Корнуоллский котёл

Корнуоллский котёл — это тип водотрубного парового котла, разработанный в конце XIX века британским инженером Ричардом Тревитиком и усовершенствованный его последователями. Конструкция представляет собой горизонтальный цилиндрический корпус с одной или двумя жаропрочными трубами (жаровыми трубами), внутри которых размещается топка. Котёл относится к классу жаротрубных котлов, но отличается от классических шотландских и ланкаширских аналогов расположением топки и системой циркуляции воды. Название происходит от графства Корнуолл (юго-западная Англия), где в XVIII–XIX веках активно развивалась горнодобывающая промышленность и требовались эффективные паровые машины для откачки воды из шахт.

История

Предпосылки создания

В начале XIX века в горнодобывающей промышленности Корнуолла остро стояла проблема откачки грунтовых вод из глубоких шахт. Существовавшие паровые машины Ньюкомена и Уатта использовали низкоэффективные котлы с внешним обогревом, что приводило к большим потерям тепла. Ричард Тревитик, работавший инженером на шахтах, в 1802 году предложил конструкцию, в которой топка размещалась внутри жаровой трубы, проходящей через водяной объём. Это позволило значительно увеличить площадь нагрева и снизить расход топлива.

Разработка и внедрение

Первый корнуоллский котёл был установлен в 1812 году на шахте «Долкоат» (Dolcoath) в Корнуолле. Конструкция оказалась настолько удачной, что к 1850-м годам вытеснила более ранние модели. Основные усовершенствования были внесены инженером Уильямом Уэстоном, который в 1840-х годах увеличил длину жаровой трубы до 6–8 метров и добавил вторую трубу для повышения производительности. К 1860-м годам котлы этого типа стали стандартом для паровых машин в горной промышленности, а затем распространились на железные дороги, фабрики и суда.

Упадок и наследие

С развитием водотрубных котлов (например, котлов Бабкока — Уилкокса) в конце XIX века корнуоллские котлы постепенно устарели. Однако их конструкция повлияла на создание ланкаширских котлов (с двумя жаровыми трубами) и котлов с обратным ходом газов. В России корнуоллские котлы применялись на металлургических заводах Урала и в паровозостроении до 1910-х годов. Сегодня единичные экземпляры сохранились в музеях, например, в Музее науки в Лондоне и в Горном музее в Санкт-Петербурге.

Конструкция и принцип действия

Основные элементы

Корнуоллский котёл состоит из:

• Цилиндрического корпуса — горизонтального барабана из котельной стали, заполненного водой.
• Жаровой трубы — одной или двух (в модификациях) цилиндрических труб, проходящих через корпус. Внутри трубы размещается топка — колосниковая решётка с углём или дровами.
• Газоходов — каналов, по которым дымовые газы после прохождения жаровой трубы направляются в дымовую трубу.
• Водяного пространства — объёма между корпусом и жаровой трубой, где вода нагревается и превращается в пар.
• Паросборника — верхней части корпуса, где скапливается насыщенный пар.

Принцип работы

Топливо сжигается на колосниковой решётке внутри жаровой трубы. Горячие газы (температура до 1000–1200 °C) проходят по трубе, нагревая её стенки. Тепло передаётся воде, окружающей трубу, через конвекцию и теплопроводность. Вода в нижней части котла нагревается, становится менее плотной и поднимается вверх, а более холодная вода опускается вниз, создавая естественную циркуляцию. Образующийся пар скапливается в верхней части корпуса и отводится через паровую магистраль к потребителю. Дымовые газы после жаровой трубы поступают в газоходы, где отдают остаточное тепло, и затем выбрасываются в атмосферу.

Особенности

• Высокая тепловая эффективность — до 70–75% за счёт интенсивного теплообмена между газами и водой.
• Низкое давление — обычно до 10–15 атмосфер (1–1,5 МПа), что ограничивало применение в высокотемпературных процессах.
• Простота обслуживания — колосниковая решётка и зольник легко доступны для чистки.
• Большой водяной объём — позволял сглаживать колебания нагрузки, но увеличивал время разогрева (до 2–3 часов).

Классификация

По числу жаровых труб

• Однотрубные — классический корнуоллский котёл с одной жарой трубой. Применялся для маломощных паровых машин (до 50 л. с.).
• Двухтрубные — ланкаширский тип, где две трубы расположены параллельно. Обеспечивал мощность до 200 л. с. и более равномерный нагрев.

По типу топки

• С внутренней топкой — топка находится внутри жаровой трубы (стандартный вариант).
• С выносной топкой — топка располагается снаружи, а газы поступают в трубу через канал. Использовался редко, для сжигания низкокалорийного топлива.

По расположению

• Горизонтальные — основная масса котлов.
• Вертикальные — экспериментальные образцы, не получившие распространения.

Применение

Горнодобывающая промышленность

Корнуоллские котлы были основным источником пара для паровых машин, откачивающих воду из шахт. В Корнуолле в 1850-х годах на каждой крупной шахте работало от 3 до 10 таких котлов. Они обеспечивали непрерывную работу насосов мощностью до 500 л. с.

Паровозы

В 1830–1860-х годах корнуоллские котлы устанавливались на ранних паровозах (например, «Ракета» Стефенсона была модифицирована под этот тип). Однако из-за большого веса и низкой паропроизводительности их быстро вытеснили котлы с трубчатыми пучками.

Промышленность

На текстильных фабриках, металлургических заводах и сахарных заводах корнуоллские котлы использовались для привода паровых машин и отопления. В России они применялись на Уральских заводах (например, в Нижнем Тагиле) до 1910-х годов.

Судостроение

На небольших пароходах и буксирах корнуоллские котлы устанавливались до 1880-х годов, но уступили место более компактным водотрубным конструкциям.

Интересные факты

• Первый корнуоллский котёл был изготовлен из кованого железа, так как сварка ещё не была развита. Соединения листов выполнялись заклёпками.
• В 1840-х годах для повышения КПД инженер Уильям Уэстон предложил использовать вторичный подогрев воздуха, подаваемого в топку, за счёт отходящих газов.
• В России корнуоллские котлы производились на Брянском заводе и Коломенском заводе, но в небольших количествах.
• Один из крупнейших корнуоллских котлов (длина 12 м, диаметр 2,5 м) был установлен в 1870 году на шахте «Ла-Мотт» во Франции и проработал до 1920 года.
• Несмотря на устаревание, корнуоллские котлы изучаются в курсах истории техники как пример раннего применения жаротрубной конструкции.

Источники

• Р. Тревитик, «Описание парового котла для шахт», 1812.
• У. Уэстон, «Усовершенствования в паровых котлах», 1845.
• «История паровой техники», под ред. А. И. Шишкова, 1956.
• «Котельные установки», учебник для вузов, 1978.
• Музей науки (Лондон), экспозиция «Паровые машины».
• Горный музей (Санкт-Петербург), каталог экспонатов.