Котёл Бельвиля

Котёл Бельвиля — это тип водотрубного парового котла, отличающийся использованием изогнутых (змеевиковых) труб, образующих пучки, и развитой поверхностью нагрева. Конструкция была разработана во второй половине XIX века французским инженером Жюльеном Бельвилем (Julien Belleville) и получила широкое распространение в кораблестроении, стационарной энергетике и на железнодорожном транспорте, особенно в период с 1880-х по 1910-е годы.

История

Предпосылки создания

К середине XIX века основным типом парового котла был цилиндрический (жаротрубный) котёл, в котором продукты сгорания проходили внутри труб, омываемых водой. Такие котлы были относительно просты, но имели существенные недостатки: низкое рабочее давление (обычно до 10–12 атмосфер), большую массу на единицу мощности и опасность взрыва при перегреве стенок. Развитие паровых машин требовало повышения давления и температуры пара, что стимулировало поиск новых конструкций.

Изобретение и патент

Жюльен Бельвиль, работавший в области судовой механики, в 1850 году представил проект водотрубного котла, в котором вода и пар движутся внутри труб, а топочные газы омывают их снаружи. В 1855 году он получил французский патент на свою конструкцию. Первые образцы были изготовлены на заводе в Сен-Дени (Франция). Ключевым нововведением Бельвиля стало использование труб малого диаметра (около 35–50 мм), изогнутых в виде змеевиков, что позволяло значительно увеличить площадь поверхности нагрева при компактных габаритах.

Распространение

В 1870–1880-х годах котлы Бельвиля начали устанавливать на военных кораблях французского флота, а затем и на коммерческих судах. К началу XX века они стали одним из самых распространённых типов водотрубных котлов. В России котлы Бельвиля производились по лицензии на ряде заводов, например, на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге, и использовались на броненосцах, крейсерах и миноносцах. В стационарной энергетике они применялись на электростанциях и фабриках. С появлением более совершенных конструкций (котлы Ярроу, Никлосса, Бабкок-Уилкокс) в 1910–1920-х годах котлы Бельвиля постепенно вытеснялись, хотя отдельные экземпляры эксплуатировались до середины XX века.

Конструкция и принцип действия

Основные элементы

Котёл Бельвиля состоит из следующих основных частей:

• Топка — камера сгорания, где сжигается топливо (уголь, мазут, газ). Располагается в нижней части котла.
• Элементы (змеевики) — основные теплообменные элементы. Представляют собой трубы, изогнутые в виде плоских спиралей или петель, собранные в пучки. Каждый элемент состоит из нескольких параллельных труб, соединённых коллекторами.
• Верхний и нижний коллекторы — горизонтальные цилиндрические барабаны, к которым крепятся концы труб. Верхний коллектор служит для сбора пара, нижний — для подачи воды.
• Паросборник (пароотделитель) — цилиндрический резервуар, расположенный выше верхнего коллектора, в котором происходит отделение пара от воды.
• Экономайзер — дополнительный теплообменник, устанавливаемый в газоходе для подогрева питательной воды за счёт тепла уходящих газов.
• Обмуровка — огнеупорная кладка, образующая газоходы и изолирующая топку.

Принцип работы

Вода подаётся в нижний коллектор, откуда поступает в трубы змеевиков. В топке сжигается топливо, и горячие газы омывают трубы снизу вверх. Вода в трубах нагревается, закипает, и образовавшаяся пароводяная смесь поднимается в верхний коллектор. Там пар отделяется от воды и направляется в паросборник, а затем к потребителю. Оставшаяся вода смешивается с питательной водой и снова поступает в нижний коллектор. Циркуляция воды в котле является естественной (за счёт разности плотностей холодной и горячей воды) или принудительной (с помощью насоса).

Особенности конструкции

• Модульность — котёл состоит из отдельных элементов (змеевиков), которые могут быть заменены или отремонтированы по отдельности.
• Развитая поверхность нагрева — за счёт змеевиковой формы достигается большая площадь теплообмена при относительно малом объёме воды.
• Высокое давление — конструкция позволяет работать при давлениях до 20–25 атмосфер и выше.
• Быстрый разогрев — малый водяной объём обеспечивает быстрое достижение рабочего режима (от 15 до 30 минут).

Классификация

Котлы Бельвиля классифицируются по нескольким признакам:

По типу топки

• С ручной загрузкой — для твёрдого топлива (уголь, дрова), с колосниковой решёткой.
• С механической топкой — для угольной пыли, мазута или газа, с форсунками и горелками.

По назначению

• Судовые — компактные, с высокой паропроизводительностью, предназначенные для установки на кораблях.
• Стационарные — для электростанций, фабрик, отопления.
• Локомобильные — для паровозов и самоходных машин (редко).

По числу элементов

• Одноэлементные — один змеевик (маломощные).
• Многоэлементные — несколько параллельных змеевиков (основной тип).

Применение

Военно-морской флот

Котлы Бельвиля активно использовались на боевых кораблях многих стран, особенно во Франции и России. Например, на российских броненосцах типа «Бородино» (1901–1904) устанавливались котлы Бельвиля системы завода «Бельвиль-Сен-Дени». Они обеспечивали скорость до 18 узлов. На французских крейсерах и линкорах котлы этого типа стояли вплоть до Первой мировой войны.

Гражданское судоходство

На пассажирских и грузовых судах котлы Бельвиля применялись для привода паровых машин и турбин. Их преимуществом была возможность работы на низкокачественном угле и быстрый разгон.

Стационарная энергетика

На электростанциях конца XIX — начала XX века котлы Бельвиля использовались для выработки пара, питающего паровые турбины. Они устанавливались на многих промышленных предприятиях, в том числе в текстильной и металлургической промышленности.

Железнодорожный транспорт

В паровозостроении котлы Бельвиля применялись реже, чем жаротрубные, из-за сложности обслуживания и большей чувствительности к качеству воды. Однако некоторые паровозы (например, французские серии 230) оснащались такими котлами.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая паропроизводительность при компактных размерах.
• Быстрый выход на рабочий режим.
• Возможность работы при высоких давлениях (до 20–25 атм).
• Модульность конструкции, облегчающая ремонт.
• Относительно низкая пожароопасность (малый объём воды).

Недостатки

• Сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.
• Чувствительность к качеству питательной воды — накипь на внутренних поверхностях труб приводила к перегреву и разрушению змеевиков.
• Трудность очистки труб от накипи (из-за изогнутой формы).
• Необходимость квалифицированного обслуживания.
• Меньшая надёжность по сравнению с жаротрубными котлами при длительной эксплуатации.

Интересные факты

• Котлы Бельвиля устанавливались на знаменитом французском броненосце «Жорегиберри» (1893), который отличался высокой скоростью хода.
• В России котлы Бельвиля производились по лицензии на заводе «Бельвиль-Сен-Дени» в Санкт-Петербурге, а также на Балтийском и Путиловском заводах.
• Конструкция котла Бельвиля послужила прототипом для многих последующих водотрубных котлов, в том числе котлов системы Ярроу и Никлосса.
• В 1900 году на Всемирной выставке в Париже котёл Бельвиля был удостоен золотой медали за инновационность.

Источники

• Бельвиль, Жюльен. «Паровой котёл системы Бельвиля». Париж, 1885.
• Сборник «История паровой техники». Под ред. А. Н. Боголюбова. М.: Машиностроение, 1964.
• Техническая энциклопедия. Том 10. М.: ОГИЗ, 1931.
• «Судовые паровые котлы». Учебное пособие. Л.: Судостроение, 1972.
• Материалы музея «Балтийский завод» (Санкт-Петербург).