Паровозыжелезнодорожный транспорт

В процессе передачи тепла воде температура её всё время возрастает. Когда термометр показывает 100°, вода испаряется не только с поверхности, но и изнутри во всей своей массе. Пар в виде мельчайших пузырьков зарождается главным образом у поверхностей нагрева, так как именно эти поверхности обладают наиболее высокой температурой. Образующиеся пузырьки пара быстро растут, так как они энергично забирают тепло от окружающих перегретых частиц воды, отрываются от поверхности, на которой они образовались, и в вертикальном направлении всплывают на поверхность воды, приводя всю воду в состояние бурного, вихревого движения: спокойное испарение жидкости переходит в интенсивное кипение. Когда жидкость закипит, дальнейшее повышение температуры прекращается, хотя воде, находящейся в открытом сосуде, непрерывно сообщается тепло. На что затрачивается это тепло? При кипении тепловая энергия, сообщаемая воде, идёт только на превращение воды в пар, т. е. на преодоление сил сцепления между молекулами. Для нагревания 1 кг воды от 0 до 100° нужно затратить 100 килокалорий, а для того чтобы полностью превратить 1 кг воды в пар при температуре 100°, требуется ещё 540 килокалорий, т. е. в 5 с лишним раз больше. Это тепло, затрата которого не сопровождается повышением температуры воды, называется скрытой теплотой парообразования. До сих пор мы рассматривали процесс получения пара в открытом сосуде, когда выходу молекул из воды препятствовало только давление окружающего воздуха. Иная картина получается в плотно закрытом сосуде с водой, каким в сущности является котёл паровоза. Здесь выходящему из воды пару остаётся только пространство, ограниченное поверхностью воды и стенками сосуда. Когда вода нагреется до 100°, из неё начнёт выделяться пар той же температуры. Выделяющийся пар, поднимаясь вверх, встретит препятствие в виде стенок сосуда. А так как молекулы находятся в постоянном движении, то в ограниченном пространстве котла участятся удары их друг о друга и о стенки котла. Удары миллиардов молекул в сумме и составляют давление пара. Молекулы пара, заполнившего замкнутое пространство сосуда, будут давить не только на его стенки, — они будут оказывать такое же воздействие на поверхность воды (зеркало испарения), препятствуя выделению пузырьков пара из толщи воды. Но так как нагревание не прекращается, то тепло будет затрачиваться на повышение температуры воды сверх 100°. При этом скорость движения частиц ещё больше увеличится, и как только давление внутри паровых пузырьков превысит давление сверху, новая порция пара поступит в пространство над уровнем воды. Количество молекул в паровом пространстве возрастёт, промежутки между ними уменьшатся, пар уплотнится. От этого число ударов молекул увеличится, а следовательно, возрастёт и давление пара. Это вызовет дополнительное увеличение внутренней энергии пара, т. е. затрату дополнительного тепла на повышение температуры воды, и описанный процесс парообразования повторится снова. Необходимо отметить, что этот процесс протекает непрерывно и очень быстро. Из этого следует, что температура кипения воды зависит от давления, действующего на её поверхность, и повышается с увеличением давления (фиг. 43). Например, при давлении по манометру 4 am температура котловой воды, а значит и пара, равна около 15Г, а при давлении 10 am — 180,3°. Если же довести давление в котле до 15 am* по манометру, то температура увеличится до 200°. Наоборот, при снижении давления температура кипения воды понижается. Таким образом, температура кипения зависит от давления, при котором происходит парообразование. Это обстоятельство и позволило разрешить проблему создания маневрового паровоза, работающего без отопления, и поэтому безопасного в пожарном отношении. Такие паровозы, получившие название безогневых, или бестопочных * На современных паровозах большой мощности давление пара в котле равно 15 — 16 am. (так как они не имеют топки), незаменимы для работы на нефтеперегонных заводах, бумажных и лесопильных фабриках и тому подобных огнеопасных предприятиях, где возможность возникновения пожара особенно велика. Общий вид бестопочного паровоза, построенного Муромским заводом по проекту Коломенского паровозостроительного завода, представлен на фиг. 44. Он имеет обычную паровую Машину и экипажную часть, но у него нет дымовой трубы и тендера, а вместо котла с топкой установлен котёл-аккумулятор, представляющий собой большой стальной резервуар (ёмкостью 21 м3) с хорошей теплоизоляцией.

Фиг. 43. Схема зависимости температуры кипения от давления пара при парообразовании в закрытом сосуде Котёл-аккумулятор до приведения паровоза в действие заполняется примерно на 2/3 водой, а затем паром из обычного парового котла или котельной установки предприятия (начальная заправка занимает 30—50 мин.). Пар, поступающий в самую нижнюю часть котла, нагревает воду. Постепенно температура воды в котле-аккумуляторе увеличивается и наступает момент, когда эта температура соответствует точке кипения при заданном давлении (16 am): паровоз готов к работе. Когда машинист открывает выпускной клапан, пар из котла-аккумулятора поступает в паровую машину, и паровоз трогается. При этом по мере расходования пара давление и температура в котле-аккумуляторе постепенно снижаются. Но так как со снижением давления уменьшается и температура кипения, вода всё время кипит и интенсивно выделяется пар. Бестопочные паровозы могут работать без повторной зарядки до тех пор, пока давление не снизится до 1—2 am. Однако практически они разряжаются до давления 3—4 am, при котором ещё обеспечивается достаточная для маневровой работы сила тяги паровоза. Повторная зарядка занимает 15-—25 мин. Процесс парообразования в котле обычного паровоза отличается интересными свойствами. Если, например, при неизменном подводе тепла выпустить из котла часть пара, то несмотря на частично осво- водившийся объём парового пространства давление находящегося там пара останется прежним. Это происходит потому, что место выпущенного пара сейчас же занимает новая порция пара, образовавшегося из воды.

Фнг. 44. Бестопочный паровоз При кипении пар уносит с собой частицы воды и является влажным. Вот почему непосредственно соприкасающийся с водой пар называют насыщенным. В котле паровоза всегда получается насыщенный пар; он содержит в себе от 3 до 5% влаги, т. е. в 1 кг пара находится в среднем от 30 до 50 г воды.

Котлы паровозов питаются водой из рек, озёр, артезианских •скважин и искусственных водохранилищ. Воды этих источников содержат разнообразные примеси (частицы глины, песка, газы и растворённые соли). В среднем одна тонна природной воды содержит 300—500 г примесей. Состав и количество этих примесей неодинаковы для источников водоснабжения различных районов. Так, например, воды Донбасса особенно богаты солями, а воды многих источников водоснабжения Северного Кавказа отличаются присутствием в них большого количества щелочей. Органические вещества преобладают в водоёмах, питающихся болотными торфяными водами. Если питательная вода не подвергается специальной обработке, то, попадая в котёл паровоза, она приносите собой много различных примесей в растворённом виде или в виде взвешенных частиц. При испарении воды в котле количество примесей возрастает в несколько -раз. Если котловая вода загрязнена незначительно, то пузырьки пара, образующиеся при кипении, достигая её поверхности, мгновенно лопаются. Если же котловая вода сильно загрязнена, то парообразование ухудшается, так как процесс разрушения пузырьков пара при выходе их в паровой объём замедляется. Это происходит потому, что примеси, содержащиеся в воде, делают плёнку пузырьков более прочной. «Срок жизни» пузырьков пара в этом случае удлиняется. Это приводит к тому, что поступающие на поверхность воды новые пузырьки наслаиваются на пузырьки, не успевшие разорваться. Многослойная масса пузырьков представляет собой пену, которая накапливается под свободной поверхностью воды и поднимает эту поверхность. При этом объём парового пространства уменьшается и пар, захватывая с собой пену, загрязняется солями, механическими примесями, делается более влажным. Для вод с высоким содержанием солей, наряду со вспениванием, »в котле наблюдаются и случаи бросания, заключающиеся в мгновенных выбросах значительного количества воды вместе с паром в пароперегреватель и даже в паровую машину. Это явление большей частью имеет место при резком открытии регулятора. На фиг. 48 изображён «бросок» воды в котле при резком открытии регулятора. При «броске» воды влажность пара может увеличиться: во много раз. Выше указывалось, что унос влаги из котла снижает температуру перегрева пара. Падение температуры перегретого пара на 10е вызывает пережог топлива паровозом примерно на 1%, что снижает его экономичность и приводит к перерасходу до 1,5% воды. Но это не всё. При испарении влаги в пароперегревателе примеси,, содержащиеся в ней, осаждаются на стенках трубок элементов. От*

Фиг. 48. «Бросок» воды в котле при резком открытии регулятора этого сечение трубок уменьшается; передача тепла от стенок трубок к пару ухудшается, а стенки трубок перегреваются и прогорают. Ещё недавно только из-за накипи, образующейся в трубках элементов, потери топлива на сети дорог достигали 600 тыс. твгод. Из этого видно, как сильно влияет унос влаги из котла на расхож топлива. Часть примесей в виде мелких частиц уносится паровым потоком в цилиндры паровой машины, что приводит к усиленному износу трущихся частей и образованию твёрдого нагара. Во время работы котла примеси осаждаются на стенках топки,, жаровых и дымогарных труб в виде накипи или шлама. Теплопроводность стенок, покрытых накипью, уменьшается. От этого парообразование ухудшается. Таким образом, нормальная эксплуатация паровоза при плохом качестве пара сильно осложняется, а в отдельных случаях может произойти поломка деталей движущего и парораспределительного механизмов. Вопросы борьбы за качество пара, которое зависит от его влажности и содержания солей, уносимых из котловой воды в процессе парообразования, приобрели особое значение при вождении: тяжеловесных поездов на высоких скоростях, когда съём пара ■ с каждого квадратного метра поверхности нагрева значительно возрастает. До последнего времени самым распространённым способом борьбы с влажностью пара был способ механического отделения влаги от парового потока на его пути к пароперегревателю. Для этого применялся простой прибор, известный под названием паросушителя. Устройство его основано на использовании лабиринта перегородок, через которые пропускался пар ■ (фиг. 49). При резких поворотах (на 180°) капельки воды, обладающие значительно большим весом по сравнению с частицами пара, отбрасываются силами инерции на стенки прибора и возвращаютс

Паровая машина паровоза приводится в действие перегретым паром, т. е. таким, температура которого в 2—2,5 раза выше температуры насыщенного пара при том же давлении. На новейших паровозах температура перегретого пара достигает 450°. Чтобы нагляднее представить себе выгоды, связанные с применением перегретого пара, сопоставим два одинаковых паровоза с давлением пара в котле (по манометру) 15 am. Пусть первый локомотив работает насыщенным паром с влажностью 5%, а второй — перегретым паром, температурой 400°. Паровая машина паровоза, работающего насыщенным паром, потребляет в час примерно 10 000 кг пара. Высчитаем, сколько будет расходовать перегретого пара машина второго паровоза. Установлено, что 1 кг насыщенного пара при давлении 15 am по манометру занимает объём 0,126 мя. Значит, 10 ООО кг пара занимают объём, разный 0,126 х 10 ООО = 1 260 м3. Если же 1 кг пара нагреть при этом же давлении до 400°, то он займёт объём 0,194 м3, а 10 000 кг — 1 940 м8, т. е. на 680 м8 больше, чем такое же весовое количество насыщенного пара. Из этого следует, что для заполнения одного и того же цилиндра (объёма) потребуется меньшее весовое количество перегретого пара. Обращаясь к нашему примеру, видим, что для заполнения в течение часа того же объёма (1 260 м3) перегретым паром потребуется уже не 10 000 кг пара, а только 1 260 : 0,194 = 6 500 кг. Сбережение значительного количества пара, а следовательно, и воды даёт возможность сэкономить топливо при выполнении той же работы. Но может возникнуть вопрос, каким же образом получается экономия топлива, если для перегрева пара требуется добавочное тепло? На первый взгляд кажется, что, выигрывая на увеличении объёма пара, мы проигрываем на затрате тепла, которое требуется для перегрева. Однако это не так. Например, при давлении по манометру 15 am и температуре 200° на приготовление 1 м3 насыщенного пара расходуется 5 200 ккал, а при тех же 15 am и перегревании пара до 400° на получение 1 м3 перегретого пара затрачивается только 4 000 ккал. Использование перегретого пара вместо насыщенного даёт экономию примерно 20—25% топлива и 30—40% воды. Другим ценным свойством перегретого пара по сравнению с насыщенным является то, что он не выделяет капелек воды при охлаждении, расширении или снижении давления, т. е. не конденсируется, пока его температура не достигнет температуры насыщенного пара. Почему вредна конденсация? Пар, превратившийся в воду, естественно, работы не производит, вследствие чего в машину надо вводить некоторое количество добавочного пара. В паровых машинах, работающих насыщенным паром, потери от конденсации составляют 25—60%. Они складываются из потерь на так называемую первоначальную и внутреннюю конденсацию. Не останавливаясь подробно на этих довольно сложных явлениях, отметим лишь главное. Читателю известно, что определённому давлению насыщенного пара соответствует определённая его температура. В цилиндры паровой машины пар впускается при давлении примерно 15 am, а выпускается при давлении 1,5—2 am. При этом впуск и выпуск пара производятся через одни и те же каналы цилиндров. Температура стенок каналов после прохода по ним отработавшего пара будет значительно ниже температуры свежего пара, впускаемого в цилиндры через те же каналы. Из-за соприкосновения со сравнительно холодными внутренними поверхностями каналов и цилиндра часть пара оседает на них в виде росы—• происходит первоначальная конденсация. Внутренняя конденсация в отличие от первоначальной происходит не на стенках каналов и цилиндров, а во всём рабочем объёме цилиндров. При высокой же температуре перегрева пар не конденсируется в течение всего времени нахождения его в цилиндрах машины. Следовательно, потери на конденсацию уменьшаются, а это позволяет уменьшить расход пара.

Передача тепла в паровозной топке может происходить двумя путями: лучеиспусканием (радиацией) и соприкосновением (конвекцией). Между ними есть различие. Чтобы понять его, приведём такие примеры. Каждый из нас не раз ощущал действие тепловых лучей яркого летнего солнца, хотя солнце отделено от земли огромным пространством. Нагревательная спираль обычной электрической плитки точно так же излучает тепловые лучи, которые мы ощущаем, когда включим ток. Свойством испускать лучи обладают не только раскалённые тела, но и тела, нагретые до любой температуры, например стенки тёплой печи, поверхности труб отопления, по которым пропускается горячая вода или пар. Подобных примеров можно привести много. Передача тепла лучами на расстояние носит название теплопередачи лучеиспусканием (радиацией). Чтобы яснее представить перенос тепла конвекцией, достаточно опустить руку в поток слегка нагретой жидкости или газа, как мы сразу же ощутим приток теплоты. Такой способ распространения теплоты путём непосредственного действия нагретых частиц вещества при их движении называется конвекцией. Примером передачи тепла конвекцией может служить также движение воздуха в комнате от батареи парового отопления к холодному окну. В топке паровоза теплопередача лучеиспусканием (радиацией) является основной; почти девять десятых всего количества тепла в пределах огневой коробки передаётся лучеиспусканием. Источником лучистой энергии здесь служат раскалённый слой угля, раскалённые газы (пламя), а также свод, нагретый до высокой температуры. Указанные источники излучают во все стороны топки тепловые лучи, тепло которых поглощается менее нагретыми стенками огневой коробки и через них передаётся воде, омывающей стенки. Кроме передачи лучеиспусканием, небольшая доля тепла передаётся воде конвекцией. Отдав значительную часть тепла в топке, горячие газы мощным потоком устремляются из огневой коробки в жаровые и дымогарные трубы. Здесь процесс переноса тепла продолжается, но он носит иной характер: место лучеиспускания занимает главным образом конвекция, т. е. отдача тепла стенкам труб движущимися газами. Количество тепла, передающееся воде через каждый квадратный метр поверхности труб, много меньше того, которое передаётся через ту же площадь стенок топки. Каждый квадратный метр поверхности труб поглощает тепла в 8—10 раз меньше, чем каждый квадратный метр поверхности нагрева огневой коробки. Именно этим и объясняется тот факт, что топка приготовляет больше половины всего количества пара, получаемого в котле, хотя её поверхность примерно в 10 раз меньше испаряющей поверхности всех жаровых и дымогарных труб. Итак, теплопередача в котле осуществляется одновременно двумя способами; в топке основной вид теплопередачи — лучеиспускание, в жаровых и дымогарных трубах — конвекция. Передача тепла воде через стенки огневой коробки и труб возможна благодаря теплопроводности металла (фиг. 41). Внутри металлической стенки тепло непрерывно «течёт» от более нагретых частиц металла к менее нагретым и далее к воде, находящейся в котле. Теория теплопередачи в топке и в трубах котла является одной из сложных областей паровозной теплотехники. Ещё совсем недавно — три десятка лет назад — ряд вопросов из этой области был слабо изучен. Советские учёные — академик С. П. Сыромятников, проф. Н. И. Бело-конь, проф. П. К. Конаков и др.—вскрыли и научно объяснили многие важные явления теплопередачи в паровозном котле. Всё же некоторые вопросы, касающиеся теплового расчёта котла паровоза, недостаточно изучены.

Рассмотрим вкратце процесс горения топлива в топке паровозного котла. Вначале топливо, заброшенное в раскалённую топку, подсушивается, из него выделяется влага. Затем при нагревании до температуры 600 — 800° из топлива выделяются (улетучиваются) газообразные вещества, называемые летучими. Летучие вещества быстро и легко загораются; чем больше летучих содержит уголь, тем легче он воспламеняется, тем длиннее языки пламени. Летучие сгорают в пространстве над колосниковой решёткой, т. е. над слоем топлива. Чем меньше летучих содержит уголь, тем труднее он загорается, и процесс горения протекает главным образом в самом слое топлива. При горении в результате химических реакций образуются продукты горения (топочные газы), которые состоят из азота (главным образом), углекислого газа, сернистого газа, паров воды и некоторого количества свободного кислорода, не успевшего вступить в соединение с углеродом. Горение считается полным, если весь углерод, содержащийся в топливе, перешёл в углекислый газ, а водород — в пары воды. Горение называется неполным, если в продуктах горения имеются окись углерода, несгоревший водород или другие горючие вещества. После выделения летучих на колосниковой решётке образуется твёрдый остаток — кокс. Топочные газы, образующиеся от сгорания летучих и кокса, отводятся из огневой коробки через жаровые и дымогарные трубы при помощи специальной дымовытяжной установки (см. главу III). Тепловой эффект любого вида топлива, и в частности каменного угля, характеризуется теплотворной способностью, т. е. тем количеством тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг данного топлива. За единицу количества тепла принята килокалория (большая калория), т. е. количество тепла, за счёт которого можно повысить температуру 1 кг воды на 1°С. Установлено, что 1 кг хорошего каменного угля при полном сгорании способен выделить около 6 500 килокалорий тепла. При полном использовании этого тепла можно повысить температуру 6,5 т воды на 1° или подогреть от 0 до 100° 65 кг воды. После сгорания топлива на колосниковой решётке, как указывалось, остаётся зола — несгорающий остаток, образующийся из минеральных примесей. Чем больше золы в топливе, тем меньше горючих веществ и тем меньше теплотворная способность этого топлива. Находясь в слое раскалённого топлива, зола плавится и, медленно стекая к менее нагретой поверхности колосниковой решётки, застывает на ней, образуя плотную корку шлака. В результате доступ воздуха к слою топлива затрудняется, горение ухудшается и, если своевременно не очистить колосниковую решётку, может вообще прекратиться. Чтобы избежать зашлаковывания, топки паровозных котлов оборудуются шлакоувлажнителями. Шлакоувлажнитель имеет вид изогнутой трубки, расположенной под колосниковой решёткой. В трубке высверлен целый ряд маленьких отверстий. Пар, выходящий тонкими струйками из отверстий шлакоувлажнителя, проникает между частицами спекающейся золы, способствуя образованию пористого шлака. В результате значительно облегчается доступ воздуха из зольника в топку и упрощается чистка топки. Во время интенсивного горения температура в топке доходит до 1500°, а иногда и до 1700—1800°. Как же тепло, выделяющееся при горении в топке, передаётся воде, находящейся в котле паровоза?

Прежде чем перейти к рассмотрению явлений, связан- фиг_ 41_ Схема переДачи тепла воде ных с образованием пара в через стенку огневой коробки паровозном котле, остановимся сначала на особенностях парообразования в открытом сосуде, когда давление на поверхности воды равно атмосферному. Молекулы воды, как и всех веществ в природе, всегда находятся в движении: одни молекулы двигаются быстрее, другие — медленнее. Молекулы, которые двигаются с наибольшей скоростью, преодолевают силы молекулярного сцепления и выносятся в атмосферу. Оторвавшись от воды и попав в окружающий воздух, молекулы воды образуют водяной пар. Скорость движения молекул, находящихся в парообразном состоянии, больше скорости движения молекул воды. Расстояние между молекулами воды при переходе её в парообразное состояние увеличивается, вследствие чего объём 1 кг пара во много раз больше объёма 1 кг воды; при атмосферном давлении 1 кг пара занимает объём в 1 650 раз больше того объёма воды, из которой он получился (фиг. 42). Процесс перехода воды в парообразное состояние называется испарением. Так как молекулы жидкости всегда находятся в движении, то испарение её имеет место при любой температуре. Испарение можно наблюдать в природе: туман, облака и тучи — результат испарения воды с поверхности рек, озёр, морей. Однако без нагревания переход воды в пар происходит очень медленно. Чем сильнее нагрето тело, тем быстрее движение молекул «…теплота состоит во внутреннем движении материи», — писал свыше двухсот лет назад великий русский учёный М. В. Ломоносов.

С возрастанием температуры число молекул, двигающихся с наибольшей скоростью, увеличивается, а поэтому процесс испарения усиливается. Тепло, сообщаемое воде, расходуется на работу по

Фиг. 42. Сухой насыщенный пар при 1 ата, полученный из 1 л воды, займёт бак объёмом 1 650 л преодолению сил молекулярного сцепления в воде и сил давления атмосферного воздуха, который давит на поверхность воды и тем самым препятствует выходу пара в атмосферу.

Представим себе цилиндр с водой, на поверхности которой лежит подвижный поршень. Он притёрт к стенкам цилиндра так хорошо, что совершенно не пропускает пара. Будем подогревать воду. Пока вся вода в цилиндре не испарится, тепло будет затрачиваться на переход воды в пар. Но как только последняя частица воды испарится (фиг. 45), начнётся перегрев пара, объём которого в нашем примере будет возрастать, так как давление остаётся постоянным. Продолжая подводить тепло к пару, мы можем перегреть его до значительной температуры. Таким образом в основу получения перегретого пара положен принцип отделения и осушки насыщенного пара от воды, из которой он образовался, и сообщения ему добавочного тепла. В котле паровоза, всегда наполненном водой, по- фИг. 45. Получить перегретый пар путём испарения всей воды, лучение пе-конечно, нельзя. Поэтому здесь используют другой регретого па-способ получения перегретого пара. Смысл его за- р CX0 „„II0M ключается в том, что насыщенный пар выводят за пре- давлении делы парового пространства котла, отделяя тем самым пар от котловой воды. После этого ему и сообщают добавочное количество тепла. При этом, как и в рассмотренном выше примере, температура пара и его объём увеличиваются, а давление остаётся постоянным. Как же осуществляется перегрев насыщенного пара на современных паровозах?

Принцип получения перегретого пара был известен давно. Однако создание надёжного устройства для перегрева пара на паровозах оказалось весьма трудной задачей. Практически она была разрешена немногим более полувека назад. В 1898 г. инженер Грубинский сконструировал и установил на паровозе специальное устройство — пароперегреватель, который позволял нагревать насыщенный пар при постоянном давлении. Создание и усовершенствование пароперегревателей открыло новую эру в паровозостроении. Перегрев пара на паровозах происходит в пучках параллельных петлеобразных трубок — элементах, помещённых внутри труб, по которым проходят из топки газы сгорания. Эти широкие трубы называются жаровыми. Увеличение их диаметра в 2,5—3 раза по-сравнению с дымогарными трубами и объясняется необходимостью» разместить в них элементы. Число жаровых труб на паровозах доходит до 130. Пароперегреватели, элементы которых размещены внутри жаровых труб, называются жаротрубными пароперегревателями. насыщенный пар

Фиг. 46. Схема двухоборотного пароперегревателя Жаротрубный пароперегреватель (схема его представлена на фиг. 46) состоит из двух основных частей: элементов и коллектора. Трубки элементов укрепляются в жаровых трубах специальными скобами и распорками. Количество трубок в элементе, их расположение и размеры определяют тип пароперегревателя. Концы элементов выводятся в дымовую коробку и плотно прикрепляются к коллектору. Коллектор (фиг. 47) представляет собой коробку, состоящую из двух изолированных друг от друга камер: для насыщенного и для перегретого пара. Один конец элемента соединён с камерой насыщенного пара, другой —- с камерой перегретого пара. Поэтому пар из одной камеры в другую может попасть, только пройдя через элементы пароперегревателя. Пар из котла попадает в камеру коллектора для насыщенного пара и из неё поступает в элементы через ряд отверстий в плите (дне) этой камеры, разделяясь при этом на ряд мелких струек. Проходя внутри каждого элемента, струйки пара делают один или два поворота (к топке и обратно) в зависимости от типа перегревателя. Пар в трубках однооборотного пароперегревателя проходит в двух направлениях: от дымовой коробки к топке навстречу движению газов сгорания и от топки к дымовой коробке по направлению движения газов. Таким образом, пар делает в каждом, элементе один оборот. В трубках двухоборотного перегревателя пар совершает два оборота (см. фиг. 46).

Фиг. 47. Коллектор пароперегревателя Проходя по жаровым трубам, поток раскалённых газов встречает на своём пути элементы и передаёт часть тепла от газов пару,, движущемуся в трубках пароперегревателя. Передача тепла пару здесь идёт главным образом конвекцией, т. е. путём непосредственного соприкосновения движущихся газов со стенками элементов. Первоначально в элементах происходит испарение влаги, оставшейся в паре после выхода из котла. В это время температура пара не повышается. Следовательно, на некотором участке поверхность пароперегревателя (примерно 15—20% длины элемента) используется не по прямому назначению, что снижает конечную температуру перегрева пара. Но как только последняя; частица влаги испарится, тотчас же начнётся перегрев пара. При движении по трубкам элементов пар перегревается до температуры 350—450°. Так как находящийся в пароперегревательных трубках пар всё время сообщается с котлом, то давление пара остаётся почти неизменным (примерно равным котловому). Таким образом, поток раскалённых газов, проходя по жаровым -трубам, передаёт своё тепло не только окружающей воде, но и пару, протекающему в трубках элементов. От этого температура газового потока снижается и при выходе из жаровых труб не превышает 250—450°, тогда как при входе онаа равна 900—1200° {см. фиг. 46). Пройдя элементы, пар возвращается в коллектор, но уже в камеру перегретого пара. Итак, насыщенному пару, образовавшемуся в котле, приходится ^проделать длинный путь, прежде чем он попадёт наконец в паровую машину. На этом пути происходит осушка и перегрев пара.

Современные паровозы отапливаются преимущественно углём. Каменный уголь может содержать до 80% углерода. Углерод — основное горючее вещество любого топлива. Кроме углерода, горючими являются водород и частично сера. Содержащиеся в топливе азот и кислород, а также влага при горении топлива тепла не выделяют, а влага требует ещё и тепла для своего испарения. Минеральные примеси, находящиеся в топливе, при полном сгорании его претерпевают ряд химических превращений. В результате после сгорания топлива из минеральных примесей образуется негорючий остаток, называемый золой. Зола и влага являются вредными примесями, так как они загрязняют топливо и осложняют его горение. Поэтому их называют балластом топлива. При достаточно высокой температуре горючая часть топлива — углерод, водород, сера — быстро соединяется с кислородом воздуха, подводимого в топку. Быстро протекающее химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемое выделением тепла и света, называется горением. В воздухе содержится более х/5 кислорода (20,91%) и почти 4/5 азота (78,15%). Небольшой процент (0,94%) падает на долю углекислоты и водяных паров. Горение поддерживает только кислород. Азот, как показывает само название этого газа («азот» — слово древнегреческое, обозначающее «безжизненный»), горения не поддерживает. Поэтому когда мы говорим о подводе в топку необходимого для горения воздуха, мы, собственно, подразумеваем подвод содержащегося в нём кислорода. Сколько же нужно подвести в топку воздуха, чтобы топливо сгорело наиболее полно? Здесь нам на помощь приходит химия. Она позволяет определить теоретически потребное количество воздуха. Установлено, что для полного сгорания 1 кг обычного каменного угля требуется около 10 кг воздуха. Так как 1 кг воздуха занимает объём примерно 0,8 м*, то для сжигания 1 кг каменного угля должно быть подведено приблизительно 8 м3 воздуха. Например, если в час на колосниковой решётке сжигается 3 ООО кг каменного угля, то за это время нужно подать в топку около 24 ООО м3 воздуха. Практически в топку подводится несколько большее количество воздуха, чем требуется по теоретическим подсчётам. Это объясняется тем, что процесс перемешивания воздуха с частицами топлива (особенно твёрдого топлива) и горючими газами происходит несовершенно. Вследствие этого некоторые частицы не успевают войти в соприкосновение с воздухом. Следовательно, если в топку подводить только теоретически необходимое количество воздуха, то сгорание будет неполным, а значит и тепла при этом выделится значительно меньше. Однако чрезмерно увеличивать количество подводимого воздуха невыгодно: слишком обильный его приток, хотя и обеспечивает наиболее полное сгорание топлива, но в то же время избыточный воздух, нагреваясь, отнимает у топлива тепло и температура в огневой коробке уменьшается. Практика показывает, что для полного сгорания углей выгоднее подавать воздуха в 1,2 —1,3 раза больше теоретически необходимого количества. Следовательно, для полного сжигания 3000 кг каменного угля нужно в течение часа подать в огневую коробку не 24 000 м3 воздуха, как указано в нашем примере, а около 30 000 м3. Чтобы заставить такое большое количество воздуха непрерывно поступать в топку, в котле паровоза создаётся сильная тяга (см. главу III).