Жаротрубный котел

Жаротрубный котел в Джабалпурском инженерном колледже

Жаротрубный котел представляет собой тип котла , в котором горячие газы проходят от пожара через одну или несколько трубок , проходящих через герметичную емкость с водой. Тепло газов передается через стенки труб путем теплопроводности , нагрева воды и в конечном итоге создавая пар .

Жаротрубный котел был разработан как третий из четырех основных исторических типов котлов: котлы низкого давления или котлы типа « стог сена », дымовые котлы с одним или двумя большими дымоходами, жаротрубные котлы с большим количеством маленьких труб и котлы высокого давления. водотрубные котлы . Их преимущество перед котлами с дымоходом и одним большим дымоходом состоит в том, что множество маленьких труб обеспечивают гораздо большую площадь поверхности нагрева при том же общем объеме котла. Общая конструкция представляет собой резервуар с водой, через который проходят трубы, по которым отходят горячие дымовые газы от пожара. Резервуар обычно имеет цилиндрическую форму по большей части - это самая прочная практическая форма для контейнера под давлением.- и этот цилиндрический резервуар может быть как горизонтальным, так и вертикальным.

Этот тип котла применялся практически на всех паровозах в горизонтальной «паровозной» форме. Он имеет цилиндрический ствол, содержащий пожарные трубы, но также имеет удлинение на одном конце для размещения «топки». Эта топка имеет открытое основание для обеспечения большой площади решетки и часто выходит за пределы цилиндрической бочки, образуя прямоугольный или конический корпус. Горизонтальный жаротрубный котел также типичен для морских применений, использующих котел Scotch ; таким образом, эти котлы обычно называют котлами «шотландского морского» или «морского» типа. ^[1] Вертикальные котлы также построены многожильного типа, хотя они сравнительно редки; большинство вертикальных котлов были дымоходными или с поперечными водяными трубами.

Operation[edit]

Schematic diagram of a "locomotive" type fire-tube boiler

В котле тепловозного типа топливо сжигается в топке для получения горячих дымовых газов. Топка окружена охлаждающей рубашкой с водой, соединенной с длинной цилиндрической оболочкой котла. Горячие газы направляются по ряду дымовых труб или дымоходов , которые проникают в котел и нагревают воду, образуя насыщенный («влажный») пар. Пар поднимается к самой высокой точке котла - паровому куполу , где и собирается. В куполе находится регулятор , контролирующий выход пара из котла.

In the locomotive boiler, the saturated steam is very often passed into a superheater, back through the larger flues at the top of the boiler, to dry the steam and heat it to superheated steam. The superheated steam is directed to the steam engine's cylinders or very rarely to a turbine to produce mechanical work. Exhaust gases are fed out through a chimney, and may be used to pre-heat the feed water to increase the efficiency of the boiler.

Тяга для дымовых котлов, особенно в морских применениях, обычно обеспечивается высокой дымовой трубой . Во всех паровозах, начиная с « Ракеты Стивенсона» , дополнительная тяга создается путем направления отработанного пара из цилиндров в дымовую трубу через дымовую трубу для создания частичного вакуума . В современных промышленных котлах используются вентиляторы, обеспечивающие принудительную или принудительную вытяжку котла.

Еще одним важным достижением в « Ракете» стало большое количество дымовых труб малого диаметра ( многотрубный котел ) вместо одного большого дымохода. Это значительно увеличило площадь поверхности для передачи тепла, что позволило производить пар с гораздо большей скоростью. Без этого паровозы никогда не смогли бы эффективно развиваться как мощные тягачи .

Типы жаротрубных котлов [ править ]

Дополнительные сведения о связанном типе предка см. В разделе Котлы с дымоходом .

Cornish boiler[edit]

The earliest form of fire-tube boiler was Richard Trevithick's "high-pressure" Cornish boiler. This is a long horizontal cylinder with a single large flue containing the fire. The fire itself was on an iron grating placed across this flue, with a shallow ashpan beneath to collect the non-combustible residue. Although considered as low-pressure (perhaps 25 pounds per square inch (170 kPa)) today, the use of a cylindrical boiler shell permitted a higher pressure than the earlier "haystack" boilers of Newcomen's day. As the furnace relied on natural draught (air flow), a tall chimney was required at the far end of the flue to encourage a good supply of air (oxygen) to the fire.

Для повышения эффективности котел обычно заключался в камеру из кирпича . Дымовые газы направлялись через него, за пределы железной оболочки котла, после прохождения через дымовую трубу и, таким образом, в дымоход, который теперь находился на передней стороне котла.

Ланкаширский котел [ править ]

Котел Ланкашира похож на котел Корнуолла, но имеет два больших дымохода, сдерживающих огонь. Именно изобретение Уильяма Фэйрберна в 1844 году, основанное на теоретическом рассмотрении термодинамики более эффективных котлов, привело его к увеличению площади решетки печи по сравнению с объемом воды.

Later developments added Galloway tubes (after their inventor, patented in 1848),^[2] crosswise water tubes across the flue, thus increasing the heated surface area. As these are short tubes of large diameter and the boiler continues to use a relatively low pressure, this is still not considered to be a water-tube boiler. The tubes are tapered, simply to make their installation through the flue easier.^[3]

Scotch marine boiler[edit]

Морской котел Scotch кардинально отличается от своих предшественников использованием большого количества трубок малого диаметра. Это дает гораздо большую площадь нагреваемой поверхности по объему и весу. Печь представляет собой единую трубу большого диаметра, над которой расположено множество маленьких трубок. Они соединены вместе камерой сгорания - замкнутым объемом, целиком заключенным внутри корпуса котла, так что поток дымовых газов через дымовые трубы идет сзади вперед. Закрытый дымовой ящик, закрывающий переднюю часть этих труб, ведет вверх к дымоходу или воронке. Типичные шотландские котлы имели пару печей, более крупные - три. Свыше этого размера, например, на больших пароходах , обычно устанавливали несколько котлов. ^[4]

Локомотивный котел [ править ]

Котел тепловоза состоит из трех основных компонентов: двустенной топки ; горизонтальная цилиндрическая «бочка котла», содержащая большое количество мелких дымовых труб; и коптильня с дымоходом для выхлопных газов. В корпусе котла имеются дымоходные трубы большего размера для размещения элементов пароперегревателя , если таковые имеются. Принудительная тяга создается в котле локомотива за счет впрыска отработанного пара обратно в выхлоп через патрубок в дымовой камере.

Котлы локомотивного типа также используются в тяговых двигателях , паровых катках , переносных двигателях и некоторых других паровых транспортных средствах. Собственная прочность котла означает, что он используется в качестве основы для автомобиля: все остальные компоненты, включая колеса, крепятся на кронштейнах, прикрепленных к котлу. Редко можно найти пароперегреватели, разработанные для этого типа котлов, и они, как правило, намного меньше (и проще), чем типы железнодорожных локомотивов.

Котел локомотивного типа также характерен для парового вагона-паровоза , парового предшественника грузовика . В этом случае, однако, тяжелые балочные рамы составляют несущее шасси транспортного средства, к которому крепится котел.

Конический котел

Certain railway locomotive boilers are tapered from a larger diameter at the firebox end to a smaller diameter at the smokebox end. This reduces weight and improves water circulation. Many later Great Western Railway and London, Midland and Scottish Railway locomotives were designed or modified to take taper boilers.

Vertical fire-tube boiler[edit]

A vertical fire-tube boiler (VFT), colloquially known as the "vertical boiler", has a vertical cylindrical shell, containing several vertical flue tubes.

Horizontal return tubular boiler[edit]

Трубчатый котел с горизонтальным возвратом (HRT) имеет горизонтальный цилиндрический кожух, содержащий несколько горизонтальных дымовых труб, при этом очаг расположен непосредственно под кожухом котла, обычно внутри кирпичной кладки.

Адмиралтейский прямотрубный котел [ править ]

Широко использовавшееся Великобританией, до и в первые дни существования броненосцев, единственное защищенное место было ниже ватерлинии, иногда под бронированной палубой, поэтому для установки под короткими палубами трубы не выводили обратно над топкой, а продолжали прямо от нее. с сохранением камеры сгорания между ними. Отсюда и название, и значительно уменьшенный диаметр по сравнению с широко распространенными котлами с вискозиметром или с возвратной трубой. Это не имело большого успеха, и от его использования отказались после введения более прочного бокового армирования - «короны печи, находящиеся очень близко к уровню воды, гораздо более склонны к перегреву. Кроме того, из-за длины котла при равном угле наклона влияние на уровень воды намного больше. Наконец, неравномерное расширение различных частей котла более выражено,особенно вверху и внизу, из-за увеличенного соотношения длины и диаметра котла; местные деформации также более серьезны из-за сравнительно слабой циркуляции в длиннокипящих и низкотемпературных котлах ». Все это также привело к сокращению жизни. Кроме того, такая же длина камеры сгорания была намного менее эффективной на прямой трубе, чем на котле с обратной трубой, по крайней мере, без перегородок.^[5]

Погружной котел [ править ]

Погружной котел представляет собой однопроходный жаротрубный котел, разработанный компанией Sellers Engineering в 1940-х годах. В нем есть только дымовые трубы, которые также функционируют как топка и камера сгорания, с несколькими форсунками горелки, впрыскивающими предварительно смешанный воздух и природный газ под давлением. Он заявляет о снижении термических напряжений и полностью лишен огнеупорной кирпичной кладки из-за своей конструкции. ^[6]

Варианты [ править ]

Водяные трубы [ править ]

Жаротрубные котлы иногда имеют и водяные трубы для увеличения поверхности нагрева. Котел Корнуолла может иметь несколько водяных труб по диаметру дымохода (это обычное явление в паровых запусках ). Тепловозный котел с широкой топкой может иметь арочные трубы или термические сифоны . По мере развития технологии топки выяснилось, что установка перегородки из огнеупорных кирпичей(термостойкие кирпичи) внутри топки, чтобы направить поток горячих дымовых газов вверх в верхнюю часть топки, прежде чем он потечет в топочные трубы, повышенная эффективность за счет выравнивания тепла между верхними и нижними дымовыми трубами. Чтобы удерживать их на месте, использовался металлический кронштейн, но для предотвращения того, чтобы эти кронштейны сгорели и разрушились, они были построены как водяные трубы, где холодная вода из нижней части котла движется вверх за счет конвекции при нагревании и переносит тепло. до того, как металл достиг температуры разрушения.

Другой способ увеличения поверхности нагрева - это сделать внутренние нарезы внутри котельных труб (также известных как служебные трубы).

Не все котлы с оболочкой поднимают пар; некоторые разработаны специально для нагрева воды под давлением.

Обратное пламя [ править ]

В соответствии с дизайном Ланкашира, современные котлы с кожухом могут иметь конструкцию с двумя топками. Более поздней разработкой стала конструкция с обратным пламенем, при которой горелка загорается в глухую топку, а дымовые газы удваиваются сами по себе. Это приводит к более компактной конструкции и меньшему количеству трубопроводов.

Пакетный котел [ править ]

Термин «пакетный» котел появился в начале-середине 20 века; он используется для описания котлов отопления жилых домов, доставленных на место установки со всей изоляцией, электрическими панелями, клапанами, датчиками и топливными горелками, уже собранными производителем. Другие методы доставки больше напоминают предшествующую практику эпохи сжигания угля, когда другие компоненты были добавлены на месте либо к предварительно собранному резервуару высокого давления, либо к «разборному» котлу, где резервуар высокого давления поставляется в комплекте. отливок для сборки на месте. Как правило, заводская сборка намного более рентабельна, и сборный котел является предпочтительным вариантом для домашнего использования. Доставка в частично собранном виде используется только при необходимости из-за ограничений доступа - например,когда единственный доступ к месту установки подвала - это спуститься по узкой лестнице.

Safety considerations[edit]

Because the fire-flume boiler itself is the pressure vessel, it requires a number of safety features to prevent mechanical failure. Boiler explosion, which is a type of BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion), can be devastating.

• Safety valves release steam before a dangerous pressure can be built up
• Fusible plugs over the firebox melt at a temperature lower than that of the firebox plates, thereby warning the operators by the noisy escape of steam if the water level is too low to cool the firebox crown safely.
• Stays, or ties, physically link the firebox and boiler casing, preventing them from warping. Since any corrosion is hidden, the stays may have longitudinal holes, called tell-tales, drilled in them which leak before they become unsafe.

The fire-tube type boiler that was used in the Stanley Steamer automobile had several hundred tubes which were weaker than the outer shell of the boiler, making an explosion virtually impossible as the tubes would fail and leak long before the boiler exploded. In nearly 100 years since the Stanleys were first produced, no Stanley boiler has ever exploded.^{[citation needed]}

Economics and efficiencies[edit]

Excessive cycling[edit]

Each time a boiler cycles off and on, it can lose efficiency. When the fire starts combustion efficiency is usually lower until steady state conditions prevail. When the fire stops the warm chimney continues to draw additional air from the interior space until it cools.

Excessive cycling can be minimized

• Modulating boilers can run longer (at firing rates that match the loads) than the non-modulating boilers (which operate at the full firing rate).
  • By using condensing modulating boilers.
  • By using non-condensing modulating boiler.
  • By setting the controls (thermostats or controller with temperature sensors) with greater temperature differentials between STOP and START.
• At Non-Condensing Boilers make provisions so that minimum return water temperature of 130 °F (54 °C) to 150 °F (66 °C) to the boiler to avoid fireside corrosion.
  • By setting the MINIMUM OFF times at 8 to 15 minutes. For comfort heating loads, short time intervals do not usually trigger occupant complaints.^[7]

Common provisions are to provide a primary piping loop with pump(s) and a secondary piping loop with pump(s); and either a variable speed controlled pump to transfer water from the primary loop to the secondary loop, or a 3-way valve to divert water from the secondary loop to the primary loop.^[8]

Fireside corrosion in non-condensing boilers[edit]

A minimum return water temperature of 130 °F (54 °C) to 150 °F (66 °C) to the boiler, depending on the specific design, is used to avoid condensing water vapor from the flue gas and dissolving CO2 and SO2 from the flue gasses forming carbolic and sulfuric acid, a corrosive fluid that damages the heat exchanger.^[9]

Condensing boilers[edit]

Condensing boilers can be 2% or more efficient at lower firing rates by extracting the heat of vaporization from the water vapor in the flue gases. The efficiency increase depends on the fuel and the available energy to be recovered as a fraction of the total. Methane flue gas containing more available energy to recover than propane or fuel oil relatively less. The condensed water is corrosive due to dissolved carbon dioxide and sulfur oxides from the flue and must be neutralized before disposal.^[9]

Condensing boilers have a higher seasonal efficiency, typically 84% to 92%, than non-condensing boilers typically 70% to 75%. The seasonal efficiency is an overall efficiency of the boiler over the entire heating season as opposed to the combustion efficiency which is the boiler's efficiency when actively fired, which excludes standing losses. The higher seasonal efficiency is partly because the lower boiler temperature used to condense the flue gas reduces standing losses during the off cycle. The lower boiler temperature precludes a condensing steam boiler and requires lower radiator temperatures in water systems.

The higher efficiency of operating in the condensing region isn't always available. To produce satisfactory domestic hot water frequently requires boiler water temperature higher than allows effective condensing on the heat exchanger surface. During cold weather the building's radiator surface area is usually not large enough to deliver enough heat at low boiler temperatures so the boiler's control raises the boiler temperature as required to meet heating demand. These two factors account for most of the variability of the efficiency gains experienced at different installations.^[9]

Maintenance[edit]

An intensive schedule of maintenance is needed to keep a high pressure railway steam boiler in safe condition.

Daily inspection[edit]

The tube plates, the fusible plug and the heads of the firebox stays should be checked for leaks. The correct operation of the boiler fittings, especially the water gauges and water feed mechanisms, should be confirmed. Steam pressure should be raised to the level at which the safety valves lift and compared with the indication of the pressure gauge.

Washout[edit]

The working life of a locomotive boiler is considerably extended if it is spared from a constant cycle of cooling and heating. Historically, a locomotive would be kept “in steam” continuously for a period of about eight to ten days, and then allowed to cool sufficiently for a hot-water boiler washout. The schedule for express engines was based on mileage.^[10] Today's preserved locomotives are not usually kept continuously in steam and the recommended washout interval is now fifteen to thirty days, but anything up to 180 days is possible.^[11]

The process starts with a “blowdown” while some pressure remains in the boiler, then the draining away of all the boiler water through the “mudholes” at the base of the firebox and the removal of all the “washout plugs”. Scale is then jetted or scraped from the interior surfaces using a high-pressure water jet and rods of soft metal, such as copper. Areas particularly susceptible to scale buildup, such as the firebox crown and narrow water spaces around the firebox, are given special attention. The inside of the boiler is inspected by sighting through the plug holes, with a particular check paid to the integrity of the firetubes, firebox crown and stays and absence of pitting or cracking of the boiler plates. The gauge glass cocks and tubes and fusible plug should be cleared of scale; if the core of the fusible plug shows signs of calcination the item should be replaced.^[12]

On reassembly care should be taken that the threaded plugs are replaced in their original holes: the tapers can vary as a result of rethreading. The mudhole door gaskets, if of asbestos, should be renewed but those made of lead may be reused; special instructions are in force for the disposal of these harmful materials.^[11] Many boilers today make use of high temperature synthetics for the gaskets for both working environments and in preservation service as these materials are safer than the historic options. At large maintenance facilities the boiler would have been both washed and refilled with very hot water from an external supply to bring the locomotive back to service more quickly.

Periodic examination[edit]

Typically an annual inspection, this would require the removal and check of external fittings, such as the injectors, safety valves and pressure gauge. High-pressure copper pipework can suffer from work hardening in use and become dangerously brittle: it may be necessary to treat these by annealing before refitting. A hydraulic pressure test on the boiler and pipework may also be called for.

General overhaul[edit]

In the UK the specified maximum interval between full overhauls is ten years. To enable a full inspection the boiler is lifted from the locomotive frame and the lagging removed. All firetubes are removed for checking or replacement. All fittings are removed for overhaul. Before returning to use a qualified examiner will check the boiler's fitness for service and issue a safety certificate valid for ten years.^[11]

References[edit]

External links[edit]

Wikimedia Commons has media related to Fire-tube boilers.

• A locomotive boiler
• Picture gallery showing boiler internal features and defects.
• BS EN 12953 is the relevant contemporary standard, which supersedes BS2790.
• US Patent 5558046 – fire-tube boiler suitable for ash-containing fuels