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.

Тепловые процессы, связанные с образованием пара, протекают внутри котла. Между тем паровозная бригада должна наблюдать за уровнем воды в котле и знать давление пара в нём. Для этого в будке машиниста на лобовом листе кожуха топки (фиг. 66) устанавливаются контрольно-измерительные приборы, которые и относятся к арматуре котла. Одни из приборов — водоуказательные стёкла или водопробные краники — служат для контроля уровня воды в котле; другие — манометры — для контроля давления пара. К арматуре котла относятся также предохранительные клапаны, водоуспокоительная колонка, пирометр, вентили, краны и др. Водоукаватеяьиые (водомерные) стёкла При спокойном состоянии воды её уровень в котле паровоза, как и в любом сосуде, всегда остаётся горизонтальным (фиг. 67,а). Но с увеличением угла наклона сосуда слой воды становится больше на одной стороне сосуда и меньше на другой. А если в сосуде мало воды и его сильно наклонить, то дно сосуда частично обнажится. Паровозу приходится двигаться по разнообразному профилю пути. Когда паровоз идёт по спуску, а также при резком торможении, вода в котле перемещается вперёд и слой воды в передней части котла увеличивается (фиг. 67,6). Наоборот, в задней части котла, как раз там, где расположен потолок огневой коробки, слой воды при этом уменьшается и может случиться так, что какой-то участок потолка обнажится. В этом случае он быстро перегреется, т. е. его температура станет значительно выше, чем та, которую имел потолочный лист при нормальном уровне воды. В результате перегрева металла может произойти расстройство соединений потолочного листа с анкерными болтами, разрыв этого листа и взрыв котла. Поэтому потолки огневых коробок всех паровозов располагают не горизонтально, а с некоторым уклоном (фиг. 67,в). На паровозе серии Л, например, передняя часть потолка расположена выше задней на 75 мм. По своей относительной величине уклон потолка обычно несколько превосходит самые крутые спуски железных дорог.

Уклон увеличивает слой воды над задней частью огневой коробки по сравнению с передней. Если паровоз с площадки перейдёт на спуск, то хотя вода в котле и устремится вперёд, но потолок топки не обнажится, так как на спуске он сам будет приближаться к горизонтальному положению. Благодаря этому слой воды над потолком огневой коробки будет ровным. В котле необходимо всегда поддерживать определённый запас воды. Иначе не только на спуске, но даже и на площадке возникнет опасность обнажения потолка огневой коробки. Фиг. 67. Толщина слоя воды над задней частью огневой’ коробки (пунктиром обозначен уровень воды в котле, стрелками — толщина слоя воды над задней частью котла) Передняя часть потолка огневой коробки является самой высокой частью котла, обогреваемой непосредственно пламенем. Это самая высокая точка потолка, обозначенная табличкой «Нёбо топки» (фиг. 68 и 69). Уровень воды в котле измеряют именно от этой наивысшей точки. Пока над огневой коробкой находится достаточное количество воды, она отнимает от металла потолка избыточное тепло и предохраняет его от перегрева. После снижения уровня воды ниже предельного допускаемого происходит выплавление контрольных пробок (см. ниже), и если не будет произведено немедленного прекращения горения в топке, то при интенсивной работе топки достаточно нескольких минут, чтобы обнажённый от воды потолочный лист перегрелся до температуры 500—550°. При такой температуре прочность металла снижается более чем в четыре раза. Потолочный лист под давлением пара выпучивается, значительно вытягиваясь и нарушая тем самым соединение его с потолочными связями; в результате может произойти разрыв листа.

Фиг. 68. «Нёбо топки» и потолок огневой коробки Быстрое, почти мгновенное при разрыве листа снижение давления пара в котле вызывает бурное вскипание всей массы воды в котле, так как котловая вода имеет обычно температуру около 200°, а в условиях ^атмосферного давления кипение происходит при 100°. Мгновенно образовавшийся поток громадного количества пара вызывает взрыв котла с разрушением всех его частей. Вот почему необходимо, чтобы толщина слоя воды над «Нёбом топки» была не менее 100 мм. Это — минимально допустимый уровень воды в,котле, при котором потолок огневой коробки будет ещё застрахован от обнажения и перегрева.

Интересно отметить, что при уровне воды 100 мм над потолком топки в котле паровозов серий ФД и ИС имеется около 13,5 т воды. Наблюдая положение уровня воды в стекле по отношению к указателю низшего уровня, паровозная бригада регулирует ^питание котла водой. Чем же и как измеряется уровень воды в котле? Одним из приборов, с помощью которого паровозная бригада наблюдает за изменением уровня воды в котле, является водо-указательное (водомерное) стекло. Принцип действия водоуказателы-юго стекла основан’ на законе сообщающихся сосудов, уровень воды в которых (при одинаковом давлении в обоих сосудах) остаётся всегда одинаковым независимо от формы и размеров каждого из сосудов. Этим законом физики и воспользовались конструкторы паровых котлов. Посредством штуцеров и уплотнительных сальников водоуказательное стекло верхним концом сообщается с паровым пространством котла, а нижним— с водяным (см. фиг. 69). Поэтому уровень воды в котле и водоуказа-тельном стекле будет одинаковым. Нижний штуцер размещён на одном уровне с «Нёбом топки», т. е. с самой верхней точкой потолка огневой коробки. На лобовом листе котла каждого паровоза, вблизи водоуказа-тельного стекла, прикрепляется пластина с указателем и надписью «Низший уровень воды в котле». Паровозная бригада ни в коем случае и ни при каких условиях не должна допускать снижения уровня воды в котле ниже отметки «Низший уровень воды». В настоящее время новаторы транспорта и инженеры-конструкторы работают над созданием приборов, которые могли бы в случае понижения уровня воды в котле ниже допускаемого автоматически сигнализировать машинисту об опасности обнажения потолка огневой коробки. Водоуказательное стекло действует исправно, если каналы, соединяющие его с котлом, не засорены. Если каналы засорились, стекло даёт неверные показания. Чтобы показания водомерного стекла были правильными, его необходимо периодически продувать, для чего оба штуцера снабжаются вентилями и специальным продувательным краном. При открытии продувательного крана и одного из вентилей сильная струя пара устремляется в атмосферу, выталкивая накипь и грязь, скопившиеся в канале, который соединяет водоуказательное стекло с котлом. Если стеклянная трубка разобьётся, то, перекрывая вентили, её можно разобщить с котлом и заменить новой. Чтобы осколки стекла не причинили вреда паровозной бригаде, на водоуказательное стекло надевают ещё одно толстое предохранительное стекло, внутрь которого заделана металлическая сетка. На котле современного паровоза нет ни цилиндрического стекла, ни предохранительного футляра. Однако уровень воды в котле отчётливо виден и наблюдать за ним безопасно. Достигается это с по мощью специального плоского стекла (фиг. 70), f отлитого в форме толстого бруска. Это стекло вставляется на прокладках в металлический корпус (обойму) и плотно прижимается к нему. С паровым и водяным пространством котла плоское стекло (вернее, обойма. Фиг. 70. Схема установки"" плоского водоуказательного стекла на водоуспокоительной колонке его) сообщается так же, как и цилиндрическое, посредством штуцеров и вентилей. Часть плоского стекла, заполненная водой, кажется тёмной,,, а часть стекла, заполненная паром, остаётся светлой. Почему же вода кажется окрашенной?

Потому что задняя стенка стекла снабжена вертикальными призматическими рёбрами. Благодаря ребристой поверхности лучи света, падающие на стекло, преломляются, отчего вода и кажется тёмной. .Это позволяет отчётливо видеть уровень воды в стекле, а значит, и в котле. На современных мощных паровозах устанавливается два водо-указательных стекла: одно непосредственно на котле (левое), второе (см. фиг. 70) на водоуспококтельиой колонке (правое).