Нагреваем котел, испаряем воду, пускаем полученный пар толкать цилиндр. Вуаля - мы преобразовали тепловую энергию в механическую и создали двигатель. Энергию пара, в отличие от того же электричества, легко представить просто вспомнив клубы пара из-под крышки кастрюли или мощные свистки чайника на плите. Но не ведитесь на эти уловки. Как и любая прорывная технология, паровая машина, будучи концептуально очень примитивной, на пике своего развития представляла собой сложный, интересный механизм. Причем, это развитие справедливо как для устройства в целом, так и для его составных частей.

Взять хотя бы этот самый котел, который обязательно упоминается в теме паровых машин и очевидно предназначен для нагрева воды и преобразования ее в пар. При слове “котел” первое, что приходит на ум - это некая кастрюлька на огне и, в целом, сравнение верное. Первые его конструкции, например, в паровой машине Ньюкмена, действительно выглядели как резервуар с водой, подогреваемый снизу, словно чайник. Днище котла обогревалось пламенем, а боковины — горячими продуктами горения, поднимающимися вокруг него.

Для чайника такой примитивный метод нагрева а ля “поставьте жепой на огонь” - вполне рабочий, так как количество нагреваемой жидкости невелико, до пара нам ее доводить не надо, и уж тем более нам не требуется высокое давление. Однако представим, что вы ужасно социальная персона где-то во второй половине 19 века и вот вам позарез надо нагреть много воды для много гостей. Вы можете просто греть чайник в несколько подходов или греть много чайников одновременно, а можете выбрать путь интереснее и апгрейднуть его до новой версии, добавив эпатажа и увеличив размеры. Теперь, чтобы такая большая емкость быстро нагревалась, нам надо увеличить площадь контакта воды с нагревательными поверхностями, и только подогрева дна сосуда нам будет недостаточно. Так что давайте прямо в середине нашего чайника, прямо в нагреваемой воде воткнем трубу от топки под днищем, и будем по ней пускать горячие продукты горения. Поздравляю, мы изобрели самовар. Ну или же - газотрубный котел.

Концептуально самовар представляет собой следующий после чайника этап развития котлов, с более эффективным способом нагревания воды. Точно так же происходило и с паровыми машинами, когда их котлы стали оснащать жаровыми трубами, пронизывающими его корпус. Как уже было сказано, трубы увеличивали поверхность обогрева, повышали паропроизводительность и как итог, повышали давление, которое было необходимо для работы двигателя. Первыми такими газотрубными моделями стали корнваллийские котлы с одной здоровенной жаровой трубой внутри. Свое название они получили благодаря месту своего применения - рудникам Корнуолла в Великобритании.

Здесь сразу назревает вопрос: зачем делать одну трубу, если можно две? Не мы одни такие умные, так что вскоре за корнваллийскими котлами появились ланкаширские - уже с двумя или тремя жаровыми трубами. Опять же названы эти котлы в честь графства Ланкашир, где с помощью них велась активная добыча угля и железа. Таким образом, наш старый добрый самовар можно считать корнваллийским котлом вертикального типа (ну или корнвалиийский котел можно считать горизонтальным самоваром, тут на ваш вкус).

Включив нашего внутреннего изобретателя и немного поразмыслив, мы быстро придем к выводу, что просто увеличивать количество больших жаровых труб в котле неэффективно. Объем, который занимает такая труба растет кубически, а необходимая нам площадь поверхности, от которой распространяется жар – квадратично. Поэтому, чтобы у нас все еще оставалось место для воды, гораздо разумнее будет провести в котле каналы тонкого сечения, при этом многократно увеличив их количество. Это, собственно, следующая ступень развития нагревательных котлов – трубчатые котлы с сетью тонких дымогарных труб.

Да, все верно. Для этих труб стали употреблять новое слово, хотя по сути своей это были просто жаровые трубы малого сечения. Про термины мы еще скажем пару слов, но что главное - с изобретения дымогарных труб, собственно, и начинается полноценная эпоха паровозов. Благодаря им в 1829 году Джордж Стефенсон выиграл соревнования на своей “Ракете”, в котле которой он установил сразу 25 дымогарных труб, резко увеличив парообразование.

Трубчатые котлы без принципиальных изменений использовались на паровозах до самого заката эпохи пара. Наверняка на старых фотографиях взорвавшихся паровозов вы видели такое металлическое вермишельное месиво - вот это и есть дымогарные трубы.

Здесь стоит вспомнить о небольшой путанице в терминах. После изобретения пароперегревателей (дополнительной фичи для повышения давления) «жаровыми» трубами стали называть большие каналы, внутри которых проходили более тонкие трубы с паром, как раз для его большего, повторного нагрева. То есть жаровые трубы после очередного апгрейда паровых машин приобрели новую функцию, а вот название осталось за ними просто по причине большого сечения, в память об изначальных трубах корнвалиийских и ланкаширских котлов .

Короче, даже такая примитивная штука как паровой котел может иметь свои ступени развития: от «чайника» с малой площадью нагрева через дно, через стадию газотрубного «самовара» с большими жаровыми трубами - к вермишельной хтони дымогарных труб. После этого, дальнейшее увеличение давления в паровых машинах ограничивалось уже не слабым нагревом в котлах, а их прочностью. Об этом мы поговорим уже в следующий раз.

Автор - Александр Грибоедов

Статья написана для паблика CatScience. А ещё у нас есть телега )

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!