Із історії становлення котлобудування: внесок інженера В.Г. Шухова в розвиток галузі

У 1680 р. цей учений винайшов паровий котел із запобіжним клапаном, який не тільки оберігав установку від вибуху, а й давав змогу з великою точністю регулювати температуру кипіння води. У 1690 р. він описав замкнений термодинамічний цикл парового двигуна, але створити двигун не зміг [7]. Як зазначив Г.Е. Холодоковський, "у 1707 році парова машина з паровим котлом, відокремленим від циліндрів була запропонована французьким інженером Д. Папеном" [15, с. 144]. У 1765 році винахідник І. І. Ползунов (1728-1766) створив першу в світі парову машину для заводських потреб, яка спочатку виготовлялася з міді, потім з чавуну, і лише наприкінці XVIII століття рівень розвитку чорної металургії дав можливість виготовляти парові котли зі сталевих листів [15, с. 144].

Але з часом, коли стали зростати вимоги щодо використання пару високого тиску в котлобудуванні, конструктори почали збільшувати поверхню нагріву котла, організовуючи обмурівку останнього так, щоб топкові гази відмивали не тільки дно, а й бічні поверхні. І це завдання щодо підвищення паропродуктивності шляхом установки двох-трьох котлів з одноциліндрованим двигуном успішно розв'язав англійський інженер Смітон, Джон (1724-1794) [1, с. 155-156].

Поступове вдосконалення окремих конструктивних елементів, технологічних прийомів і розширення знань привели до першого якісного стрибка в розвитку теплового двигуна. Початок нової ери в історії розвитку парових машин настав 1769 р., коли шотландський інженер, вина- хідник-механік Уатт, Джемс (1736-1819), удосконаливши паро-атмосферну машину англійського інженера Томанса Ньюкомена, отримав патент на парову машину низького тиску з окремим конденсатором, виконаною як балансирна. Таким чином, у машині Д. Уатта вирішальною рушійною силою став не атмосферний тиск, а пружність пари підвищеного тиску, що приводить в дію поршень [14, с. 643-646], але слід зазначити, що за 22 роки до нього таку роботу здійснив Іван Ползунов [2, с. 189]. Д. Уатт надав своєму котлу особою форму, що визначило назву подібних котлів - "вагонний". Димарі котла створювали досить розвинену поверхню нагріву, але були і суттєві недоліки в конструкції цього котла: його стінки були плоскими і нездатними витримати високий тиск, що перешкоджало застосуванню "вагонних" котлів. У двигунах Д. Уатта тиск не перевищував 0. 25 атм. Цю конструкцію "вагонного" котла з низьким тиском можна було використовувати лише для підігріву води, тобто використовувати даний винохід лише для технологічних цілей [1, с. 156], насамперед його застосовували для відкачки води з шахт.

Новий принцип роботи пари потребував повної зміни в устрої машини, особливо циліндра і паророзподілу. Як зазначив Н.Я. Савельєв, "перші два десятиріччя XIX століття характерні широким поширенням парових машин "подвійної дії" тобто типу парової машини Уатта. Але в царській Росії і ці машини зазнали суттєвих змін. В Англії та Угорщині існувала перешкода для вдосконалення парових машин, оскільки Уатту був наданий на 25 років привілей у зміні в конструкції машин" [12, с. 7-8]. Отже, Уатт і Болтон були фактично монополістами у виробництві парових машин".

Інженерам-винахідникам потрібно було знайти оригінальне розв'язання проблеми, щоб збільшити потужність і економічність паросилових установок без підвищення початкового тиску пару. Цю проблему на початку XIX століття розв'язує англійський інженер, винахідник парового молота Несміт Джемс (1808-1890 р.), який в 1842 р. отримав в Англії патент на паровий молот з подвійною дією і згодом удосконалив його [9, с. 915]. Несміт Джемс писав: "...стали застосовувати високий тиск... що змусило інженерів старої школи зомліти зі страху. Але оскільки економічний результат цього підвищеного тиску пари дуже швидко виявився в абсолютно недвозначній формі фунтів, шилінгів і пенсів, парові котли високого тиску при конденсаційних машинах отримали майже загальне поширення" [1, с. 156]. "Високий тиск" Несміта Джемса означав перехід від двигунів з надлишковим тиском 0,05-0,1 атм до тиску, який досягав 0,5-1 атм. Незважаючи на незначний з погляду сучасної техніки досягнутий тиск пари, це було на цей час дуже прогресивним.

Більш надмірний тиск пари для парових машин вперше застосував американський інженер-механік, винахідник Олівер Еванс (1755-1819) в Америці. Він побудував паровий двигун більш надмірного тиску (8-10 атм) з випуском пари в атмосферу. Діаметр жарової труби циліндричного котла з розміщеною в ній топкою був не набагато меншим діаметра барабана котла і, таким чином, котел мав порівняно невеликий об'єм води. Зовнішні газоходи, утворення обмуровки котла, в установці Е. Олівера були не передбачені [1, с. 157]. Е. Олівер відмовився від старих форм котлоагрегатів і використовував циліндричну форму як найбільш доцільну для посудини з високим тиском. Двигун Е. Олівера зберіг всі характерні для того часу конструктивні характеристики. До кінця XIX в. високий тиск досягає меж 13-15 атмосфер [1, с. 156]. Це призвело до зниження витрат палива ще до 3 кг на 1 к.с./год. Пізніше конструктори паровозів стали застосовувати багатоциліндрові парові машини, пари надмірного тиску, пристрій для реверсування [11, с. 125].

Інженер-винахідник парових машин в Російській імперії Степан Васильович Литвинов (1785-1843) протягом 1817-1827 рр. сконструював парові установки, у яких вперше запропонував ряд прогресивних рішень: прямоточний котлоагрегат з примусовою циркуляцією, пароперегрівник, двоступеневе пароутворення [8, с. 220]. А.Ю. Голян-Нікольський наголосив, що С.В. Литвинов уперше висунув ідею прямоточного котла найпростішої конструкції. Винахідник запропонував в систему розпечених ребристих труб подавати насосом високого тиску воду, яка майже миттєво перетворювалася б у перегрітий пар. Нині прямоточні котли є найбільш ефективними. Конструкція прямоточного котла, запропонована С.В. Литвиновим, була досить сміливою [6, с. 45]. У 1824 році цей винахідник сконструйовав один з ранніх котлів високого тиску до (10 атм). Паросилова установка містила в собі ряд новаторських елементів, яка увійшли в теплотехніку лише в XX столітті. Необхідно також зазначити, що в конструкції С.В. Литвинова котел мав ряд суттєвих недоліків: не мав манометра, запобіжних клапанів, а також пристроїв для чищення котла [12, с. 16]. Однак рішення завдання про потужний паровий двигун не могло бути знайдене без застосування пари високого тиску. Але це вимога була пов'язана з іншою вимогою - забезпеченням міцності котла. Для забезпечення міцності котла при підвищенні тиску потрібна була кульова або циліндрична форми котла, що суперечило вимогам збільшення поверхні нагрівання котла.

Це рішення знаходить англієць Галловей: щоб інтенсифікувати процес пароутворення, він запропонував трубки, що дроблять як водяний об'єм, так і газовий тракт котла. Подальше дроблення газового тракту котла на трубки малого діаметра отримало назву димогарних. Найбільш повно застосування димогарних трубок розвинулося в паровозних котлах. Дроблення водяного простору котла у вигляді "двійки", "шістки", "дев'ятки" було досить поширене в котельнях середини XIX століття. Залежно від розташування нижніх труб котлів ці котли називалися "з кип'ятильниками" або "з підігрівниками" [1, с. 159]. Необхідно підкреслити, що котли з кип'ятильниками були вельми поширені у Франції, тому їх іноді називають французькими котлами [5, с. 21]. Надалі почали застосовувати труби ще меншого діаметра (100 мм). Ці труби ефективніше розбивали водяний простір котла, тим самим покращували умови теплообміну. Істотний недолік котлів з кип'ятильниками полягав у тому, що при використанні жорсткої або брудної води мінеральні та інші домішки відкладаються внизу, особливо на вогневому залізному листі, тобто, в найнебезпечнішому місці: завдяки цьому "погано проводять теплоту....швидко псуються... і перегорають" [5, с. 23].

Необхідно було зробити найосновніше: організувати надійну циркуляцію води в водотрубних котлах. Це завдання розв'язав німецький інженер Альбан Ернст (1791-1846), який працював в Англії. Він був одним з перших прихильників пари високого тиску (до 40 атм): в однокамерних і пізніше в двокамерних котлах [1, с. 160]. Водотрубні котли мали одну із переваг: котли з дробленням газового тракту під час введення трубок малого діаметра залишають в основі конструкції навантажений надмірним внутрішнім тиском барабан котла великого діаметру. У той же час ця обставина обмежує застосування котлів даного типу для тисків понад 20-30 атм. А в разі зменшення діаметра барабана парозбірника і винесення його за газовий тракт "відразу ж визначили майбутнє водотрубних котлів як котлів високого тиску" [1, с. 162].

Як зазначив Г.Е. Холодовський, сучасні парові котли були створені в процесі зміни конструктивних форм найпростішого циліндричного парового котла, який представляв собою "циліндр діаметром в 0,9-1 м і довжиною до 10-12 м, укладений в цегляну обмурівку. Нижня половина циліндра омивалася димовими газами, що виходять з топки, розташованої під котлом. Поверхня нагріву... не перевищувала 25 м. кв., їх паропродуктивність 400 кг/год, а робочий тиск пара 10 кг см. кв. Котел займав дуже багато місця, потребував великої затрати матеріалів і мав дуже низький ККД (30%)" [15, с. 144]. Тобто необхідно було вдосконалювати конструкцію парового котла: передбачати підвищення паропродуктивності котельних агрегатів, робочого тиску пари, який виробляється котлом, зменшення габаритів і питомої витрати матеріалів, збільшення коефіцієнта корисної дії. Для розв'язання цих проблем необхідно було збільшити число потоків води і пароциркулюючих усередині циліндричного парового котла і потоків димових газів, що омивають його зовні. Це збільшення числа потоків досягалося двома шляхами: створення газотрубних котлів або створення водотрубних котлів [15, с. 145]. Газотрубні котли парові мали малі габарити і досить високий ККД, але недоліком буде те, що їхня паропродуктивність "обмежена габаритами і не може перевищувати кілька тон на годину, а великий діаметр циліндричної частини котла обмежує тиск пари 15-18 кг/см. кв. Тому зі стаціонарних установок вони повністю витіснені водотрубними котлами" [15, с. 146].

Діяльність почесного члена Академії наук СРСР

Володимира Григоровича Шухова (1853-1939) вражає своєю широтою і багатогранністю. Його наукові та інженерні роботи були спрямовані, головним чином, на розв'язання найважливіших практичних завдань в найрізноманітніших галузях науки і техніки [10, с. 3]. В.Г. Шухов зі своєю винахідливістю, наполегливістю, нестандартним мисленням вирішив найважливіше технічне завдання: створив різні типи водотрубних парових котлів.

Побудова котельних агрегатів високої продуктивності передбачала розвиток знань в галузі теоретичних основ теплотехніки.

В.Г. Шухов ще студентом Вищого технічного училища досконало вивчив основи котлобудування. У дореволюційній Російській імперії було надзвичайно багато різноманітних типів і систем парових котлів, переважно іноземного виробництва. У 1880 р О.В. Барі запрошує В. Г Шухова в Москву очолити проектне бюро в новоствореному ним підприємстві "Будівельній конторі інженера О.В. Барі". У цій технічній конторі в період з 1883 по 1890 р. В.Г. Шухов кілька років керував монтажем і налагодженням секційних котлів фірми "Бабкок-Вількокс", "Штейнмюллер" та ін., що давало змогу провести різнобічні дослідження в галузі котлобудування. Суттєвим недоліком водотрубних секційних котлів з продовженим барабаном була велика вага і висока вартість виготовлення, головним чином через гнуті змієвикові секції з великим числом лючків. Крім іншого, це дуже знижувало надійність роботи котлів через часте пропарювання лючків, що служили для очищення труб від накипу [13, с. 77]. Молодий, енергійний, цілеспрямований фахівець В.Г. Шухов поставив найважливіше завдання: створити нову власну конструкцію недорогого горизонтально-водотрубного котла, "простого в монтажі і зручного в експлуатації" [13, с. 77].

Наприкінці 1890 р. В.Г. Шухов виготовив перший горизонтально-водотрубний котел, "оригінальний і досить перспективної конструкції" [13, с. 77-78]. Котел був виконаний з ряду секцій (від 2 до 5), об'єднаних загальним поперечним сухопарником і грязьовиком. Кожна секція складалася з барабана і приєднаних до нього знизу за допомогою горлових двох трубчастих пучків, розташованих під кутом 10-12 градусів до горизонту. Кожен пучок мав 19, а пізніше - 28 труб діаметром 76/70 мм, набраних у шаховому порядку і з'єднаних за допомогою циліндричних камер (головок діаметром 640 мм). Велике число лючків в секційному котлі фірми "Бабкок-Вількокс" (рівне подвоєному числу труб) було замінено двома збільшеного діаметрами лючками на цілий циліндричний колектор (тобто 19-28 труб). Збільшити поверхню нагріву котла було можна шляхом зміни довжини труб (від 2745 до 5490 мм) або шляхом установки паралельно 2-5 барабанів з однаковими по довжині секціями [13, с. 78].

У 1896 році на Всеросійській художньо-промисловій виставці в Нижньому Новгороді особливу увагу відвідувачів виставки привернули парові котли В.Г. Шухова, лише тому що вони були "зручні в експлуатації, доступні в нагляді і ремонті, а також особливо зручні в збірці і порівняно дешеві з закордонними котлами" [3, с. 14]. Як підсумок копіткої роботи в галузі котлобудування, на Всесвітній виставці в Парижі в 1900 р. за конструкцію горизонтальних трубчастих парових котлів В.Г. Шухов був нагороджений Великою золотою медаллю [4, с. 7-8].

В.Г. Шухов протягом усього життя багато уваги приділяв удосконаленню вітчизняних парових котлів. У 1890 році йому видали патенти на трубчасті парові котли і на вертикальний трубчастий котел, на водотрубний котел - у 1910 році, на водотрубний паровий котел з вертикально розташованими батареями труб - у 1926 році і на повітряний економайзер - 1927 році [3, с. 15] Також слід зазначити, що трубчасті парові екрановані котли В.Г. Шухова стали новим оригінальним досягненням в галузі пароотоплювальной техніки наприкінці XIX ст., тому що "додаткові труби екрану котла збільшують його потужність і коефіцієнт корисної дії" [3, с. 15 ], крім того, В.Г. Шухов замінив при виготовленні котлів своєї системи клепку на зварювання, і вони стали ще більш надійними.

Окрім того, В.Г. Шухов був піонером у стандартизації елементів котельних агрегатів і організації масового виробництва котлів шляхом складання їх на місці з готових, укрупнених, легко транспортованих вузлів.

Висновки

Багаторічна праця В.Г. Шухова в галузі котлобудування висунули цю ділянку науки далеко вперед у порівнянні з рівнем розвитку світової техніки кінця XIX - початку XX століття. Своїми теоретичними працями, розробкою і впровадженням оригінальних за конструкцією і економічних котлів він здійснив вагомий внесок в розвиток теплотехніки. Численні наукові праці, винаходи в царині котлобудування В.Г. Шухова докорінно змінили технологію котлобудівного виробництва, тому спадщина вченого залишила вагомий слід в галузі котлобудування і заслуговує уважного вивчення.

Джерела та література