1.3.1　鍋爐的演變

據(jù)考證，公元前200年左右，古希臘一位叫希羅（Hero）的人發(fā)明了如圖1.8所示的一種可供宮庭欣賞之用的裝置。由于下部容器中的水受熱后轉(zhuǎn)變成為蒸汽，在反沖力的作用下會(huì)使得上方的圓球旋轉(zhuǎn)。據(jù)認(rèn)為，這是利用水蒸氣產(chǎn)生動(dòng)力最早的裝置，也因此被認(rèn)為是最早的鍋爐。

圖1.8　Hero發(fā)明的裝置

圖1.9　最簡(jiǎn)單的鍋爐

但直到工業(yè)革命之前，所謂的鍋爐幾乎沒(méi)有發(fā)展。工業(yè)革命在英國(guó)迅速發(fā)展后，由于礦井抽水的需要，對(duì)動(dòng)力的需要增大，瓦特（Watt）在紐卡門(mén)（Newcomen）的發(fā)明基礎(chǔ)上，完善了蒸汽機(jī)^［9］。但當(dāng)時(shí)用于產(chǎn)生蒸汽的鍋爐主要為圓筒形，筒外加熱，見(jiàn)圖1.9。

隨著工業(yè)的發(fā)展，鍋爐向兩個(gè)方向發(fā)展：

（1）在圓筒內(nèi)部增加受熱面積。開(kāi)始是在一個(gè)大圓筒內(nèi)增加了一個(gè)火筒，然后兩個(gè)，直到多個(gè)。最后發(fā)展為現(xiàn)代的火管鍋爐。

圓筒形鍋爐的圓筒內(nèi)部加火筒和煙管，成為火筒鍋爐或煙管鍋爐?；鹜插仩t有單火筒鍋爐和雙火筒鍋爐。在火筒中安裝爐排組成燃燒燃料的爐膛。隨著鍋爐的進(jìn)一步發(fā)展，在1860年左右出現(xiàn)了煙管鍋爐。這種鍋爐采用數(shù)目眾多的細(xì)煙管代替了直徑大的火筒，增加了鍋筒的受熱面積。該種鍋爐的爐膛在鍋筒外部，由耐火磚砌筑而成。燃燒產(chǎn)生的煙氣從煙管中流過(guò)。后來(lái)又出現(xiàn)了煙管－火筒組合鍋爐，即煙火管鍋爐，在直徑大的火筒中安裝爐排組成爐膛。這種鍋爐的鍋筒可立式放置，也可臥式放置。立式的煙火管鍋爐占地面積小，操作簡(jiǎn)便，因而目前仍廣泛應(yīng)用于用汽量不大的場(chǎng)合。這類(lèi)鍋爐的共同點(diǎn)是煙氣在管內(nèi)流動(dòng)，而水在大筒與小管之間被加熱汽化。因此，它們的缺點(diǎn)是爐膛小，燃燒條件差，水循環(huán)和傳熱效果不好，金屬消耗量大，因結(jié)構(gòu)的剛性大受熱后膨脹不均勻，脹接處易漏水，水垢不易清除，蒸發(fā)量小，汽壓低（小于1.5MPa），熱效率不高（40%～50%）等缺陷。

（2）增加筒外部的受熱面積，即增加水筒的數(shù)目。燃料在筒外燃燒，與火管鍋爐的發(fā)展相似，水筒的數(shù)目不斷增加，發(fā)展成為很多小直徑的水管。由于水在管中流動(dòng)，稱(chēng)為水管鍋爐。

增加圓形水筒的數(shù)目，從而出現(xiàn)了水管鍋爐。實(shí)踐證明，減小水筒的直徑，增加小水筒的數(shù)目對(duì)改善傳熱，降低鋼材消耗量，提高蒸發(fā)量和蒸汽壓力極為有利。從1840年出現(xiàn)第一臺(tái)水管鍋爐之后，相繼出現(xiàn)了各種類(lèi)型的水管鍋爐。水管鍋爐的發(fā)展為大容量、高參數(shù)現(xiàn)代大型動(dòng)力鍋爐奠定了基礎(chǔ)。

水管鍋爐的發(fā)展有兩個(gè)分支：橫水管鍋爐和豎水管鍋爐。橫水管鍋爐早期是整聯(lián)箱鍋爐，水管全部聯(lián)接在兩個(gè)大聯(lián)箱上。由于聯(lián)箱很大，故而耐壓低。后來(lái)發(fā)展為橫水管分聯(lián)箱鍋爐，由很多小聯(lián)箱代替大聯(lián)箱，使承壓能力提高。橫水管接近水平放置，其中水的流動(dòng)不好，此外，增加受熱面仍受到鍋筒直徑的限制，后逐漸被淘汰。

豎水管鍋爐是現(xiàn)代鍋爐的主要形式。它出現(xiàn)于1900年。初期采用直水管，后逐漸被彎水管所代替。為了布置更多的受熱面，鍋筒的數(shù)目也隨之增多。隨著傳熱學(xué)的發(fā)展，證實(shí)了爐膛中設(shè)置的水冷壁管吸收火焰的輻射傳熱，比一般對(duì)流管束的吸熱強(qiáng)度高得多。因此，盡可能增加水冷壁的數(shù)量，減少對(duì)流管束的數(shù)量，鍋筒的數(shù)目也隨之減少?，F(xiàn)在已出現(xiàn)了單鍋筒的大容量鍋爐和無(wú)鍋筒的直流鍋爐。

總之，鍋爐的發(fā)展史就是為了增加蒸發(fā)量、提高蒸汽參數(shù)、減少煤耗、節(jié)省鋼材和改進(jìn)工藝過(guò)程的歷史。鍋爐的發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖1.10。

圖1.10　鍋爐發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)圖