Лекции / Лекция 1

Dr. Denis Papin (1680), Франция

В 1680 году доктор Дени Папен (1647-1713), французский изобретатель, сконструировал паровой варочный котел для переработки пищевых продуктов, использующий кипящую воду под давлением выше атмосферного. Чтобы контролировать повышение давления пара и предотвратить взрыв, Папен также изобрел самый первый предохранительный клапан для сброса или защиты от избыточного давления.

Папен хорошо известен своими работами по выработке пара, и в 1690 году он опубликовал свою первую работу о паровых двигателях в "De novis quibusdam machinis". Назначение его паровой машины состояло в том, чтобы поднимать воду в канал между городами Кассель и Карлсхафен. Он также использовал паровой двигатель для перекачки воды в резервуар на крыше дворца, чтобы обеспечить водой фонтаны на территории. В 1707 году он написал "Новое искусство перекачивания воды с помощью пара". Папен разработал интегральный компактный дизайн, предложив первый ПГ с внутренней топкой для сжигания угля.

11

Паровоз

Первый успешный паровоз был изобретен британским инженером Джорджем Стивенсоном в 1814 году. Паровой двигатель был способен перевозить до 30 тонн угля со скоростью 6,5 км/ч (4 мили в час) при подъеме в гору. В 1825 году Стивенсон также создал первую общественную железную дорогу для паровозов (Кавендиш, 2014).

12

Позже, в 1830 году, локомотив был принят на вооружение в Соединенных Штатах Америки. Первый американский паровоз был сконструирован Питером Купером, который перевозил 36 пассажиров и развивал скорость 18 миль в час (Институт Франклина, 1885). Подсчитано,

что в период с 1831 по 1953 год для американских железных дорог было построено 176 000 паровозов. Пик пришелся на 1905 год, когда было заказано 6365 двигателей. По мере того как возникала потребность в более крупных и быстрых локомотивах, размеры ПГ (котлов) увеличивались.

Эти ранние котлы были трубчатыми котлами прямого горения и, как таковые, имели ограниченную мощность. Изобретение локомотива и потребность в создании более крупных и быстрых лодок потребовали ПГ,

которые могли бы выдерживать более высокое давление при повышенной паропроизводительности и при этом была бы намного безопаснее за счет уменьшения последствий ее взрыва.

Джон Кокс Стивенс изобрел трубчатый ПГ для использования на паровом судне по реке Гудзон. Интересно, что в конце 18 века изобретателям приходилось отправляться в Англию для получения своих патентов,

поскольку в Северной Америке не существовало аналогичных законов о защите интеллектуальной собственности. Джон Стивенс, будучи юристом,

успешно подал петицию в Конгресс США, и в 1790 году родилось американское патентное право. В 1803 году Стивенс получил патент на свою конструкцию водотрубного котла. Патентное право выжило и развивалось;

однако конструкция водотрубного котла Стивенса просуществовала недолго из-за фундаментальных инженерных проблем, связанных с проектированием,

конструкцией и эксплуатацией. Тем не менее, Джону Коксу Стивенсу следует отдать должное, поскольку основа нынешнего патентного законодательства США возникла из необходимости защитить его конструкцию водотрубного SG (Китто и Штульц, 2005).

13

Прошло почти 50 лет после того, как был получен патент Стивенса на водотрубный котел для нового “прорывного” дизайнерского решения,

призванного оживить и омолодить отрасль производства пара. Stephen Wilcox Jr. предложил революционно новую конструкцию водонагревателя ПГ с наклонными водяными трубками. Внедрение наклонных труб увеличило как поверхность теплопередачи внутри печи, так и циркуляцию воды внутри труб. Уилкокс присоединил водяные трубки к коллекторам холодной и горячей рециркулирующей воды и установил паровой барабан в верхней части конструкции.

В 1866 году он совместно со своим другом детства George H. Babcock

создал первую дизайнерскую и производственную компанию ПГ под названием Babcock, Wilcox and Company. Уже в следующем году им был выдан патент на разработку водотрубного котла, который буквально произвел революцию в индустрии производства пара. Babcock, Wilcox and Company несколько раз меняли названия, но выдержали испытание временем и до сегодняшнего дня остаются настоящим лидером отрасли в области производства пара.

14

В 1875 году Бэбкок и Уилкокс написали «Требования к идеальному паровому котлу». Список включает в себя 12 характеристик, важных для проектирования парового котла. Этот список является исчерпывающим и,

что удивительно, по-прежнему актуален сегодня для проектирования современных систем ПГ, работающих как на ископаемом топливе, так и на АЭС. Требования к идеальному паровому котлу заключаются в следующем:

1.Надлежащее качество изготовления и простая конструкция; использование материалов, которые, как показал опыт, являются лучшими, позволяет избежать преждевременного ремонта.

2.Для сбора всех загрязнений из воды используется грязевой барабан.

3.Обладают достаточной паропроизводительностью и запасом воды для предотвращения колебаний давления или уровня воды.

4.Содержать водяную поверхность для отделения пара от воды, чтобы предотвратить вспенивание.

5.Поддерживайте постоянную циркуляцию воды через котел, чтобы температура всех деталей была одинаковой.

6.Убедитесь, что водное пространство разделено таким образом, чтобы в случае выхода из строя какой-либо секции взрыва не произошло и любые разрушительные последствия были ограничены.

7.Котел не должен испытывать деформаций из-за неравномерного расширения.

8.Камера сгорания должна быть устроена таким образом, чтобы сжигание газов, начатое в печи, могло быть завершено до того, как газы выйдут в дымоход.

9.Располагайте нагревательную поверхность под прямым углом к потокам нагретых газов и извлекайте из газов все доступное тепло.

10.По соображениям безопасности и экономии обеспечьте доступ ко всем деталям для чистки и ремонта.

11.Паровой котел должен быть способен работать на полную номинальную мощность с максимальной экономией.

12.Быть оснащенным лучшими датчиками, предохранительными клапанами и другими приспособлениями.

15