锅炉的演变

1.3.1　锅炉的演变

据考证，公元前200年左右，古希腊一位叫希罗（Hero）的人发明了如图1.8所示的一种可供宫庭欣赏之用的装置。由于下部容器中的水受热后转变成为蒸汽，在反冲力的作用下会使得上方的圆球旋转。据认为，这是利用水蒸气产生动力最早的装置，也因此被认为是最早的锅炉。

图1.8　Hero发明的装置

图1.9　最简单的锅炉

但直到工业革命之前，所谓的锅炉几乎没有发展。工业革命在英国迅速发展后，由于矿井抽水的需要，对动力的需要增大，瓦特（Watt）在纽卡门（Newcomen）的发明基础上，完善了蒸汽机^［9］。但当时用于产生蒸汽的锅炉主要为圆筒形，筒外加热，见图1.9。

随着工业的发展，锅炉向两个方向发展：

（1）在圆筒内部增加受热面积。开始是在一个大圆筒内增加了一个火筒，然后两个，直到多个。最后发展为现代的火管锅炉。

圆筒形锅炉的圆筒内部加火筒和烟管，成为火筒锅炉或烟管锅炉。火筒锅炉有单火筒锅炉和双火筒锅炉。在火筒中安装炉排组成燃烧燃料的炉膛。随着锅炉的进一步发展，在1860年左右出现了烟管锅炉。这种锅炉采用数目众多的细烟管代替了直径大的火筒，增加了锅筒的受热面积。该种锅炉的炉膛在锅筒外部，由耐火砖砌筑而成。燃烧产生的烟气从烟管中流过。后来又出现了烟管－火筒组合锅炉，即烟火管锅炉，在直径大的火筒中安装炉排组成炉膛。这种锅炉的锅筒可立式放置，也可卧式放置。立式的烟火管锅炉占地面积小，操作简便，因而目前仍广泛应用于用汽量不大的场合。这类锅炉的共同点是烟气在管内流动，而水在大筒与小管之间被加热汽化。因此，它们的缺点是炉膛小，燃烧条件差，水循环和传热效果不好，金属消耗量大，因结构的刚性大受热后膨胀不均匀，胀接处易漏水，水垢不易清除，蒸发量小，汽压低（小于1.5MPa），热效率不高（40%～50%）等缺陷。

（2）增加筒外部的受热面积，即增加水筒的数目。燃料在筒外燃烧，与火管锅炉的发展相似，水筒的数目不断增加，发展成为很多小直径的水管。由于水在管中流动，称为水管锅炉。

增加圆形水筒的数目，从而出现了水管锅炉。实践证明，减小水筒的直径，增加小水筒的数目对改善传热，降低钢材消耗量，提高蒸发量和蒸汽压力极为有利。从1840年出现第一台水管锅炉之后，相继出现了各种类型的水管锅炉。水管锅炉的发展为大容量、高参数现代大型动力锅炉奠定了基础。

水管锅炉的发展有两个分支：横水管锅炉和竖水管锅炉。横水管锅炉早期是整联箱锅炉，水管全部联接在两个大联箱上。由于联箱很大，故而耐压低。后来发展为横水管分联箱锅炉，由很多小联箱代替大联箱，使承压能力提高。横水管接近水平放置，其中水的流动不好，此外，增加受热面仍受到锅筒直径的限制，后逐渐被淘汰。

竖水管锅炉是现代锅炉的主要形式。它出现于1900年。初期采用直水管，后逐渐被弯水管所代替。为了布置更多的受热面，锅筒的数目也随之增多。随着传热学的发展，证实了炉膛中设置的水冷壁管吸收火焰的辐射传热，比一般对流管束的吸热强度高得多。因此，尽可能增加水冷壁的数量，减少对流管束的数量，锅筒的数目也随之减少。现在已出现了单锅筒的大容量锅炉和无锅筒的直流锅炉。

总之，锅炉的发展史就是为了增加蒸发量、提高蒸汽参数、减少煤耗、节省钢材和改进工艺过程的历史。锅炉的发展过程见图1.10。

图1.10　锅炉发展过程简图