вызвать усиленную циркуляцию воды в направлении стрелок на чертеже, затрудняющую отложение накипи на дне и стенках котла. Нередко вертикальный котел снабжается прикрепляемой к нему П. машиной, для движения которой служит доставляемый котлом пар. Такая система полупереносной П. машины (черт. 6, табл. III), от двух до десяти и более сил, весом в 40 до 120 пд., весьма удобна для мастерских и маленьких заводов.
III. Арматура П. котлов. Необходимую принадлежность всякого котла составляет арматура его, т. е. совокупность всех приборов, необходимых для правильного его действия и ухода за ним. Сюда же нередко причисляют так назыв. грубую арматуру (grobe Arniatur) или гарнитуру (Garnitur), т. е. дверцы, лазы, люки связи для крепления печной кладки и прочие подобные принадлежности котла. Арматуру составляют следующие приборы: 1) манометр h (черт. 2 в тексте), обыкновенно металлический пружинный Бурдона или Шеффер-Буденберга, для указания давления пара в котле. Нередко, кроме обыкновенной указательной стрелки, манометр снабжается контрольной стрелкой, останавливающейся неподвижно на самом большом давлении, которое было достигнуто во время действия котла. На черт. 2 буква f означает кран манометра, а g ? флянец для прикрепления контрольного манометра, которым время от времени проверяют правильность показаний стрелки на циферблате обыкновенного манометра; такой флянец, строго установленных размеров, в Германии должен по предписанию иметься у всякого манометра. Манометр или прямо сообщается трубкой с П. пространством котла, или укрепляется, как показано на чертеже, наверху чугунной коробки с водомерными стеклами. Трубка манометра всегда изогнута так, что в ней скопляется вода от сгущения пара, который не должен попадать внутрь пружинной трубки манометра, во избежание ее порчи. 2) Указатели уровня воды. Значительное понижение уровня воды в котле весьма опасно, так как при этом могут обнажиться от воды стенки котла, подверженные снаружи действию огня или очень горячих газов; в таком случае стенки, раскаляясь, сильно теряют в прочности и легко могут дать трещину, которая может повлечь за собой взрыв всего котла. Самый низкий допускаемый уровень воды должен быть на 4 дюйма (10 см) выше огневой линии. т, е. наивысшей черты, охватываемой снаружи огнем или горячими газами. Наиболее распространенным указателем уровня служит водоуказательная стеклянная трубка, или водомерное стекло ? как ее принято называть. Стекло вставляется в медные оправы, сообщенные, нижняя с водяным, а верхняя с П. пространством котла. По закону сообщающихся сосудов, уровень воды в стекле и в котле будет одинаков. На черт. 2 (в тексте) показана пустотелая чугунная коробка с двумя водомерными стеклами, которая флянцами а , а привинчивается к котлу.
Черт. 2.
Для прочистки каналов, сообщающих оправы стекол с пустотой коробки и последнюю с котлом, служат легко вывинчиваемые медные пробки d. Указатели е , е показывают черту, ниже которой не должна опускаться вода в стекле. Внизу показаны краны b для продувки стекол и коробки ? очистки их от накипи. Кроме того имеются краны, разобщающие каждое стекло от коробки, на случай замены лопнувшей стеклянной трубки новой. Если лопнет стекло, то вырывающейся струей горячей воды с паром могут быть причинены ожоги кочегару. Поэтому нередко снабжают стекла самозапирающимися клапанами или кранами, немедленно прекращающими доступ воды и пара к лопнувшему стеклу. Водомерные стекла, в особенности узкие каналы в их оправах, легко засоряются и иногда совершенно закупориваются накипью, поэтому их надо по временам продувать и прочищать. При высоких давлениях пара стекла довольно быстро разъедаются водой, становятся тусклыми и непрозрачными, требуя замены их новыми, которые должны быть всегда в запасе. Для большей надежности, кроме водомерного стекла, уровень воды в котле проверяется еще посредством двух или трех водопробных или просто пробных кранов, которые должны показывать высший и низший (а при трех и средний) уровни воды в котле. При поочередном открывании кранов из них вытекает либо пар, либо вода, и по этому признаку судят о положении уровня воды в котле. Вода, вытекая, тотчас частью превращается в пар, поэтому требуется некоторый навык, чтобы различать вытекающую из котла струю воды от струи пара, иногда тоже влажного. Во время действия котла уровень воды и давление пара постоянно изменяются, колеблются, хотя бы и незначительно. Поэтому долгая неподвижность стрелки манометра или уровня воды в стекле служит почти несомненным признаком бездействия этих приборов. Кроме описанных, применяются и другие приборы для обнаружения недостатка воды в котле, например легкоплавкие пробки, поплавки, самодействующие сигнальные свистки и проч. Имеются также различные самодействующие приборы для питания котла водой, приходящие сами собой в действие при значительном понижении уровня воды в котле. 3) Предохранительный клапан, сам собой открывающийся и выпускающий пар при чрезмерном повышении давления в котле. На черт. 3 (в тексте) показан грузовой рычажный клапан, нагруженный сверху грузом g, насаженным на конце рычага h.
Черт. 3.
Давление рычага передается на клапан стойкой или металлич. стержнем t. Клапанная коробка устанавливается наверху котла или парового колпака, так что нижняя ее часть а сообщается с паровым пространством. При открывании клапана вытекающий из котла пар удаляется наружу по каналу b. Груз g должен уравновешивать давление пара на клапан, на 1/2 или 1 атмосферу превосходящее нормальное (обыкновенное рабочее) давление пара в котле. В пароходных и паровозных котлах груз заменяется пружиной. Иногда рычаг с грузом помещается в закрываемой замком откидной коробке, как показано на чертеже. Замок обвязывается шнурком с печатью, с целью устранить возможность перегрузки клапана, по невежеству или злоупотреблению кочегара. Клапан нередко плотно прикипает к своему седлу, поэтому время от времени надо приподнимать груз g, с целью удостовериться, что клапан тотчас начинает открываться. Для этого служит рычаг i или же выпущенная из коробки наружу цепочка, прикрепленная к оконечности клапанного рычага. Кроме рычажных клапанов применяются также предохран. клапаны прямой нагрузки, в которых груз или пружина действуют прямо на клапан, без посредства рычага. Перегрузить грузовой клапан прямой нагрузки весьма затруднительно вследствие значительности требуемого для этого груза. Диаметр предохранительного клапана в европейских государствах прежде определялся по узаконенным правилам или формулам, ныне же предоставлен усмотрению техников и фабрикантов, по причине общераспространенного ныне взгляда на предохр. клапан, как на прибор только предупреждающий о необходимости принятия мер к понижению давления, но не устраняющий безусловно опасность взрыва в случае непринятия надлежащих мер. Главный недостаток обыкновенных предохран. клапанов есть малая высота подъема, обыкновенно не более 1 миллим. (1/25 дюйм.) в грузовых и еще менее в пружинных клапанах. Причина заключается в ослаблении давления пара, вытекающего из клапана при его подъеме. Для устранения или ограничения этого недостатка изобретены усовершенствованные клапаны Ричардсона (Richardson), Ашкрофта (Ashkroft), Дюлака (Dulac) и проч., устроенные так, что при открывании клапана проявляется добавочное, поддерживающее его, давление пара на клапан. 4) Питательный клапан (черт. 4, в тексте), через который доставляемая насосом или инжектором питательная вода проталкивается в котел.
Черт. 4.
Питательный клапан помещается в коробке с флянцем а , для прикрепления к котлу, и флянцем b , для сообщения с питательным прибором. Клапан открывается и пропускает воду в котел только тогда, когда давление питательной воды преодолевает давление на клапан воды в котле, производимое давлением пара. При неисправности клапана, когда он неплотно прилегает к седлу, вода из котла будет выталкиваться наружу давлением пара. Для исправления питательного клапана без остановки действия котла необходимо иметь между ним и котлом особый кран или клапан, разобщающий, в случае надобности, коробку питательного клапана от котла. На черт. 5 (в тексте) показан питательный клапан, высоту подъема которого можно регулировать посредством стержня с винтовой нарезкой, ввинченного в неподвижную гайку.
Черт. 5.
Черт. 6. Черт. 7.
Вращением маховичка можно установить нижний конец стержня, о который ударяется клапан при подъеме, на любой высоте и даже совсем закрыть питательный клапан. 5) Паровой или паровыпускной клапан, называемый также стопорным или створным клапаном (черт. 6 в тексте). Этот клапан отличается от изображенного на черт. 5 только своими размерами и тем, что при вращении ручного маховичка клапан поднимается и опускается вместе со стержнем не участвуя в его вращении. 6) Лаз или горловина для влезания внутрь котла с целью осмотра и очистки его от грязи и накипи. На черт. 7 и 8 (в тексте) показаны вид
Черт. 8.
сверху, а также продольный и поперечный разрезы штампованного стального лаза Мак-Нейля (Mac-Neil). Для укрепления стенки котла, ослабленной вырезом для лаза, служит отогнутый внутрь металлический воротник или угольник (черт. 8), приклепанный двойным заклепочным швом к стенке котла. Лаз укрепляется двумя металлическими скобами, при помощи приклепанных к лазу болтов.
IV. Практические указания относительно расчета котлов. В фабричных или заводских котлах каждый квадратный метр поверхности нагрева доставляет в час: 12?15 кг. пара, при очень умеренном парообразовании, 18?20 кг. при обыкновенном и 25?30 кг. при усиленном. Обыкновенно рассчитывают на 15?20 кг. пара с каждого квадратного метра; в английских и водотрубных котлах нередко предпочитают более умеренное парообразование в 12?15 кг. с кв. м. В локомобильных котлах принимают еще меньшее, обыкновенно 10 кг., а в паровозных значительно большее: 25?40 кг. и даже 60 кг. и более. Таким образом для изготовления в заводском котле 1200 кг. пара в час (80 пар. лош.) потребуется поверхность нагрева от 1200/20 = 60 кв. м до 1200/20 = 100 кв. м. В простом цилиндрическом котле поверхность нагрева приблизительно равна произведению полуокружности на длину котла; при диаметре в 1,5 м и длине в 20 м поверхность нагрева будет 3,14 х 1,5/2 х 20 кв. м; при 20 кг. с кв. метра, такой котел доставит 20 х 47 = 940 кг. пара в час или 940/15 = 63 пар. лошадей. В зависимости от рода топлива, каждый кг. (или фунт) сгоревшего топлива доставляет: нефть 12?14 кг. (фунт.) пара; нефтяные остатки (мазут) 10?13 кг.; каменный уголь, кокс, антрацит 6?9 кг. (уголь до 10 кг.); лигнит (волокнистый бурый уголь) 2,5?5,5 кг.; дерево, торф 2?3,5 кг.; солома 1,5?2 кг.; древесные опилки, корье 0,8?1 кг. На каждом кв. м площади колосниковой решетки сгорает в час: 60?100 кг. каменного угля и 100?200 кг. дров, бурого угля, торфа. Для котла, доставляющего 940 кг. пара в час, предполагая 6 кг. пара на 1 кг. кам. угля и 3 кг. пара на 1 кг. дров, потребуется в час 940/6 = 157 кг. угля или 940/3 = 313 кг. дров; площадь колосниковой решетки должна быть не менее 157/100 = 1,57 кв. метра для угля и не менее 313/200 = 1,57 для дров; таким образом, для одного и того же количества пара, площадь колосниковой решетки для каменного угля и дров приблизительно одинакова. Вес котлов, в зависимости от типа и величины рабочего давления пара, составляет примерно от 110 до 200 кг. на каждый кв. метр поверхности нагрева (или 0,02?1,25 пд. на каждый кв. фут). Стоимость котла, с арматурой 0,5?0,6 руб. на один кг. веса (8,3?10 руб. пуд). Для П. машины в 12?15 сил, ценой, примерно в 2000 руб., стоимость котла с арматурой, печью и фундаментом составит приблизительно 2250 руб., а стоимость дымовой трубы к нему, каменной, высотой в 12 саж., 600 руб., следовательно стоимость всего устройства 2250 + 600 = 2850 руб., вместе же с П. машиной 4850 руб. Продолжительность службы котлов достигает иногда 40 лет, но рассчитывать следует не более как на 20?25 лет службы. Коэффициент полезного действия котлов, т. е. та доля полной теплоты горючего, которая расходуется полезным образом на изготовление пара, составляет от 0,55 до 0,8 полной теплоты горения. Остальная доля теплоты, от 0,45 до 0,2 тратится бесполезным образом вследствие неполного горения, внешнего охлаждения и улетания горячих газов в дымовую трубу.
V. Уход за котлом. Цель ухода за котлом состоит в своевременном, безопасном и выгодном (в смысле сбережения топлива и сохранения котла для более продолжительной службы) изготовления пара. Для безопасности от взрыва и предохранения котла от преждевременной порчи необходимо не только не допускать чрезмерного повышения давления пара в котле и поддерживать уровень воды на надлежащей высоте, но и постоянно следить за исправным состоянием стенок котла, так как стенки эти, а также заклепочные швы и головки заклепок, находясь под действием огня и вредных примесей, содержащихся в воде и топливе, подвержены различного рода разъеданиям, как внутри котла, так и снаружи; кроме того не следует допускать слишком сильных или слишком быстро происходящих нагреваний и охлаждений котла; в особенности местных, сильно вредящих его прочности. Для выгодного изготовления пара необходимо постоянно заботиться о возможно полном и совершенном сжигании топлива, доставлением в топку потребного для горения количества воздуха и надлежащим перемешиванием его с топливом; для сего требуется пропускать воздух снизу, сквозь слой топлива, а не над ним; кроме того следует довольно часто прочищать колосниковую решетку, сквозь которую протекает воздух, от засоряющих ее шлаков и золы, своевременно и умело забрасывать в топку топливо, заботясь о равномерном распределении горючего по всей площади решетки; при заброске топлива и шуровке (прочистке решетки) должно по возможности быстро закрывать топочные дверцы, для устранения излишнего притока холодного воздуха над слоем топлива, так как при этом сильно охлаждаются стенки котла; далее, должно устранять препятствия движению газов в дымоходах, очищая последние от скоплений золы и налетов сажи на стенках, и умело управлять тягой в дымовой трубе, посредством надлежащего подъема или опускания заслонки (задвижки) в боров; необходимо также очищать стенки котла от плотно пристающей к ним накипи или котельного камня, отлагающегося вследствие выпаривания из воды различных растворенных в ней солей, в особенности солей кальция и магния. Накипь ? очень дурной проводник тепла и потому весьма сильно препятствует протеканию теплоты в воду сквозь стенки котла; накипь не только понижает полезное действие котла, но нередко является причиной раскаления его стенок, отчего происходят выпучивания (отдушины) и даже трещины в них (подробнее см. Накипь). Влияние кочегара на полезное действие котла достаточно подтверждается результатами конкурсов или состязаний кочегаров, производившихся за границей и в СПб. Основываясь на результатах конкурсов, Бельгийское общество владельцев котлов ввело систему обучения кочегаров на месте, посредством посылаемого по заводам опытного странствующего кочегара (chauffeur-instructeur, Lehrheizer); сравнение его работы с работой кочегаров до обучения ? нередко обнаруживало сбережение до 25 % в расходе горючего. На состязаниях кочегаров, на которые являются обыкновенно люди опытные в своем деле, выяснилось также, что их ошибки "оказывают тем меньшее влияние на результаты работы, чем лучше система котла, т. е. чем больший он дает коэффициент полезного действия" (Депп, "Результаты состязаний кочегаров").
VI. Взрывы котлов. Под взрывом разумеют обыкновенно внезапное и довольно значительное разрушение всего котла или некоторых его частей; впрочем, точное знание этого термина до сих пор еще не установлено. Взрывы нередко сопровождаются гибелью людей и разрушением котельного помещения, иногда вместе с соседними постройками. Особенной разрушительностью взрывов отличаются котлы с большим содержанием воды. Хотя появление значительной трещины и производит в них понижение давления пара, но вместе с тем вызывает почти внезапное выделение весьма значительного количества паров из воды вследствие того избытка теплоты в ней, который соответствует разности температур кипения для прежнего и нового, пониженного, давления пара. Каждый кубический метр воды, при понижении давления на одну атмосферу, доставляет показанное в прилагаемой таблице число кубических метров пара (таблица вычислена по данным Цейнера [Zeuner, "Technische Thermodynamik", 1890, т. II]; искомый объем z = ( q o ? q )/ r • ( u + ?)/ ?, где ? = 0,00 1; вычисление по адиабате: z = (? o ? ?) T / r • ( u + ?)/ ?, дает те же результаты).
Давление в котле, в атмосферах по манометру, т. е. за вычетом одной атмосферы 2 5 7 9 11 13 Количество куб. метров пара, выделяющегося из одного куб. метра воды при понижении давления на одну атмосферу 22,8 5,2 3,0 2,0 1,5 1,1
В котлах цилиндрических, простых и с внутренними (жаровыми) трубами, на каждый погонный метр длины котла приходится примерно от 0,5 до 2 куб. м воды; а длина достигает 7 ? 10 и более м. Отсюда видно, как велик может быть объем выделяющегося из воды пара при понижении давления на одну атмосферу; для котла, содержащего 10 куб. м воды, объем выделяющегося пара будет 52 куб. м (около 5 1/3 куб. саж.) при 5 атмосферах и 228 куб. м (около 23,5 куб. саж.) при двух атмосферах давления в котле по манометру. Большое содержание воды является, однако, и по той же причине, огромным достоинством во время исправной службы котла. Большой запас воды служит прекрасным регулятором теплоты, не допуская сколько-нибудь быстрых и значительных колебаний давления пара и неравномерности в его изготовлении, даже при весьма переменном расходовании пара. При внезапном увеличении расхода недостающий пар тотчас же выделяется из воды, а при уменьшении или прекращении расхода большая часть теплоты огня идет на нагревание воды, не повышая значительно и быстро давления пара в котле. Но когда прежде всего от котла требуется возможно быстрое разведение паров, как например от котлов пожарных насосов (помп), то следует обращаться к типам котлов с очень малым содержанием в них воды. Причины взрывов могут быть весьма разнообразны. На них в настоящее время пролит яркий свет трудами правительственных инженеров и многочисленных заграничных обществ надзора за котлами, из которых первое возникло в Англии в 1855 г., по почину Ферберна (Fairbairn), под наименованием: "Манчестерское общество потребителей пара" (Manchester Steam Users Association). Постоянно производимые правительствами и упомянутыми обществами исследования над причинами взрывов обнаружили с полной несомненностью, что огромное большинство взрывов происходит от одной или нескольких из следующих причин: дурного устройства котла, чрезмерной его изношенности и плохого ухода за котлом. Дурное устройство заключается: в непрочности котельных листов, по недостаточности толщины или вследствие плохого материала; в дурной склепке котла и вообще неумелой котельной работе при изготовлении котла; в отсутствии надлежащих скреплений; в ошибочном расположении частей; в недостаточности приспособлений для питания котла водой и проч. Чрезмерная изношенность может происходить или от слишком продолжительной службы котла, или от отсутствия своевременного ремонта (починки) котла, в случаях напр. порчи его стенок от разъедания и других причин. ? Плохой уход состоит в допущении: чрезмерного повышения давления пара, чрезмерного понижения уровня воды, значительного образования накипи; в недостаточном надзоре за исправным состоянием стенок котла и дымоходов и проч. ? Весьма сомнительны и мало вероятны предположения о возможности взрывов вследствие образования гремучей смеси внутри котла от диссоциации воды, т. е. ее разложения на составные части: водород и кислород, или от случайно происшедшего сфероидального ее состояния, или наконец по причине перегрева воды. Образование гремучей смеси в дымоходах иногда бывало причиной взрыва, равно как и пожар в котельном помещении.
VII. Литература о П. котлах. Борович, "П. котлы" (Москва, 1893; общедоступное изложение); Заблудовский, "Уход за котлами" (1893, без чертежей); Войслав, "Уход за котлами и машинами" (1894); Scholl, "F u hrer des Maschinisten" (11 изд., 1891); Тиме, "Курс паровых машин" (часть I, СПб., 1886); Предтеченский, "Курс П. котлов" (Харьков, 1895, с атласом); Flimmer, "Ueber Dampfkesselzerst o rungen" (Лпц., 1884); Завалишин, "П. котлы" (СПб., 1887, перевод Флиммера, с дополнениями); Thielmann, "Handbuch u ber vollstandige Dampfkesselanlagen" (Лейпциг, 1881; собрание статей различных авторов, 2 тома); Тильман, "Руководство к П. котлам" (перевод 1-й части немецкого подлинника); Reiche, "Anlage und Betrieb der Dampfkessel" (1887); Wilson, "A treatise on steam boilers" (есть нем. перевод издания 1878 г.); Гутовский, Руководство для исследования прочности и безопасности П. котлов" (ч. I, 1892); Ренц, "Взрывы П. котлов" (СПб., 1894); Вейнберг, "Взрывы котлов" (Москва, 1888); Thurston, "Steam boiler explosions" (Нью-Йорк, 1888); Ломшаков, "Испытание П. котлов и машин" (ч. I: П. котлы; СПб., 1897).
П. Кoтypнuцкий.
ПАРОВЫЕ КОТЛЫ I.
ПАРОВЫЕ КОТЛЫ II.
Надзор за паровыми котлами. Опасность, представляемая взрывами П. котлов, вызвала установление правительственного за ними надзора. Обязательно испытание сопротивления стенок П. котла: 1) после изготовления его на заводе; 2) по установке его на месте; 3) после продолжительной остановки его действия. Установлены также периодические осмотры П. котлов, наружные и внутренние. Каждый П. котел должен быть снабжен предохранительными аппаратами: манометрами, предохранительными клапанами, водомерными трубками, индикаторами уровня воды, а в некоторых странах ? и предупреждающими свистками. Уход за паровиками и содержание предохранительных аппаратов в исправности подлежит регламентации и наблюдению со стороны агентов правительства. Наиболее действительным средством к предупреждению взрывов является тщательный периодический осмотр внутренних стенок котла, обнаруживающий места начинающегося разъедания металла. Во Франции, Германии, Австрии правительственный надзор восполняется, а в Англии (где правительственный надзор установлен лишь по отношению к паровикам пассажирских пароходов) заменяется надзором "ассоциации владельцев паровых котлов". В члены таких ассоциаций поступают добровольно владельцы паровиков данного района; каждый член вносит ежегодно установленную общим собранием ассоциации плату с каждой единицы поверхности своих паровиков, за что имеет право на осмотр его паровиков специальными техниками ассоциации. Ассоциации содержат лаборатории, при которых подготовляются специалисты по изучению П. котлов. В Англии, а отчасти и в Германии ассоциации принимают на себя и страхование от взрывов. В Германии паровики членов ассоциации по надзору за паровыми котлами могут быть освобождены от правительственной инспекции. В Англии до учреждения ассоциации считался один взрыв на 2000 котлов в год, некоторые ассоциации в короткое время уменьшили у себя число взрывов до 1 на 6500. В Германии правильная статистика взрывов установлена с 1877 г. и дает следующие данные (статистика эта не обнимает локомотивов и П. котлов военного и военно-морского ведомств):
Всего с 1877 по 1895 г. в Германии было 311 взрывов, с 760 пострадавшими, в том числе убитых наповал и умерших в течение 48 часов 246 чел.
В Сев.-Ам. Соед. Штатах различают полное число взрывов от сопровождавшихся несчастными случаями.
Полное число Опасные случаи Порча или разъедание котлов и предохранительных клапанов. 17883 1727 Дурная конструкция и обработка котла или его принадлежностей 15895 2957 Недостаточность воды 130 56 Небрежность или невежество кочегаров 6928 1403
В России надзор за паровыми котлами установлен законом 1843 г., пересмотренным в 1873 г. Ныне действующий закон 8 июня 1889 г. (ст. 76?80 Уст. о промышленности, Св. Зак. т. XI, ч. 2, изд. 1893 г.), определив, на какие именно учреждения возлагается надзор за П. котлами, указав, что надзор этот распространяется на все П. котлы, за исключением лишь находящихся на военных паровых судах, и установив уголовную ответственность за нарушение закона и издаваемых на основании его технических правил, само издание этих правил, в видах согласования их с беспрерывными успехами техники, предоставил министру финансов, по соглашению с министрами внутр. дел, земледелия, путей сообщения и управляющим морским министерством. Общее наблюдение за П. котлами принадлежит губернаторам и градоначальникам, а ближайший и непосредственный надзор вверен губернским инженер-механикам или заменяющим их лицам. Надзор за паровозами и неподвижными П. котлами железных дорог и находящимися на частных паровых судах, плавающих по внутренним водам, возложен на министерство путей сообщения, а за котлами частных горных заводов ? на министерство земледелия и госуд. имущ. Надзор не распространяется на открытые П. котлы, снабженные прямым сообщением с атмосферой посредством вертикальной трубы, имеющей более 3,5 дм. внутреннего диаметра и менее 2,5 саж. высоты, считая от уровня воды в котле, так как подобного рода П. котлы не могут приобретать давления, превышающего атмосферное более чем на 1/2 атмосферы. Согласно правилам, утвержденным министром финансов 30 июня 1890 г. ("Собрание Узаконений", 1890 г., ст. 885), употребление для соприкасающихся с продуктами горения стенок и трубок котлов других материалов, кроме сварочного и литого незакаливающегося железа и красной меди, допускается не иначе, как с особого разрешения министра финансов; дополнительными правилами 19 окт. 1891 г. ("Собр. Узак." 1892 г., ст. 5) допущено, на особых условиях, изготовление из чугуна труб, входящих в состав П. котлов системы Ярковского. Каждый П. котел должен быть снабжен двумя предохранительными клапанами (устройство одного из них должно быть таково, чтобы машинист не мог изменять нагрузку клапана), верным манометром с сифонной трубкой, по крайней мере одним (а котлы, имеющие более 200 кв. фт. нагрева ? двумя) надежным питательным прибором, водоуказательной стеклянной трубкой, по крайней мере двумя водоуказательными кранами и, наконец, приспособлениями, делающими возможной очистку внутренних стенок котла. Помещения П. котлов должны удовлетворять известным требованиям. Техническое освидетельствование котла бывает наружное и внутреннее. Первое производится один раз в два года, без остановки действия котла; второе соединяется с гидравлической пробой и требуется для каждого вновь устанавливаемого П. котла прежде допущения его к действию, а затем, по общему правилу, возобновляется через каждые шесть лет, равно как и после каждого крупного ремонта. Если замеченные недостатки угрожают непосредственной опасностью, то до устранения их действие котла должно быть приостановлено. Техники, свидетельствующие П. котлы, обязаны удостовериться в том, имеет ли надлежащие знания о котлах кочегар. Разрешение на установку неподвижного парового котла дается начальством, на которое возложено заведывание котлами. В известных случаях должен быть представлен отзыв городского общественного управления о том, не встречается ли к установке П. котла каких-либо особых препятствий. Под мастерскими и жилыми помещениями и внутри их воспрещается устанавливать котлы, представляющие особенную опасность взрыва. Виновные в нарушении правил о П. котлах подвергаются: аресту не свыше 3 месяцев или денежному взысканию не свыше 300 руб., если нарушение не имело последствием причинения кому-либо смерти или повреждения в здоровье, и тюремному заключению на время от 2 месяцев до 1 года и 4 месяцев, если такие последствия имели место. В 1894 г., временно на три года, установлен у нас, по примеру большинства западноевроп. законодательств, особый сбор с П. котлов, подлежащих правительственному надзору. Сбор этот взимается в размере 20 р. в год с каждого котла. Кроме П. котлов, употребляемых в сельском хозяйстве и в ремесленных заведениях и имеющих не более 12 лошадиных сил; с последних сбор взимается в размере 5 (с котлов до 6 лош. сил) или 10 р. При неуплате сбора в установленный срок (не позднее 1 октября, а владельцами, обязанными брать торговые документы, ? одновременно с взятием сих последних) взыскивается штраф в размере не свыше двойного оклада сбора. Наблюдение за исправным поступлением сбора возложено на чинов фабричной инспекции, губернских механиков, податных инспекторов и др. лиц, имеющих надзор за П. котлами. Ср. доклад В. К. Делла-Воса, "О пользе ассоциаций для предупреждения взрывов П. котлов" (в "Трудах съезда членов Имп. Русск. Технич. Общества в Москве 1882 г."; т. III, СПб., 1883); "Zeitschrift des Verbandes der Dampfkessel-Ueber-wachung-Vereine".
А. Я.