Паровой котел своими руками

Обновлено: 03.07.2024

В ней мы построили реально работающий паровой двигатель, который должен стать главной частью будущего парового мотоцикла, и даже провели пробные эксперименты по его запуску на воздухе.

Теперь нужно решить энергетический вопрос. И тут начинаются основные отличия от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В таких двигателях бензин, смешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр двигателя и при воспламенении этой воздушно-топливной смеси выделяется энергия. Расширившиеся продукты горения давят на поршень, производя работу. Но вот у паровых машин, энергия рождается не в двигателе. Она рождается в котле. Котёл производит пар, который в свою очередь и будет давить на поршень нашего двигателя. Эту древнюю энергию нам и требуется обуздать!

Устройство

Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках. (Википедия)

Существует два основных типа котлов: классический и прямоточный. Первый тип чаще всего использовался для работы паровых машин. Его можно описать как железный резервуар, в который врезана топка. Топливо горит в топке, обогревая воду в резервуаре. Вода в нём начинает кипеть и создаётся пар под давлением. Такой тип использовался на паровозах и всех первых паровых машинах:

У классических котлов есть как преимущества, так и недостатки. Преимущества заключаются в том, что для создания давления пара не требуется каких — либо насосов, так как накопленная энергия воды может ещё долго снабжать двигатель паром даже при отсутствии огня. Такие котлы не очень требовательны к качеству воды. Паровозы заправляли самой обычной водой из речек, родников, колодцев и прочее.

Прямоточный котёл можно представить как длинную, компактно свёрнутую трубку, обтекаемую пламенем, в которую насосом закачивают воду. Такой тип котла обладает целым рядом преимуществ:

Позволяет создавать пар большего давления при меньшей массе и небольшом объёме котла.
Из-за того, что в трубке не так много носителя, такой котёл считается более безопасным (не запасается большое количество энергии).
Быстрый выход на режим, так как не нужно прогревать большое количество воды.

Создание прямоточного котла

И, конечно, мне захотелось сделать именно прямоточный котёл.

Двигатель заработал! Но проработал, около 10 секунд. Золотниковый клапан заклинил. При разборе двигателя, никаких проблем выявлено не было. Собрав его обратно и запустив снова, я столкнулся с той же проблемой. Она оказалась приходящей и уходящей сама собой. После изучения этой проблемы, нашлась ошибка в расчётах теплового расширения. Изначально, золотник представлял собой цельную деталь из фторопласта, а у него, как оказалось, очень большой коэффициент теплового расширения (22) и он при прогреве расширялся настолько, что его насмерть заклинивало в корпусе.
После подробных и тщательных расчётов тепловых расширений был выточен стальной золотник, оснащённый фторопластовыми кольцами, шириной 2 миллиметра.

Поскольку корпус алюминиевый, а золотник стальной, вся разница тепловых расширений была сведена практически к нулю.

Новое испытание показало, что золотник работает просто прекрасно и без замечаний. Вывешенное колесо крутилось, вода закачивалась, прямоточный котёл работал. Пришло время прокатиться. Но тут возникла новая проблема. Мне не удавалось на нём проехать больше нескольких метров. И опять я был сбит с толку. Всё же работало! На холостом ходу всё отлажено! Что ещё не так?
После долгого анализа других подобных паровых аппаратов,

Я понял, что у меня слишком маленький котёл (длина обогреваемой трубки), в следствие этого при увеличении производительности, вода просто не успевала испаряться и вылетала вместе с паром в двигатель. От такого эффекта пропадает КПД всей установки, так как расширение воды слишком мало или не происходит вовсе. Увеличить длину котловой трубки уже задача не такая простая. Но и на этом моё горе не закончилось.

Нужно было переделывать в котле почти всё. И в этот-то момент я понял, что, несмотря на неоспоримые преимущества прямоточного котла, это изделие весьма не простое и требует тонкого расчёта, дополнительного регулирующего оборудования, да и насос съедал не малую часть вращательной энергии. Сложилось чёткое понимание, что, если бы я делал классический котёл, то ни одной из этих проблем просто не возникло бы!

Классический котёл

Изготовление

На металлоприёмке я нашёл какой-то ресивер или баллон из-под пропана с толщиной стенки 3-4 мм, так что габариты котла уже были заданы жёстко.
Если сильно заморачиваться с массивной и эффективной топкой, то останется мало места для самой воды (носителя). Если топка будет слишком маленькой, то у нас не будет достаточной энергии для более менее удовлетворительной крейсерской скорости, ну и сам процесс нагрева котла займёт слишком много времени.
И вот, что я придумал. Топка будет подвержена сдавливанию огромным давлением, поэтому решено было сделать её простой, сквозной и круглого сечения. Под это пошла обычная труба 100 мм. Для увеличения КПД нашей топки (теплообменника), были врезаны 12 поперечных сквозных трубок.

Я посчитал это очень выгодным, так как они обтекались бы пламенем и выхлопными газами под прямым углом,

а вода внутри них циркулировала бы под естественным эффектом конвекции. Это позволит сохранить максимальный объём воды в котле, а для нас это запас хода. И, как бонус, такую топку было легко врезать в резервуар. Следовало всего лишь сделать два отверстия по обоим краям.

Для контроля давления установил небольшой манометр. Температуру носителя контролировать не обязательно, так как она напрямую связана с давлением и явно не выходит за критическую отметку (400*С). Давление в котле решил сделать как у реальных паровозов 16 bar.
Предохранительный клапан настроил на 18 bar. Теперь осталось его опрессовать. Это своего рода проверка на прочность. Котёл наполняется доверху водой и накачивается повышенное давление. Сначала, я это делал оставшимся от предыдущей котловой системы, насосом из доводчика, но сжимать такой насос при давлении более 20 bar, оказалось не простой задачкой (очень хорошо, что мы теперь можем отказаться от такого узла, ведь он забирал уйму мощности на себя). Оказалось, что опрессовывать удобнее всего углекислотным огнетушителем. Им я без труда создал давление в котле в 25 bar (это был максимум моего манометра) и, выждав несколько минут, приступил к настройке предохранительного клапана.

Котёл получился на славу. Даже давление в 25 bar оказалось ему нипочём. Он даже не начал хрустеть. Предохранительный клапан (использовал от компрессоров) срабатывал чётко, хоть и ронял давление с 18 до 9. Этот для нас очень не выгодно, но он будет срабатывать только в тех случаях, когда сам за давлением не уследишь. Так что, до его срабатывания лучше не доводить. Это будет бессмысленное выбрасывание ресурсов.

Пламя

Теперь нужно решить вопрос с огнём. Конечно, было бы красиво и приятно топить подобный мотоцикл дровами. Это же ретроспектива в прошлое, стимпанк, классичность, но, как я уже говорил, у нас очень мало для этого места, ведь наша топка чуть больше локтя. Конечно, можно туда уместить шапку угля, но этого не хватит даже на то, чтобы просто прогреть котёл. Тут пришлось отступить от романтичности и изготовить газовую горелку. На самом деле это очень эффективное, мощное и удобное топливо. Газ жидкий, поэтому его легко запасать, легко подавать в горелку и он сразу идёт под давлением, что позволяет создавать скоростной горячий поток в топке, тем самым улучшая теплообменный процесс (не требуется поддув).

Изготовление

На металлоприёмке нашёл отличные, маленьких размеров, нержавеющие бачки. Судя по их форме и синей окраске, это кислородные баки от какого-то пассажирского самолёта. Я собрал несколько таких бачков в батарею и объединил магистралями подачи газа и заправки. Объём каждого бачка примерно 1.7 л, а значит, можно будет везти с собой запас топлива более 5л. жидкого газа. Согласитесь, не плохой запас энергии.

Эксперимент (рис А)Пламя с не прогретой горелки (рис В)Правильный режим, прогретая горелка

Поэтому подавать газ, в нашу горелку следует плавно, чтобы она успела прогреться.

Испытания котла прошли как по маслу. Заправил примерно 35 л воды, горелку вывел на полную мощность и ждал. Через 14 минут вода закипела, и давление потихоньку начало подниматься. Примерно через такое же время в котле было 16 bar.

Для управления подачей пара я использовал простой водопроводный шаровой кран, который отлично справлялся и с температурой, и с давлением. В них используется тот же самый фторопласт, так что проблем, думаю, не будет.

Для интереса, я решил открыть кран на полную и посмотреть на нашу энергию. Струя пара долетала до соседних гаражей и создавала шум взлетающей ракеты. При этом я ощутил силу реактивной тяги, пришлось даже придерживать котёл, чтобы он не начал летать по всей улице. Я был очень доволен!

В котле подобного типа запасается огромное количество энергии. При выпускании пара в течение 5 секунд через отверстие ½ дюйма, давление в котле упало всего лишь наполовину. Дело в том, что при уменьшении давления смещается и точка кипения воды. То есть вода начинает кипеть и без подогрева, всего лишь от уменьшения давления. Этот эффект будет работать до тех пор, пока температура воды не упадёт до 100 *С. Это для нас приятная новость. Значит, можно будет долго ездить и с выключенной горелкой.

Но есть и один не совсем для меня понятный эффект. При активном выпускании пара при давлении менее 5 bar, начинает вылетать вода. Я предположил, что она кипит столь интенсивно, что в своём неистовом бурлении долетает до сухопарника и подхваченная потоком пара улетает наружу. Для эксперимента я слил часть воды, оставив уровень 20%. Эффект конечно уменьшился, но всё равно остался. Неужели вода подпрыгивает в котле на 30-40см? Если честно, с этим я пока так и не разобрался. Такая вот небольшая загадка.
Ну да ладно! Функционал готов, пора собрать наш аппарат!

Стиль

Стимпанк – это вымышленный мир. Такой, каким он стал бы, если человечество не изобрело электричество, ДВС и прочие технологии и существовала бы только энергия пара.
Я, конечно, не дизайнер, но при сборке мотоцикла, некоторые вещи всё же пришли на ум.

Испытание парового мотоцикла

В целом, я очень доволен результатами. Они даже превзошли мои ожидания. Видя, как ездят подобные паровые мотоциклы во всём мире, наша малютка оказалась далеко не на последнем месте.

Заключение

Когда задумывал строить этот паровой мотоцикл, я рассуждал так: вот сделаю его, как – нибудь это всё проедет и, удовлетворив все свои инженерные интересы, поставлю его дома напротив дивана в качестве эстетического элемента, навсегда. Но нет! Теперь это наоборот не даёт мне покоя. Я хочу его изучать, модернизировать, переделывать и побивать его же рекорды, хочу определить его максимум, понять всё, на что он способен! Конечно, в рамках этой концепции.

Если пытаться на этом ездить - может быть так оно и есть, хотя и тут не всё однозначно: КПД бензинового двигателя составляет 20%.
Но (. ) для нагрева воды до состояния пара подходит любое топливо, в том числе валежник (или энергия солнца) и уже можно говорить о стоимости 1% КПД:
0р/6%=0р/% против 40р/20%=2р/%
При этом 100 км дороги обойдутся 0р против 400 р при расходе топлива 10л/100 км - а это уже повод задуматься.

Однако статья о частном доме: зимой мне приходится заниматься отоплением (дрова, уголь) и это автоматически означает, что вскипятить воду до состояния пара я могу попутно, не причиняя своему карману значительного ущерба, даже используя для этой цели покупное топливо.
Основная котельная у меня в гараже, который я могу отапливать этим паром, а могу подать его в паровую машину, соединенную с динамкой и получить электричество (выхлоп пара из двигателя - отвести в ту же систему парового отопления).
В крупных городах ТЭЦ так и работают, только с большими котлами, большим давлением и огромными турбинами мощностью в несколько сотен или тысяч киловатт, а сброс избыточного давления иногда слышно на несколько километров в округе.

В частном доме и такое оборудование и такие мощности - избыточны, а котёл на 2-3 Атм вполне можно сварить и самому:

Испытание самодельного предохранительного клапана. Первый "выстрел" на давлении 0.5 Атм, второй - давление 2 Атм. Клапан несовершенен, пропускает давление.

На анимации видно, что сила пара даже в 0.5 Атм - впечатляет, а 2Атм сорвало основной и дополнительный клапан. Полная версия видео представлена в отдельной статье, ссылка в конце текста. В дополнение к попытке изготовить самодельный клапан скажу, что в магазине предохранительный клапан 3Атм и 6 Атм стоят одинаково: 300 рублей, так что дальнейшую разработку этих клапанов я посчитал бессмысленной.

К сожалению - вариантов "куда подать пар" всего один: сделать самому паровой двигатель, так как любой турбине надо большое давление, а изготовить её в домашних условиях практически невозможно (центровка, балансировка, проблемы со смазкой подшипников).
Впрочем, заказал у знакомого компрессор от холодильника для экспериментов.
Пока пробую приспособить 2-тактный двигатель под работу от пара, но пока на стадии "проб и ошибок": похвастаться нечем

Метки: пвк, пароводяной котел, пвк своими руками, пароводяной котел своими руками

Комментарии 5

Поделись Эт где такая халява 50л бак+ тен = 5000р

расскажи пож про то что над котлом. диоптр и так далее. я понимаю ты в режиме постстил работаешь с густыми заторами. 2 дюйма или 1.5 ? очень интересно. мне нужно переделать свой дистиллятор старый, но без колонны для фруктовых и зерновых браг. спс

какая у тебя проводка, 4.5 кВт — это 20 ампер, ни одна розетка не выдержит

опираясь на требования ПУЭ. Для меди допустимый длительный ток составляет 6-10 А на квадратный миллиметр. Значение в 6 А является рабочим и может использоваться длительное время.У меня котел 4.5 кВт. Проводка медь 2.5мм. 4 года перегоняю все отлично. С розетками все отлично! Качественная подпружиненая розетка.

Паровым котлом называется специальный агрегат, который предназначен для получения горячего пара, имеющего давление выше атмосферного. Пар в котлах образуется при помощи тепловой энергии, выделяемой при сгорании сжигаемого в топках топлива. Тепло выделяемых топочных газов передается на поверхности нагрева, которые находятся в контакте с теплоносителями.

Принципы устройства паровых котлов

В общих чертах устройство парового котла можно представить следующим образом. В верхней части расположен барабан, в который при помощи насосов поступает вода. В нижнюю часть устройства идут опускные трубы, которые не подвергаются нагреву. По этой трубопроводной системе вода из барабанной установки поступает в коллекторы, располагающиеся в нижней части котла. От коллекторной установки к барабану идет подъемный трубопровод, создающий поверхности нагрева, которые расположены в горячей зоне сгорания топлива. (См. также: Одноконтурный газовый котел Baxi)

Система трубопровода парового котла действует по принципу сообщающихся сосудов. В горячих трубах находится пароводяная смесь, плотность которой ниже, чем плотность воды. В результате этого пароводяная смесь поступает вверх и попадает в сепараторную систему. В сепараторе пар и вода разделяются, после чего вода оказывается в барабане котла, а пар направляется в паропровод, а далее в пароперегреватели, где он нагревается до требуемых величин. Здесь же повышается и его давление. После этого пар поступает в паровую турбину.

Применение паровых котлов в бытовых целях

Помимо промышленного применения, паровые котлы получили широкое распространение в быту, где они используются, в основном, для систем обогрева помещений. Наиболее популярны бытовые паровые и водогрейные котлы, использующие в качестве топлива газ. Это значительно повышает эксплуатационные характеристики. Паровые котлы на газе можно использовать для создания отопительной системы в городской малогабаритной квартире, они не требуют постоянного контроля за уровнем расходуемого топлива, при их работе не образуется копоти и шума.

Помимо газовых котлов, существуют и жидкотопливные, твердотопливные, комбинированные и электрические модели. Каждая разновидность имеет свои особенности конструкции и технические характеристики, но принцип их действия аналогичен тому принципу, на котором работает паровой газовый котел. (См. также: Отопительные котлы на отработанном масле)

Бытовые твердотопливные паровые котлы в качестве топлива используют дрова, уголь, кокс. Жидкотопливные котлы работают, в основном, на дизельном топливе. Некоторые модели жидкотопливных котлов могут использовать в качестве топлива отработанное машинное масло, печное топливо, мазут. Комбинированные паровые котлы могут использовать различные виды топлива. В большинстве случаев подобные агрегат рассчитаны на применение газа и дизельного топлива.

Относительная дороговизна котельного оборудования может послужить причиной возникновения желания построить паровой котел своими руками. Однако следует учитывать, что самостоятельное изготовление котла требует проведения очень точных расчетов и наличия высокотехнологичных жаропрочных материалов, инструментов и оснастки. К тому же любые паровые котлы, особенно котлы паровые газовые, должны соответствовать требованиям и стандартам безопасности и оснащаться автоматическими системами контроля. Понятно, что изготовить соответствующий всем требованиям паровой котел своими руками едва ли возможно. Но для того чтобы полностью узнать устройство парового котла и понять принцип его действия, можно самостоятельно построить небольшой паровой котел для модели паровоза или парохода.

Технология изготовления котла

Для изготовления парового котла понадобятся: лист нержавеющей стали, трубы различного диаметра из нержавеющей стали, асбестовый лист, клапан-предохранитель, набор инструментов для работы по металлу, измерительные приборы, аппарат контактной сварки. (См. также: Отопительные системы)

Для начала необходимо определить размеры и предназначения изготавливаемого котла. Прежде чем приступить к работе, следует найти и досконально ознакомиться с подробными чертежами подобных агрегатов. Далее следует заготовить необходимый материал. Это нержавеющая сталь толщиной в 1 мм, трубы из нержавейки диаметром от 100 до 120 мм, трубки, диаметр которых составляет 10 и 30 мм.

В качестве основания котла можно использовать обрезок трубы длиной около 110 мм. Толщина стенок трубы должна составлять 2,5 мм. Необходимо из трубы диаметром в 100 мм изготовить двенадцать дымогарных трубок. Из трубы большего диаметра изготавливается жаровая трубка. Длины трубок подбираются в зависимости от общих размеров парового котла. Из листа нержавеющей стали изготавливаются стенки и переборки котла. В стенках необходимо проделать отверстия для установки дымогарных и жаровых трубок. Развальцованные дымогарные трубки присоединяются к основанию котла с использованием аргоновой сварки.

Теперь к корпусу котла нужно приварить парозаборный коллектор и клапан-предохранитель, через который в случае необходимости спускается избыток пара. Теплоизоляция парового котла должна быть выполнена из листового асбеста. Готовая паровая установка может быть закреплена на модели с использованием хомутов. В среднем, подобные котлы предусматривают рабочее давление горячего пара в диапазоне от 4 до 6 кг/кв. см.

Читайте также: