2.7.3. Парогенератори
Розвиток паросилових установок супроводжувався удосконаленням не тільки власне машин, але і парових котлів, які перетворюють енергію згоряння палива в енергію пари.
У період розвитку пароатмосферних машин котли повинні були виробляти пару під тиском чуть більше однієї атмосфери. Одним з перших агрегатів даного призначення був котел Папена, який винахідник вперше оснастив запобіжним клапаном. Котел Уатта був не набагато досконалішим. Робочий тиск пари складав 0,25 атм. Топкові гази омивали дно і бокові поверхні котла, що підвищувало його продуктивність. Вимоги підвищення ККД і потужності парових машин обумовили необхідність збільшення тиску і паропродуктивності котлів.
До 1870 р. в основному використовувався тиск пари в 3 атм., але О.Евансом і С.В. Литвиновим вже випробувалися котли на тиск до 10 атм. Для забезпечення міцності стінок при збільшених робочих тисках, котли виготовляли циліндричної форми і зменшували їх діаметр. У результаті цього, до 1870 р. котел перетворився із посудини в систему труб, по яким пропускалася вода, що випаровувалась - у водотрубних котлах, або проходили гази - у жаротрубних. Еволюція котлів показана на рис. 2.27. Слід відмітити, що водотрубні котли були відомі ще у XVIII в. і використані Д.Фітчем у 1787 р. на його пароплаві, але розповсюдження тоді не одержали. Першим практично придатним водотрубним апаратом став котел француза Ж. Бельвіля, запатентований в 1850 р. Котли за схемою на рис. 2.27, і, розробленою в 40-х рр. Е. Альбаном (1791 - 1846 рр.) у Німеччині XIX в., мали значне поширення. Наприкінці XIX в. вони були витиснені котлами фірми "Бабкок і Вилькокс", конструктором яких був В.Г. Шухов (1853 - 1939 рр.). Для цього часу характерні так звані "вертикальні" і "горизонтальні" водотрубні парові котли. Найчастіше їх виконували секційованими. Так, в котлі Шухова кожна секція мала короткий барабан з 19...21 трубами. Секції при необхідності легко транспортувалися окремо, а на місці експлуатації агрегата з'єднувалися болтами. Схема котла Шухова наведена на рис. 2.28. Найбільше розповсюдження мали "вертикальні" котли Стірлінга з вигнутими трубами і котли Гарбе з прямими трубами. В складі суднових пароустановок використовувалися водотрубні котли з трьома барабанами і прямими (котли Ярроу) або вигнутими (котли Торнікрофта) трубами.
Прагнення одержати пару високого тиску і температури привело до винаходу прямоточних котлів, у яких робоче тіло здійснює одноразове переміщення по водопаровому тракту, змінюючи свій агрегатний стан з рідкого (вода) на газоподібний (перегріта пара). Прямоточний котел був винайдений на початку XX в. англійцем Бенсоном. Його агрегат був роз-
рахований на робочий тиск пари в 70 атм. і температуру перегріву 425°С. Основна ідея Бенсона полягала в тому, щоб забезпечити пароутворення під тиском вищим критичного (224,2 атм.). Для цього вода в змійовиках котла нагрівалася до критичної температури 374°С, при якій зникають фізичні відміни між рідиною і парою. В результаті цього, вода відразу, без закипання, переходить у газоподібний стан, що дозволяє уникнути зайвих поверхонь її нагрівання при одночасному забезпеченні високої компактності конструкції. Однак на практиці виявилося, що котли Бенсона працюють ненадійно і часто виходять з ладу з тої причини, що реалізація описаного режиму перетворення робочого тіла вимагає дотримання точного балансу між кількістю поданих води, палива і повітря, а також кількістю пари, що відводиться. Інакше кажучи - потрібно досконале регулювання котла, здійснити яке в ту пору було практично неможливо.
Перші придатні для промислового використання прямоточні котли були побудовані в СРСР під керівництвом Л.К. Рамзіна (1887 - 1948 рр.). У 1932 р. був пущений дослідний котел з горизонтальним змійовиком паропродуктивністю 3,6 т/год з тиском пари 14,1 МПа, а у 1933 р. - котел продуктивністю 200 т/год. Схема котла Рамзіна показана на рис. 2.29.
Спочатку паливом для котлів служило кускове подрібнене вугілля. В 1867 р. А.І. Шпаковський (1823 - 1881 рр.) розробив метод спалювання розпиленого рідкого палива. Для його реалізаці Шухов, Данилін, Ленц, Берсеньов, Іванов і інші створили форсунки (рис. 2.30). Пізніше Г.Ф. Депп (1854 - 1921 рр.) винайшов спосіб пиловугільного живлення котлів. В другій половині XX в. в якості палива стали застосовувати природний газ.
Із середини XX в. на потужних теплових електростанціях впроваджується блокована схема обєднання котлів і турбін. При цьому котел зв'язується коротким паропроводом з турбіною, рівною йому за потужністю. Ведуться також розробки нових типів котлів (наприклад, з вихровими топками, спалюванням у псевдокиплячому шарі і т.д.).
Необхідність удосконалення котлів обумовлена безупинним зростанням потужності паросилових установок. Якщо у 1900 - 1910 рр. одинична потужність паротурбінного агрегату складала 25 МВт при ККД 4...5%, то у 1950 р. - 150 МВт при ККД 25...30%, а у 1970-х рр. - 1200 МВт при ККД до 38%. Нарощування вказаних параметрів стало можливим в результаті підвищення робочих параметрів пари. У 50-х рр. використовувалася пара тиском 90 атм. при температурі 535°С, у 80 - 90-х рр. тиск досяг 130атм. при температурі до 540°С. Для подальшого збільшення тиску і температури потрібне корінне удосконалювання всіх елементів котлів і використання більш міцних і жаростійких матеріалів.