Паровой насос

Паровой насос — это тип насосного оборудования, в котором в качестве источника энергии для перемещения жидкости (обычно воды) используется энергия водяного пара. Относится к классу тепловых двигателей, преобразующих тепловую энергию пара в механическую работу по перекачиванию. В зависимости от конструкции, паровые насосы могут быть поршневыми (прямого действия), центробежными (паротурбинными) или струйными (пароэжекторными). Исторически паровые насосы стали первыми промышленными устройствами, позволившими эффективно откачивать воду из шахт и обеспечивать водоснабжение городов до широкого внедрения электрических насосов.

История

Ранние прототипы

Первые известные попытки использовать пар для подъёма воды относятся к античности. Герон Александрийский в I веке н. э. описал устройство «эолипил» — прообраз паровой турбины, который, однако, не применялся для перекачивания жидкостей. В XVII веке ряд изобретателей, включая Джованни Бранка (1629) и Соломона де Ко (1615), предлагали проекты паровых водоподъёмных машин, но они остались на уровне чертежей или единичных опытов.

Изобретение Томаса Севери

Первым практически работающим паровым насосом считается «друг рудокопа» (Miner's Friend), запатентованный английским инженером Томасом Севери в 1698 году. Устройство работало по принципу прямого контакта пара с водой: пар из котла подавался в герметичную камеру, затем камера охлаждалась (например, обливалась холодной водой), пар конденсировался, создавая вакуум, и вода засасывалась из шахты. После этого в камеру снова подавался пар, выталкивающий воду вверх. Насос Севери был простым, но имел низкий КПД (из-за потерь тепла при конденсации) и не мог поднимать воду на большую высоту (обычно не более 10–12 метров). Тем не менее, он нашёл применение в угольных шахтах Англии для осушения неглубоких выработок.

Паровой насос Ньюкомена

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен создал более совершенную паровую машину, которая также использовалась как насос. В отличие от аппарата Севери, в машине Ньюкомена пар подавался в цилиндр с поршнем. Поршень соединялся с балансиром, который приводил в действие штанговый насос. Цикл работы включал впуск пара в цилиндр, его конденсацию (впрыском холодной воды), создание вакуума и обратный ход поршня под давлением атмосферы. Машина Ньюкомена была значительно мощнее и надёжнее, позволяла откачивать воду с глубин до 50 метров. Она стала основным средством осушения шахт в XVIII веке и сыграла ключевую роль в развитии промышленной революции.

Паровой насос Уатта

В 1760–1780-х годах шотландский инженер Джеймс Уатт внёс ряд усовершенствований, которые кардинально повысили эффективность паровых насосов. Главным нововведением стал отдельный конденсатор, что позволяло цилиндру оставаться горячим, снижая потери тепла. Уатт также добавил паровую рубашку для поддержания температуры цилиндра и механизм двойного действия (пар подавался поочерёдно с обеих сторон поршня). Машина Уатта стала первым универсальным паровым двигателем, который использовался не только для откачки воды, но и для привода различных механизмов. Однако в насосном варианте она оставалась востребованной для водоснабжения городов (например, насосная станция в Сохо, Лондон).

Развитие в XIX–XX веках

В XIX веке с развитием пароходства и железных дорог возникла потребность в компактных и мощных насосах. Появились паровые насосы прямого действия (без кривошипно-шатунного механизма), где паровая и водяная части объединялись в одном блоке. Такие насосы (например, насосы Вортингтона) отличались простотой и надёжностью. Параллельно развивались паротурбинные насосы: паровая турбина вращала центробежное колесо, что позволяло перекачивать огромные объёмы воды (например, для систем охлаждения электростанций). В XX веке, с электрификацией, паровые насосы постепенно вытеснялись электрическими, но оставались в эксплуатации на предприятиях с избытком пара (например, на тепловых электростанциях, в котельных, на нефтеперерабатывающих заводах).

Классификация

Паровые насосы классифицируются по нескольким признакам.

По принципу действия

• Поршневые (прямого действия). Паровая часть (цилиндр с поршнем) механически соединена с водяной частью (насосным цилиндром). Различают насосы одинарного и двойного действия. В насосах одинарного действия вода перекачивается только при движении поршня в одну сторону, в насосах двойного действия — в обе стороны.
• Центробежные (паротурбинные). Паровая турбина вращает рабочее колесо насоса. Такие насосы обеспечивают высокую производительность (до десятков тысяч кубометров в час) и используются для подачи воды в котлы высокого давления или для циркуляции в системах охлаждения.
• Струйные (пароэжекторные). В них пар, вытекая с большой скоростью из сопла, увлекает за собой жидкость (или газ) за счёт разрежения. Применяются для откачки конденсата, создания вакуума или перекачки агрессивных сред, где нежелателен контакт с движущимися частями.

По типу привода

• С непосредственным приводом — паровая машина и насос объединены в одном агрегате (часто на общем штоке).
• С приводом через редуктор или муфту — паровая машина или турбина вращает насос через передаточный механизм.

По назначению

• Шахтные — для осушения горных выработок.
• Водопроводные — для подачи воды в городские сети.
• Котловые — для питания паровых котлов водой (питательные насосы).
• Дренажные — для откачки грунтовых вод, конденсата.
• Пожарные — для подачи воды в системы пожаротушения (исторически).

Устройство и принцип работы

Поршневой паровой насос прямого действия

Основные элементы:

• Паровой цилиндр — в нём движется паровой поршень под действием давления пара.
• Золотниковое парораспределение — механизм, поочерёдно направляющий пар в левую и правую полости цилиндра.
• Водяной цилиндр — в нём движется водяной поршень, жёстко соединённый с паровым (через общий шток).
• Всасывающий и нагнетательный клапаны — обеспечивают однонаправленное движение воды.

Принцип работы: пар из котла поступает в паровой цилиндр, толкая поршень. Поршень через шток движет водяной поршень, который вытесняет воду из водяного цилиндра через нагнетательный клапан. Одновременно с другой стороны водяного цилиндра вода засасывается через всасывающий клапан. Затем золотник переключает подачу пара, и поршень движется в обратную сторону. Цикл повторяется. Регулировка скорости осуществляется изменением подачи пара.

Паротурбинный насос

Состоит из паровой турбины (сопловой аппарат, рабочие лопатки) и центробежного насоса (рабочее колесо, корпус, направляющий аппарат). Пар под высоким давлением расширяется в соплах, приобретает большую скорость, ударяет в лопатки турбины, заставляя ротор вращаться. Вращение передаётся на вал насоса, который раскручивает рабочее колесо. Жидкость центробежной силой отбрасывается к периферии, создавая давление.

Применение

Промышленность

В XIX — начале XX века паровые насосы были основным типом насосного оборудования на заводах, фабриках, в шахтах. Они использовались для:

• откачки воды из угольных, рудных и соляных шахт;
• подачи воды в паровые котлы (питательные насосы);
• водоснабжения промышленных предприятий и городов;
• перекачки нефти и нефтепродуктов (на ранних нефтепромыслах).

Энергетика

На тепловых электростанциях паровые насосы (особенно турбопитательные) применяются для подачи воды в котлы высокого давления. Они остаются в эксплуатации на многих ТЭС и АЭС, где пар является рабочим телом. Пароэжекторные насосы используются для удаления воздуха из конденсаторов турбин (создание вакуума).

Коммунальное хозяйство

До массовой электрификации паровые насосы обеспечивали водоснабжение крупных городов. Например, в Москве в конце XIX века действовали паровые насосные станции (Рублёвская, Алексеевская), которые подавали воду из Москвы-реки в городскую сеть. В Санкт-Петербурге паровые насосы использовались на Главной водопроводной станции.

Судоходство

На пароходах паровые насосы применялись для откачки трюмной воды, подачи воды в котлы, для работы систем пожаротушения и балластных систем.

Современное состояние

Хотя электрические насосы доминируют, паровые насосы продолжают использоваться:

• на предприятиях с большим количеством отработанного пара (например, на сахарных заводах, в целлюлозно-бумажной промышленности);
• в системах, где требуется высокая надёжность и независимость от электроснабжения (например, на нефтяных платформах, в резервных системах);
• в качестве аварийных насосов на атомных станциях (паровые турбонасосы могут работать при полной потере электропитания).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Независимость от электричества — работают на паре, что важно для объектов с избытком пара или в условиях отсутствия электросети.
• Простота регулировки — скорость поршневого насоса легко изменяется подачей пара.
• Высокая надёжность — поршневые паровые насосы могут работать десятилетиями без серьёзных поломок при правильном обслуживании.
• Способность перекачивать загрязнённые жидкости — некоторые конструкции (например, диафрагменные паровые насосы) могут работать с абразивными или вязкими средами.

Недостатки

• Низкий КПД — по сравнению с электрическими насосами, паровые имеют значительно меньший коэффициент полезного действия (обычно 5–15%).
• Громоздкость — паровые насосы требуют котла, паропроводов, конденсатора, что увеличивает занимаемую площадь.
• Необходимость в источнике пара — для работы требуется котельная установка.
• Высокие эксплуатационные расходы — затраты на топливо, обслуживание котлов, очистку воды.
• Шум и вибрации — особенно у поршневых машин.

Интересные факты

• Самый мощный паровой насос в истории был установлен на насосной станции Крю-Крю (Англия) в 1851 году. Он имел мощность около 500 л. с. и поднимал 10 000 тонн воды в час.
• В России первый паровой насос для водоснабжения был установлен в Санкт-Петербурге в 1863 году на Адмиралтейской верфи.
• Паровые насосы до сих пор производятся некоторыми компаниями (например, Spirax Sarco, Watson-Marlow) для специальных применений.
• В музеях мира сохранилось множество действующих паровых насосов, которые демонстрируются на фестивалях старинной техники.

Источники

• Данилевский В. В. «Русская техника». — Л.: Лениздат, 1947.
• Заблоцкий В. П. «Паровые машины и насосы». — М.: Машгиз, 1952.
• Кириллин В. А. «Энергетика. История и современность». — М.: Наука, 1984.
• Розенберг Г. Д. «Паровые насосы и их применение». — СПб.: Типография И. Н. Скороходова, 1898.
• Hills R. L. «Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine». — Cambridge University Press, 1989.