Kotły kufrowe

Większość tego opisu powstała poprzez niemal bezpośrednie cytowanie z pracy pana Krzysztofa Gerlacha "Okrętowe kotły parowe do 1870 r. Zarys konstrukcji i nazewnictwa", Gdańsk 2022

Model kotła płomieniówkowego zwrotnego (tzw. wysokiego), używanego w późniejszym okresie wykorzystywania kotłów kufrowychPomijając najwcześniejsze adaptacje kotłów parowych wykorzystywanych na lądzie do zastosowań w żegludze, jednym z najważniejszych problemów do rozwiązania przez konstruktorów była ograniczona przestrzeń na okrętach i statkach. Na pojawiających się z początkiem XIX w. parowcach pełnomorskich silniki musiały być mocniejsze, kotły dostarczać więcej pary, więc proporcjonalny wzrost wymiarów maszynowni na ciągle małych jednostkach stawał się problemem. Dlatego specjalnie dla okrętów rozwinięto kotły o kształcie przypominającym prostopadłościenne pudełka, kufry czy skrzynki, zostawiające mniej martwych przestrzeni w kadłubie. Te kotły kufrowe (ang. "box-type boilers") zostały wprowadzone około 1820 r. Dla zwiększenia wydajności wymuszono w nich wielokrotną zmianę kierunku ruchu spalin wewnątrz kotła (poprzez zastosowanie specjalnych przegród) oraz zainstalowano po kilka wewnętrznych palenisk. W pierwszej połowie XIX w. dominującym typem kotła okrętowego miał się właśnie stać kufrowy kocioł płomienicowy (ang. "flue boiler", niem. "flammrohrkessel"), występujący w wersjach labiryntowej i galeriowej.

Czynnikiem najbardziej ograniczającym zarówno wielkość, jak i zdolność do przenoszenia wysokich ciśnień w budowanych wtedy kotłach był brak odpowiednich materiałów konstrukcyjnych. Pierwsze kotły wykonywano z blachy ołowianej (ze względu na łatwość kształtowania), później miedzi i (rzadziej) mosiądzu, pod koniec XVIII w. pojawiły się kotły żelazne. Złe materiały i wadliwa konstrukcja przyczyniały się do częstych eksplozji kotłów w pionierskim okresie, zwłaszcza jeśli próbowano podnosić ciśnienie pary dla takich nowinek, jak silnik sprzężony. Wypadki, zwykle zbierające obfite śmiertelne żniwo, bulwersowały opinię publiczną i zniechęcały ludzi do napędu parowego. Rząd brytyjski już w 1817 r. nakazał, aby jedynymi dozwolonymi materiałami konstrukcyjnymi na kotły były odtąd żelazo pudlarskie i miedź.

Miedź miała znacznie wyższą cenę niż żelazo, jednak wykonane z niej kotły wykazywały też dużo większą trwałość. Na skutek problemów z korozją przeciętny czas pracy żelaznego kotła płomienicowego wynosił około 5 lat lub krócej, podczas gdy od kotłów miedzianych oczekiwano sprawności przez co najmniej 9 lat. Miedź charakteryzuje się kiepską wytrzymałością, więc nadawała się dobrze tylko na konstrukcje niskociśnieniowe. Żelazo pudlarskie było mocniejsze, lecz niehomogenne, a jego rzeczywistej jakości nie umiano wówczas ani przewidzieć, ani zbadać. Ponadto w tamtych czasach miedź była jedynym materiałem osiągalnym w wystarczająco dużych arkuszach by minimalizować liczbę łączeń, potencjalnego źródła przecieków. W kotłach żelaznych małymi przeciekami nie przejmowano się wcale, bowiem produkty korozji i kamień kotłowy wkrótce zapychały wszelkie szczelinki. Nawet kiedy ciśnienia absolutne pary wzrosły do 1,8 at (177 kPa, 26 psi), ciągle wykorzystywano z powodzeniem tymczasowe środki uszczelniające w postaci rozmaitych mieszanek, które dostając się z wodą do szczelin wytwarzały tam korki – używano trocin, mąki owsianej, mąki ziemniaczanej czy nawet łajna.

Zagrożenie korozją było wtedy dużo poważniejsze – odpadały całe dna kotłów. Powszechne używanie wody morskiej do zasilania kotłów prowadziło do błyskawicznego narastania kamienia kotłowego w przestrzeniach wodnych. Z jednej strony kamień ten chronił żelazne powierzchnie przed korozją, ale z drugiej redukował współczynnik wnikania ciepła od gazów spalinowych do wody – warstwa kamienia o grubości 6,5 mm zwiększała zużycie paliwa o 50%, zaś warstwa grubości 13 mm – o 150%! Tak narosły kamień prowadził więc do przegrzewania i ewentualnie eksplozji kotła. Z kolei jego usuwanie – chociaż konieczne – przyspieszało korozję.

Odświeżanie zawartości kotła było niezbędne z wielu względów. Ciągłe odparowywanie wody zwiększało zawartość soli pozostającej w kotle, w końcu pokrywałaby powierzchnie grzejne stałą skorupą, do czego nie można było dopuścić. Poza tym woda cyrkulująca w obiegu była zanieczyszczona olejem z silnika głównego i urządzeń pomocniczych, mąką owsianą albo ziemniaczaną (wprowadzaną do kotła jako uszczelniacz), łojem lub grafitem (rozprowadzanymi niekiedy po wewnętrznych powierzchniach ścian kotłów). Zanieczyszczenia były tak znaczne, że co kilka dni kotły musiały być całkowicie opróżniane i napełniane zupełnie świeżą wodą. W przeciwnym wypadku pojawiało się zjawisko plucia kotła (priming), tzn. porywania części wody przez parę, a w efekcie gwałtownych zaburzeń na powierzchni wody, wywołujących powstawanie piany, która mogła przedostawać się do cylindrów. W takich przypadkach dochodziło do gwałtownego wzrostu ciśnienia (w porównaniu z parą woda jest praktycznie nieściśliwa), co spęczało metalowe uszczelnienia na tłokach i w dławnicach, a mogło skończyć się pękaniem tłoków czy cylindrów.

Kiedy nastąpiło około dwukrotne podniesienie nadciśnienia stosowanej pary (z pierwotnych 0,35 at do 0,7 at) bardzo typową operacją dla prawie wszystkich parowców stało się tzw. przedmuchiwanie kotła realizowane zwykle 2 razy w ciągu jednej wachty – wypychano część wody znajdującej się w obiegu (odmuliny) i zastępowano ją świeżą wodą morską.

Przykład skrzynkowych (kufrowych) kotłów płomienicowychTak czy inaczej w początkowym okresie zdecydowana większość kotłów miała zbyt małą wytrzymałość i nie mogła utrzymać szczelności aby produkować parę pod wysokim ciśnieniem, którego przeciętne wartości nie przekraczały 1,22 at (120 kPa, 17,40 psi), co jednakże w zupełności wystarczało do zasilania względnie wolnoobrotowych parowych maszyn górnobalansjerowych. W latach 20-tych niemal wszystkie kotły wczesnych jednostek pełnomorskich były dużymi skrzynkowymi (kufrowymi) kotłami płomienicowymi (ang. "box flue boilers", niem. "rechteckigen flammrohrkesseln") w odmianie labiryntowej, z wewnętrznymi paleniskami o prostokątnym przekroju i długimi płomienicami (kanałami, którymi płynęły gorące gazy spalinowe ogrzewające wodę) „korytarzowymi”. Ze względu na płaskie ściany płomienic i płaszcza, labiryntowe wytrzymywały bezpiecznie tylko ciśnienia do około 180 kPa (26 psi). Zazwyczaj utrzymywano się zresztą w jeszcze niższym zakresie. Prostopadłościenne, pudełkokształtne były nie tylko całe kotły, ale i płomienice, które np. na HMS "COMET" z 1828 r. miały przeciętnie 40 cm szerokości i około 140 cm wysokości. Kocioł na tym okręcie mierzył 5,7 m długości (z tego paleniska zajmowały 1,8 m), 3,76 m szerokości, 2,85 m wysokości; woda krążyła w nim w przestrzeniach o szerokości 9 cm. Został wyposażony w 4 paleniska. Droga spalin od palenisk do komina wynosiła około 21 m. Kotły te wykonywano z miedzi lub żelaza pudlarskiego. Zaletą takiej konstrukcji, obok dobrego wypełniania wnętrza maszynowni, była zdolność do wytwarzania dużej ilości pary oraz względna łatwość czyszczenia – starano się robić płomienice o wymiarach umożliwiających wczołganie się do środka człowieka, który przeprowadzał drobne naprawy i skutecznie oczyszczał ścianki.

Niezależnie od kontynuacji prób skonstruowania użytecznych kotłów wodnorurkowych, skraplaczy przeponowych, instalacji wysokociśnieniowych itd., prawie całe pierwsze półwiecze żeglugi parowej stało pod znakiem niskich ciśnień, skraplaczy natryskowych, wody morskiej w układzie oraz kufrowych kotłów płomienicowych. Pomimo wielkich rozmiarów i masy oraz ogromnego ciężaru znajdującej się w nich wody, kufrowych kotłów płomienicowych (box-type flue boilers) powszechnie używano na statkach handlowych aż do lat 60-tych XIX wieku. W okresie 1830-1842 były one także praktycznie jedynym typem kotłów stosowanych na okrętach Royal Navy. Miały one znaczną powierzchnię wymiany ciepła, bowiem gazy spalinowe przechodziły od skrzyni ogniowej przez labiryntowo poprowadzone prowadnice, o wielokrotnych zmianach kierunku przepływu i bardzo dużej sumarycznej długości (np. 21 czy 23 m). Spaliny ostatecznie spotykały się we wspólnej dymnicy (czopuchu). Płomienice, paleniska i popielnik były otoczone wodą. Z grubsza prostopadłościenne płomienice, zwykle o przybliżonych wymiarach 45 x 210 cm, często zwężały się nieco ku górze, aby generowane z zewnątrz na ich ścianach bąble parowe mogły się łatwiej odrywać. Budowa tych kotłów stała się możliwa dzięki zwiększonej dostępności dużo większych niż w pionierskim okresie płyt miedzianych i żelaznych. Z uwagi na rozmiary przekrojów, czyszczenie płomienic było względnie łatwe – przynajmniej dopóki wzrastające ciśnienia nie wymusiły zastosowania w tych płaskościennych konstrukcjach ogromnej liczby usztywniających zespórek kotłowych. Natomiast mechaniczne czyszczenia przestrzeni wodnych – gdzie narastał kamień kotłowy – stwarzało zawsze bardzo poważne problemy.

Kotły okrętowe tamtej epoki montowano z reguły na drewnianych platformach i osadzano namastyksie (specjalnym kicie), w celu zapewniania niezmienności pozycji. Ów mastyks był mieszaniną piasku, sproszkowanego kamienia, tlenku ołowiu i oleju. Na drewnianych jednostkach woda zęzowa mogła stać się bardzo kwaśna, co zwiększało podatność na korozję żelaznych płyt kotłowych w miejscach nie chronionych tym kitem.

Przykładowe parametry okrętowych kotłów kufrowych w jednopoziomowej odmianie labiryntowej, instalowanych w okresie 1830-1842:
- na bocznokołowcu HMS "MEDEA" z 1833 r. przy silniku o mocy 220 koni nominalnych, ważącym 165 ton, masa kotłów wynosiła 35 ton, a masa wody w nich zawartej – 45 ton;
- na bocznokołowcu HMS "DRIVER" ukończonym w 1841 r., trzy trójpaleniskowe kotły z żelaza pudlarskiego ważyły łącznie około 40 ton, zaś ogrzewana w nich woda – około 50 ton; ciśnienie robocze wynosiło 129 kPa.

W latach trzydziestych XIX wieku zaczęto zwiększać powierzchnię ogrzewalną kufrowych kotłów płomienicowych przez skierowanie spalin do dodatkowych, poziomych rzędów kanałów (od jednego do czterech) wykonanych z blach, umieszczonych nad płomienicami głównymi. Angielska nazwa tego typu kotłów brzmi "return flue boiler", natomiast francuska "chaudière a retour de flamme", co w tłumaczeniu oznacza kotły płomienicowe zwrotne (to określenie zwraca uwagę na fakt, że spaliny musiały tutaj wracać ponad palenisko, co zwiększało skuteczność grzania). W polskiej terminologi przyjęło się również określenie rozpropagowane przez docenta Przemysława Urbańskiego w książce "Dwa wieki napędu mechanicznego statków" - kotły galeriowe. W przypadku tego typu kotłów niektóre ówczesne terminy podkreślały układ piętrowy (ang. "double-storeyed", "two-levels boilers"). Ich sprawność sięgała 50 procent, podczas gdy w jednopoziomowej odmianie labiryntowej wynosiła tylko 30-35 procent.

Piętrowe kotły płomienicowe (galeriowe)Na bocznokołowym transatlantyku "GREAT WESTERN" z 1837 r. zainstalowano cztery żelazne kotły o układzie piętrowym, przy czym płomienice nadal miały kształt prostopadłościenny. Wykonane – tak jak silnik – przez firmę Maudslay, Sons & Field, ustawione zostały w parach, "plecami" do siebie (tzn. z paleniskami po przeciwnych stronach), przy czym gazy spalinowe ze wszystkich podążały ostatecznie do pojedynczego, wspólnego komina. Każdy z kotłów miał trzy paleniska. Wyposażono je w dodatkowy wymiennik ciepła - ponieważ woda kotłowa wyrzucana podczas operacji przedmuchiwania miała dużo wyższą temperaturę niż pompowana na jej miejsce woda ze zbiornika skroplin, co powodowało straty cieplne, w tym egzemplarzu woda przed wydmuchaniem przechodziła między rurkami rekuperatora, oddając swoje ciepło wodzie zasilającej, tłoczonej środkiem rurek. Zwiększyło to jednak opory hydrauliczne w układzie i przy niskim ciśnieniu absolutnym w kotle (zaledwie 1,35 at) zmusiło do zainstalowania specjalnych pomp "solankowych" (tak określano wydmuchiwane odmuliny) napędzanych od silnika. Ukończone w 1842 r. amerykańskie fregaty bocznokołowe "MISSISSIPPI" i "MISSOURI" miały po cztery miedziane kotły płomienicowe zwrotne (czyli odmiany galeriowej), też ustawione w parach, "plecami" do siebie i ze wspólnym kominem (ważące w sumie prawie 300 ton), ale już z trzema rzędami płomienic.

Podstawowymi materiałami konstrukcyjnymi pozostawały w tym okresie żelazo pudlarskie i miedź. Słabo korodujące w wodzie kotły miedziane charakteryzowały się wyższą trwałością, ale też znacznie wyższą ceną – to drugie z grubsza w proporcji 3,3 do 1. powodowało to, że preferowały je przede wszystkim marynarki wojenne. Jednak miedź także stwarzała problemy – okazała się nieodporna na korozję w strefie parowej. Odkrywano ciężkie ataki korozji u podstawy czopucha, a w dnach płomienic przecieki prowadziły do gwałtownego spadku wydajności i chociaż próbowano temu zaradzić, nie uzyskano sukcesów. Znany jest również oczywisty fakt niskiej wytrzymałości miedzi. Kiedy zatem równolegle rosły ceny tego materiału i żądane ciśnienia pary, stopniowo zaprzestano produkcji kotłów miedzianych, aczkolwiek zdarzało się to jeszcze w latach czterdziestych XIX wieku.

Chociaż w okresie 1830-1842 kufrowe kotły płomienicowe absolutnie dominowały, pojawiały się też bardziej przyszłościowe konstrukcje. Amerykanin Robert Stevens, wzorując się na wcześniejszych rozwiązaniach kotłów parowozowych George’a Stephensona (udane próby słynnej lokomotywy "Rocket" z takim kotłem już w 1829 r.), zastosował w 1832 r. w charakterze kanałów gazowych dużą liczbę rur o małej średnicy (około 75 mm), zwanych potem płomieniówkami (ang. "fire tubes", fran. "tubes de fumée"). Dzięki temu znacznie zwiększył powierzchnię wymiany ciepła, uzyskując kocioł o wyższej efektywności przy mniejszych wymiarach zewnętrznych. Te nowe kotły płomieniówkowe (czy też płomienicowo-płomieniówkowe, ponieważ część kanałów spalinowych była jeszcze w postaci wielkogabarytowych płomienic) zaczęły nieśmiało zyskiwać popularność od około 1835 r.

O ile na statkach handlowych w okresie 1843-1850 nadal dominowały kufrowe kotły płomienicowe (ang. "box-like flue boilers") z prostopadłościennymi płomienicami, które zresztą stosowano powszechnie aż do lat 60-tych XIX wieku, to w przypadku okrętów wojennych z punktu widzenia rozwoju kotłów przełomowe znaczenie miał rok 1843. W tymże bowiem roku po raz pierwszy zainstalowano na okręcie Royal Navy kocioł płomieniówkowy, czyli typu, który miał stać się podstawowym na brytyjskich śrubowcach wojennych z lat 50-tych XIX wieku. W języku angielskim tego typu kotły nazywano "fire-tube boilers", "tubular boilers" lub "multitubular boilers", w języku niemieckim "heizrohrkesseln", "vielrohrkesseln", natomiast po francusku "chaudières a tubes de fumee". Jednak te kotły występowały nadal w kształcie kotłów kufrowych. Niektóre nazwy są mylące, podkreślają bowiem wyłącznie wielorurkowość, a to przecież było cechą również kotłów wodnorurkowych – stąd spotyka się określanie tą samą nazwą tak skrajnie różnych typów jak płomieniówkowe i opłomkowe.

Kufrowy kocioł płomieniówkowy zwrotnyPierwszymi okrętami Royal Navy wyposażonymi w kotły płomieniówkowe były w 1843 r. bocznokołowce "PENELOPE" i "FIREBRAND", przy czym ten ostatni nosił od 1843 r. nazwę "BLACK EAGLE". Na "BLACK EAGLE" dwa oddzielne kotły (każdy z własnym kominem) miały aż 2250 mosiężnych płomieniówek (spaliny przepływały w tysiącach strumieni przez te cienkie rurki, zamiast przez wielkie płomienice) o średnicy 51 mm, grubości ścinek 3 mm i długości 1,55 m. Takie same wymiary płomieniówek były na "PENELOPE". Mocowano je w płytach sitowych podobnych do używanych w kotłach lokomotyw. W stosunku do dotychczas stosowanych kotłów okrętowych wymiary i masa zostały zredukowane o około jedną piątą, przy równoczesnym zwiększeniu powierzchni ogrzewalnej. Ilość wody zmalała prawie dwukrotnie, dzięki czemu spadły straty cieplne przez promieniowanie, a czas potrzebny do wytworzenia pary uległ skróceniu. Były też negatywy: mała ilość wody powodowała, że należało zwracać wielką uwagę na stałe utrzymywanie jej odpowiedniego poziomu w kotle, co przy stosowaniu wody morskiej i skraplaczy natryskowych, z ciągłym wyrzucaniem części wody kotłowej za burtę, nie przedstawiało się prosto. Próba użycia skraplacza przeponowego na "PENELOPE" nie powiodła się, z uwagi na jego zawodność. W kotle opory przepływu gazów spalinowych przez rury o stosunkowo małej średnicy przysparzały tych samych problemów co od dawna w lokomotywach (francuski inżynier i fizyk, Marc Seguin, wynalazł płomieniówki już w 1827 r.), ale na okręcie – znacznie mniej ograniczonym wymiarami i masą - łatwiej było zaradzić kłopotom. Inną wadą pierwszych okrętowych kotłów płomieniówkowych, o której pisał z troską admirał William Parker w 1848 r., był fakt wydobywania się z kominów płomieni, stwarzających potencjalne zagrożenie dla takielunku. Mała ilość wody, przy niedostatecznej jej cyrkulacji, oznaczała również przepalanie się denek palenisk; z tego powodu na "PENELOPE" trzeba było wymienić kocioł już w 1849 r. Jednak – mimo wspomnianych problemów – korzyści uzyskiwane dzięki większej efektywności kotłów płomieniówkowych były tak oczywiste, że również nowy egzemplarz na tym okręcie był tego typu.

Kufrowy kocioł płomieniówkowy nieckowyKotły płomieniówkowe występowały w dwóch zasadniczych odmianach, znanych jako kocioł wysoki i kocioł niski. W pierwszej odmianie, nazywanej też kotłem płomieniówkowym zwrotnym (ang. return-tube boiler) płomieniówki znajdowały się powyżej palenisk, zebrane w pęki. Spaliny przepływały z położonej z tyłu kotła komory spalania poprzez poziomo lub prawie poziomo ułożone płomieniówki z powrotem w kierunku przedniej ściany (tzn. tej, na której usytuowano otwory palenisk), do położonej nad paleniskami dymnicy, a stąd do czopucha kominowego i samego komina. W odmianie drugiej, zwanej także kotłem płomieniówkowym nieckowym (ang. "through-tube boiler"), paleniska i płomieniówki znajdowały się na tym samym poziomie, co albo poszerzało albo wydłużało kocioł, ale znacznie obniżało jego wysokość i redukowało masę.

Kiedy w 1844 r. wymieniano kotły na bocznokołowym transatlantyku "GREAT WESTERN", właściciele doszli do wniosku, że powinny to już być konstrukcje płomieniówkowe. Zaprojektował je ich własny inżynier, Thomas Guppy, a zbudowane zostały przez samą kompanię w Bristolu. Były to prawie typowe kotły płomieniówkowe zwrotne (ang. "return-tube boilers"), czyli odmiany wysokiej. Jednak na "GREAT WESTERN" gazy spalinowe przepływały jeszcze przez drugi komplet płomieniówek znów do tyłu kotła i dopiero stąd do komina. Instalacja na tym statku składała się z trzech połączonych ze sobą jednostek – zewnętrzne miały po 3 paleniska, centralne – 2. Mając tylko 3,66 m długości i wszystkie paleniska po jednej stronie, nowy kocioł oznaczał wydatną oszczędność miejsca w porównaniu z pierwotnymi kotłami płomienicowymi zainstalowanymi na tym statku. Miał łącznie 750 rur i dawał nadciśnienie pary 83 kPa, wyższe niż poprzednio, przy dużo lepszej efektywności, czyli poważnych oszczędnościach w zużyciu paliwa. Ale sprawiał też problemy – pojawiały się okresowe trudności w utrzymaniu żądanego ciśnienia. Uznano, że są one wynikiem niedostatecznego ciągu w paleniskach na skutek zbyt dobrej wymiany ciepła na ogromnej powierzchni płomieniówek – w poprzedniej instalacji stosunek powierzchni ogrzewalnej do powierzchni rusztów wynosił 19,2 do 1, w nowej osiągnął wartość 49,5 do 1. W rezultacie spaliny opuszczające kocioł były tak chłodne, że pogarszał się ciąg. Generalnie z problemem tym borykamy się czasem do dzisiaj – np. w podstawowej, wapiennej technologii odsiarczania spalin istnieje konieczność ich wychłodzenia w reaktorze dla zwiększenia efektywności reakcji, a przez to muszą być potem z powrotem podgrzewane, by zapewnić naturalny ciąg kominowy. W przypadku "GREAT WESTERN" Brunel zaproponował, by użyć dmuchu parowego (wymuszonego ciągu), jak w lokomotywach, ale wybrano prostsze rozwiązanie – wycięto otwór z tyłu komory spalania i przepuszczono część gazów spalinowych poprzez przestrzeń wodną wprost do komina, z pominięciem płomieniówek, co podniosło temperaturę spalin w kominie i w ten sposób poprawiło ciąg – oczywiście kosztem pewnej redukcji efektywnej powierzchni grzewczej.

Przekrojowy model kotła płomieniówkowego zwrotnego (tzw. wysokiego)W latach czterdziestych XIX wieku na większości okrętów Royal Navy stare kotły płomienicowe wymieniono na płomieniówkowe. Dość charakterystyczną cechą było spore zróżnicowanie nadciśnienia pary wytwarzanej w tych konstrukcjach. W zasadzie typowe wartości mieściły się w zakresie 55-69 kPa (np. 55 kPa dawały kotły na śrubowcach HMS "MEGAERA" i "VULCAN" z 1849 r.), ale na bocznokołowcach HMS "CARADOC", "BANSHEE" i "ST COLUMBA" z 1847 r. nadciśnienie wynosiło 96 kPa, na wspomnianej "TERRIBLE" – 103 kPa, zaś na bocznokołowcu "LLEWELLYN" z 1847 i na śrubowcu "SIMOOM" z 1849 – nawet 138 kPa. W charakterze płomieniówek najczęściej używano rur mosiężnych, mimo ryzyka oddziaływań elektrolitycznych, gdyż korozja rur żelaznych postępowała zbyt szybko.

W okresie 1850 - 1860 na statkach handlowych używano powszechnie kufrowych kotłów płomienicowych ale w marynarkach wojennych podstawowym typem stał się kufrowy (skrzynkowy) kocioł płomieniówkowy, najczęściej w postaci kotła zwrotnego (kotła wysokiego). Okres ten był niezwykle ciekawy, ponieważ pomimo panowania kotłów kufrowych obu rodzajów, rozwijano i doskonalono inne konstrukcje, a pierwsze praktyczne zastosowania okrętowych silników podwójnego rozprężania pary (silników sprzężonych), przystosowanych do wykorzystywania pary pod wysokim ciśnieniem, wymusiły wkrótce rewolucyjne zmiany także w budowie kotłów.

Uznanie przewagi napędu śrubowego nad kołowym i wprowadzenie w związku z tym maszyn okrętowych o wyższej liczbie obrotów, nadających się do bezpośredniego napędzania wału śrubowego (bez przekładni przyspieszających), wymagało zwiększenia ciśnienia pary. Na okrętach wojennych lat piędziesiątych XIX wieku zwykłym nadciśnieniem było 69-138 kPa, przy czym najwyższe wartości z tego zakresu stosowano raczej na małych jednostkach, a na wielkich liniowcach zadowalano się (w trosce o niezawodność) nadciśnieniem rzędu 69-103 kPa. Standardowy wówczas kocioł płomieniówkowy wykonywany był przede wszystkim z żelaza pudlarskiego, a brytyjska Admiralicja wymagała, by materiał ten w wypadku użycia na kotły okrętowe charakteryzował się wytrzymałością na rozciąganie wzdłuż ziaren minimum 340 MPa, a w poprzek ziaren minimum 278 MPa (oczywiście nie posługując się tymi jednostkami). Są to całkiem przyzwoite wartości, odpowiadające parametrom dzisiejszych stali konstrukcyjnych zwykłej jakości i plasujące się niewiele poniżej dolnej granicy zakresu żądanego od blach kotłowych jeszcze w połowie XX w (353-657 MPa). Jednak żelazo pudlarskie formowano w procesie agregacji, co powodowało ryzyko późniejszej laminacji i powstawania defektów trudnych do wykrycia. Wytrzymałość kotłów kufrowych zależała więc w dużej mierze od ściągów, których wielka ilość wiązała razem boki, szczyt i dno. Paleniska, o przekroju w przybliżeniu prostokątnym, także były ze wszystkich stron wzmacniane ściągami. Standardowe płomieniówkowe kotły kufrowe używane w brytyjskiej marynarce wojennej miały 4 do 5 palenisk, ale na statkach cywilnych stosowano czasem większe kotły, mające więcej niż 5 palenisk. Płomieniówki kotłów we flocie handlowej wykonywano zwykle z żelaza, a na okrętach wojennych – z mosiądzu.

Specyficznym typem kotła, popularnym w tamtym czasie, był kocioł o bardzo wąskich, pionowych płomienicach, faktycznie pośredni między kotłem płomienicowym a płomieniówkowym, opatentowany przez firmę Lamb & Summers, a używany na jednostkach kompanii P. & O. w latach 50-tych XIX wieku. W rozwiązaniu tym rurowe płomieniówki zostały zastąpione przez wąskie, pionowe płomienice płaskościenne o szerokości 44,5 mm (wobec 406-457 mm "normalnych" płomienic i średnicy 30-102 mm najczęstszych płomieniówek), łatwiejsze do czyszczenia z sadzy i drobnego popiołu od rurek.

Wodowane w latach 1854-1856 śrubowe kanonierki brytyjskie, tzw. kanonierki krymskie (toczyła się właśnie wojna krymska, dla potrzeb której je budowano), otrzymały kotły parowozowe (lokomotywowe), opracowane z myślą o maksymalnym obniżeniu wysokości oraz redukcji masy i wymiarów, więc szczególnie nadające się dla małych okrętów wojennych (na niewielkich jednostkach cywilnych, nie narażonych na ostrzał z dział, często oszczędzano miejsce przez wstawianie wysokiego kotła pionowego o małej podstawie). Kotły lokomotywowe działały wg tej samej idei, co omawiane poprzednio płomieniówkowe kotły niskie, tzn. miały paleniska i płomieniówki ustawione nisko, na jednym poziomie. Prostopadłościenna skrzynia ogniowa z umieszczonym wewnątrz rusztem łączyła się z wiązką prawie poziomych płomieniówek umieszczonych w cylindrycznym walczaku z wodą. Spaliny uchodziły do dymnicy (gdzie zbierano sadze, wygaszano iskry itd.), a potem do komina. W egzemplarzach użytych na kanonierkach krymskich Brytyjczycy nastawiali zawory bezpieczeństwa na 259-290 kPa, ale przy pracy z nadciśnieniem przekraczającym 241 kPa kotły ulegały nieustannym awariom. Jedni widzieli przyczynę tych powtarzających się defektów w zbyt płytkich skrzyniach ogniowych – inni w braku sklepieniowej ochrony płyt sitowych do mocowania płomieniówek. Przypuszczano również, że brak wibracji, jaka była udziałem kotłów w lokomotywach poruszających się z maksymalnymi prędkościami, mógł pogarszać samooczyszczanie się płomieniówek, a przez to przyspieszać ich przepalanie. W każdym razie nie znaleziono zadowalającego remedium i przed końcem XIX w. kotły parowozowe definitywnie zniknęły z okrętów. 

Na początku lat sześćdziesiątych XIX wieku mimo wielu konstrukcji eksperymentalnych i przyszłościowych, standard polegał na używaniu kotłów kufrowych (skrzynkowych), skraplaczy natryskowych, wody morskiej i nadciśnień pary nie przekraczających 200 kPa (30 psi). Na statkach cywilnych chodziło o kotły płomienicowe, czyli z szerokimi kanałami dla spalin, a na okrętach wojennych o kotły płomieniówkowe, czyli z wąskimi rurkami do przeprowadzania gorących gazów przez strefę wodną. Jednak już pojawienie się w 1854 r. pierwszego pełnomorskiego statku wyposażonego w silnik podwójnego rozprężania pary (silnik sprzężony) zwiastowało nadejście zupełnie nowej epoki, ponieważ stosowanie tego typu maszyny parowej było opłacalne tylko przy dużo wyższych ciśnieniach. Dlatego już pod koniec lat sześdziesiątych  typowe stały się wartości rzędu 400 kPa (58 psi). Musiało to jednak pociągnąć za sobą dwie bardzo ważne zmiany w instalacjach kotłowych.

Bardzo wskazane okazało się przejście na wodę słodką w zamkniętym obiegu. W przeciwnym wypadku przy ciśnieniu przekraczającym 175 kPa formował się z wody morskiej na ściankach kotła prawie nieusuwalny w tamtych czasach kamień gipsowy. Poza tym, ciągłe wydmuchiwanie odmulin z kotła oraz wyprowadzanie za burtę sporej części gorących skroplin niweczyło korzyści ekonomiczne uzyskiwane z wielokrotnego rozprężania pary. Ale zamknięty obieg wody słodkiej wymuszał powrót do skraplaczy przeponowych (zwanych powierzchniowymi). Tę odmianę skraplacza znano już od 1834 r., lecz wtedy okazała się chybionym pomysłem: para przeciskana przez cienkie rurki skraplacza Halla przynosiła tam łój, mąkę i inne ówczesne uszczelniacze oraz smary, prędko je zatykając, a chłodząca woda morska, otaczająca rurki, nie krążyła wystarczająco intensywnie, ponieważ napędzane od silnika głównego pompy tłokowe charakteryzowały się zbyt małą wydajnością. Zanim układ się rozpędził, w ogóle nie przynosiły skraplania pary – zalany parą skraplacz stwarzał wielkie problemy na starcie. Dodatkowo nie znano wystarczająco niezawodnych uszczelnień do oddzielania części wodnej i parowej w skraplaczu. Teoretycznie mniej agresywna korozyjnie woda słodka nieporównanie szybciej korodowała kotły od agresywnej wody morskiej, ponieważ kamień osadzający się z tej ostatniej pełnił (pod warunkiem, że tworzył tylko cienką warstewkę) rolę izolacji antykorozyjnej, zaś nie zdawano sobie sprawy z bardzo istotnej, negatywnej roli spełnianej przez rozpuszczony tlen. Przez kilkadziesiąt lat w sporej części tych kwestii dokonano jednak istotnego postępu. Udoskonalono środki smarne i uszczelnienia, zastosowano pompy wirowe o wielkiej wydajności do wody chłodzącej, nauczono się odtleniać wodę kotłową, opracowano procedurę wstępnego wytwarzania cieniutkiej warstwy ochronnego kamienia podczas rozruchu kotła na wodzie morskiej, ulepszono konstrukcję, mocowanie i uszczelnianie rurek parowych (gwintowane dławiki wypełnione bawełną na miedzianych rurkach). Zupełnym novum była z czasem zamiana ról – wodę tłoczono odtąd przez rurki skraplacza, a niosąca zanieczyszczenia para krążyła sobie bez problemów wokół nich. Co prawda to ostatnie udoskonalenie przyszło dużo później, ale nawet parowo-rurkowe skraplacze powierzchniowe z lat 60-tych szybko zaczęły wypierać natryskowe zwłaszcza tam, gdzie bardzo istotna była oszczędność paliwa – czyli głównie na pełnomorskich parowcach cywilnych. Na okrętach marynarek wojennych nie musiano zwracać takiej uwagi na oszczędną eksploatację, lecz i tam prędko się przekonano do rozwiązań pozwalających na poświęcenie większych przestrzeni na uzbrojenie, wyposażenie, systemy ochrony itd., zamiast na bunkry paliwowe.

Kufrowy kocioł płomieniówkowy na brytyjskim pancerniku HMS ThundererDrugą niezwykle ważną modyfikacją wymuszoną przez wzrost ciśnień pary była zmiana kształtu kotłów, palenisk i płomienic – prostopadłościenne działały zadowalająco tylko przy nadciśnieniach nie przekraczających 200 kPa. Teraz trzeba się było uciec do kotłów z cylindrycznymi lub owalnymi powłokami, paleniskami i płomienicami. Pancernik "THUNDERER", zwodowany w 1872 r., a ukończony w 1876, był ostatnim wielkim okrętem Royal Navy wyposażonym w kotły kufrowe (wytwarzały parę o nadciśnieniu około 300 kPa) – eksplozja jednego z nich (podczas prób w lipcu 1876 r.) zabiła 45 ludzi.

Źródła:
Krzysztof Gerlach, "Okrętowe kotły parowe do 1870 r. Zarys konstrukcji i nazewnictwa", Gdańsk 2022;
Wikipedia i inne strony internetowe.