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.

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.

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.