Размеры парового котла

При обсуждении простейших пароходов быстро всплывает проблема котла. Он должен быть ОЧЕНЬ большим. На первых пароходах с их скромными скоростями в 5-7 узлов паровая машина занимала треть судна, в основном за счет котла. Почему? Короткий ответ — теплопроводность.

Хорошо известный по повседневному опыту факт — горячее тело отдает тепло холодному. Простейший случай — прохождение тепла через пластину, на разных сторонах которой поддерживается разная температура. Скорость передачи тепла прямо пропорциональна площади пластины, разнице температур на ее сторонах, способности ее материала проводить тепло и обратно пропорциональна ее толщине. Попросту говоря большая пластина из тонкого металла пропустит больше тепла чем маленькая, но толстая, деревянная; при увеличении разницы температур тепловой поток усилится, при уменьшении ослабнет.

Разные материалы по разному проводят тепло, именно потому инкубатор окружают слоем опилок, а не чугунной стенкой. Чем толще слой, тем меньше теплопотери, именно поэтому стенки металлургических печей такие толстые. В этих случаях нам хочется уменьшить поток тепла, в котле же нам надо максимально увеличить теплопередачу.

Во времена Уатта использовалось простое правило — квадратный ярд котла на лошадиную силу паровой машины. При типичном КПД порядка 5 процентов это примерно 5 киловатт тепла с квадратного метра. Несложно прикинуть что если попаданец не сможет изготовить котел из сотен труб и будет вынужден довольствоваться обычным цилиндрическим, то его размеры будут быстро увеличиваться. Скажем цилиндрический котел с диаметром в 4 метра и длиной в 8 метров будет вмещать одной воды под сотню тонн, при этом выдавать пара всего на 90 лошадиных сил.

Может ли попаданец улучшить эту цифру?

Простейший способ увеличить количество пара с котла — просто поместить его в большую топку. Перепад температуры между кипящей водой и топочными газами составит сотни градусов и теплообмен резко усилится. Проблема в том что тепло будет не успевать переходить от пламени к воде. Из трубы будет идти очень горячий воздух, унося с собой большую часть тепловой энергии и КПД котла и всей паровой машины резко упадет.

Если мы не можем увеличить площадь котла, мы можем попробовать применить более тонкие листы или металл который лучше проводит тепло. Но обычное железо пропускает через себя 10 кВт тепла(в два раза больше!) на квадратный метр уже при ничтожном перепаде температуры в один градус. Поэтому уменьшение толщины стенок или использование меди практически не изменит ситуацию. Вода обладает небольшой теплопроводностью, но при закипании ее активно перемешивает возникающий пар, поэтому теплопроводность воды также не является узким местом. Проблема котла лежит в низкой теплопроводности воздуха, а с ней попаданец ничего не может поделать.

Проблема размеров котла решается при увеличении давления в нем. Дело в том что большая часть энергии в паровой машине уходит на нагрев воды до 100 градусов(320 кДж на кг если греть 20 градусную воду) и превращение ее в пар(2260 кДж на кг). Эти затраты позволят нам получить пар с атмосферным давлением. На то, чтобы удвоить давление пара надо потратить всего 40 кДж. Потратив на полтора процента больше тепла мы увеличим совершаемую паром работу на 75 процентов! Если нам нужно меньше пара для той же мощности, то мы можем обойтись котлом поменьше. Но для этого нам придется увеличить температуру пара, что сразу создаст проблему с примитивными прокладками из пеньки и смазкой из органического масла. Применение больших давлений потребовало улучшения технологии, которого удалось добиться лишь к началу второй трети девятнадцатого века.

На этом моменте обычно вспоминают про чудесный прямоточный котел. Вот как выглядит типичное попаданческое решение.

В свое время, когда я еще не был уверен, что отправлюсь в прошлое, но вполне допускал такой вариант, я познакомился с одним живущим в соседнем доме пенсионером, увлекающимся историей парового флота. Когда я сказал ему, что на технологиях середины девятнадцатого века можно создать котел с давлением в пятьдесят атмосфер, он долго смеялся, а потом объяснил мне, что тогда даже пять были недостижимой мечтой, а двадцатиатмосферный рубеж с трудом преодолели к первой мировой, да и то далеко не все. Так как свободного времени у меня было до фига, а, кроме того, хотелось проверить кое-какие мысли, то я предложил ему пари, что сделаю такой котел, причем максимум за неделю и из подручных материалов, используя свой настольный станок «Универсал».

И действительно сделал, причем довольно просто. Ведь прямоточный котел представляет из себя всего лишь змеевик, нагреваемый пламенем горелки. Вода подается в него под давлением, и, согласно проходимой еще в средней школе физике, под точно таким же давлением с противоположного конца трубки свищет пар. И от конструктора требуется только подобрать такую трубку, которая выдержит заданное давление.

Насос я сделал очень просто, в виде толстостенного вертикального цилиндра. В него заливалась вода, а сверху под давлением подавался углекислый газ из баллона. Затем намотал из толстостенной медной трубки трехслойную спираль, теплоизолировал ее асбестом, просунул внутрь сопло паяльной лампы и пригласил соседа на испытания. Пока не кончилась вода в цилиндре-насосе, мое устройство исправно гнало пар под давлением в семьдесят атмосфер.
Что интересно, сосед обиделся. Как же так, в авторитетных источниках написано одно, а тут какой-то с трудом закончивший заочный институт самоучка все делает не так, то есть неправильно, но оно у него почему-то работает!

Человек просто не учел масштабного фактора. Ибо то, что невозможно для мощности в десятки тысяч лошадиных сил, может оказаться вполне работающим на просто десятках, без тысяч. Но на малых кораблях в основном используются дизели, поэтому такая схема и не получила распространения. Однако на «Чайке» у нас стояли примерно такие котлы, только с более сложными водяными насосами и конденсаторами отработанного пара. «Эмигранты», Величко А. Ф.

Внимательному читателю уже понятно в чем тут дело. Описанная конструкция вполне реальна, проблема лишь в том что она не улавливает большую часть тепла пламени паяльной лампы и КПД такого котла смехотворно мал. К тому же речь идет о очень небольшой мощности. Котел способный обеспечить работу паровой машины в десяток лошадиных сил выдавал бы порядка 40-50 литров пара в секунду и быстро превратил бы комнату в сауну. Прямоточность не решает проблемы низкой теплопроводности воздуха, так неохотно отдающего энергию стенкам котла.

Каковы его преимущества? Такой котел может быть устроен относительно просто — несколько спиралей из гнутых труб, такую конструкцию любили ставить на паровые автомобили. В более сложной конструкции поток топочных газов идет противотоком относительно воды. Это позволяет чуть улучшить КПД котла. Дело в том, что обычный котел, выдающий пар с температурой в 150 градусов не может остудить топочные газы до более низкой температуры. Прямоточный котел на начальном участке содержит холодную воду, которая способна отобрать еще несколько джоулей тепла.

Эти достаточно скромные достоинства прямоточного котла плохо компенсируют его недостатки. Такой котел капризен к чистоте воды — ведь вода окончательно превращается в пар на небольшом участке и все примеси выпадают на стенки именно там. Он куда капризней к постоянству режима — колебания в количестве воды и тепла приведут к скачкам давления или перегреву стенок.

Так что легко доступного попаданцу способа уменьшить размеры котла просто не существует.

Источник: Попаданцев.Нет