Глава 6 ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛИ

По мере нагревания воды в котле температура ее повышается до 100°С, вода закипает и образуется некоторое количество пара, который заполняет свободный от воды объем. Такой пар, образующийся в герметически закрытом котле в присутствии воды, называется насыщенным. При этом температура выделенного пара также будет около 100°С, а давление — 1 кГ/см².
Одно из свойств насыщенного пара заключается в том, что при определенном давлении он имеет соответствующие этому давлению температуру, теплосодержание и плотность. При дальнейшем нагревании воды в закрытом котле количество пара и плотность его будут увеличиваться, а следовательно, будет возрастать и давление пара. Но благодаря указанному выше свойству насыщенного пара с увеличением плотности и давления будет возрастать и температура пара. Зависимость между давлением, температурой и удельным весом (характеризующим плотность) насыщенного пара приведена в табл. 4.

С повышением температуры плотность пара будет возрастать, а с понижением температуры часть пара превратится в воду (сконденсируется) и оставшийся пар будет иметь плотность, соответствующую новой температуре.

Свойство насыщенного пара — с понижением температуры превращаться в воду, т. е. конденсироваться, — является его большим недостатком. Соприкасаясь, например, с холодными стенками цилиндров, часть насыщенного пара вследствие понижения температуры конденсируется, и в цилиндрах скопляется вода. Конденсация вызывает большие потери тепла при протекании пара впаропроводах и цилиндрах, а скопление воды может повлечь повреждения деталей машины.

Если насыщенный пар, полученный в котле паровоза, продолжать нагревать в отдельном объеме, не имеющем воды, то получится перегретый пар. При этом сначала испарится влага, содержащаяся в паре, а затем начнется повышение температуры и увеличение удельного его объема. Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами:

а) при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет значительно большую температуру и теплосодержание;

б) имеет больший удельный объем в сравнении с насыщенным паром, т. е. объем 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому при тех же раз мерах цилиндров машины для получения необходимой мощности потребуется перегретого пара по весу меньше, что дает экономию в расходе воды и топлива;

в) перегретый пар при охлаждении не конденсируется, в связи с чем уменьшается теплообмен со стенками цилиндров; конденсация наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара упадет до температуры насыщенного пара при данном давлении.

Чем выше температура перегрева пара, тем экономичнее работает паровоз. Считают, что повышение температуры перегрева пара на 10 °С дает примерно 1% экономии топлива. На современных паровозах температура перегрева пара колеблется в пределах 360 - 410 °С.

Для получения перегретого пара па паровозах устанавливают пароперегреватели, из которых широкое распространение получил 1ак называемый жаротрубный пароперегреватель. Такое название он получил вследствие того, что трубки (элементы) пароперегревателя размещены в жаровых трубах котла.

На современных паровозах применяют следующие типы жаро-1рубных пароперегревателей: двухоборотный, широкотрубный Л-40 и мелкотрубный

Большинство паровозов оборудовано двухоборотным пароперегревателем, схема которого представлена на рис. 57, а. Пар из сухопарника по регуляторной трубе поступает в камеру насыщенного пара А коллектора 1, затем проходит по трубке элемента 2, делает два оборота в жаровой трубе 3 и выходит уже перегретым в камеру перегретого пара Б, откуда поступает в цилиндры паровоза.

На паровозах старой постройки устанавливали 21—28 элементов. На современных паровозах число их значительно увеличено, например, на паровозе ФД21 их установлено 40, Л—50, СО—52, Л В—66.

Широкотрубный пароперегреватель Л-40 (рис. 57, б) отличается от двухоборотного конструкцией элементов. В этом паролерегревателе пар также из камеры насыщенного пара 4 коллектора 1 поступает в трубку элемента 2, но перед входом в жаровую трубу эта трубка разветвляется на три трубки; трубки делают один оборот в жаровой трубе 3 и по выходе из нее снова соединяются в одну, которая подводится к камере перегретого пара Б коллектора. Широкотрубный пароперегреватель, который имеет схему известного в свое время однооборотного пароперегревателя системы Чусова, установлен на паровозе ФД. Элементы пароперегревателя размещены в 40 жаровых трубах, поэтому его называют Л-40.

Мелкотрубный пароперегреватель (рис. 57, в), примененный на части паровозов ФД, имеет более сложную схему расположения элементов. Трубка элемента 2, идущая от камеры насыщенного пара А коллектора 1, разветвляется на две трубки, которые входят в разные жаровые трубы 3. Каждая из них делает один оборот в жаровой трубе, затем переходит в другую жаровую трубу 4, где делает второй оборот, и выходит в дымовую камеру, здесь две трубки соединяются в одну, которая подходит к камере перегретого пара Б коллектора. Таким образом, один элемент пароперегревателя размещен в четырех жаровых трубах. Все элементы мелкотрубного пароперегревателя расположены в 130 жаровых трубах.

Испытания показали, что из перечисленных типов жаротрубных пароперегревателей наибольшую температуру перегрева пара дает двухоборотный пароперегреватель, установленный на паровозах П36. Его поверхность нагрева около 132 м². Этот пароперегреватель при наличии на паровозе водоподогревателя обеспечивает температуру перегрева пара в пределах 400—410 °С.

Пароперегреватель паровоза ЛВ, имеющий поверхность нагрева 136 м², дает возможность получать температуру перегретого пара до 400°С.

В сравнении с мелкотрубным широкотрубпый пароперегреватель на паровозах ФД увеличивает мощность котла на 15% и снижает расход топлива на 7—8%.

Худшим в смысле тепловой эффективности является мелкотрубный пароперегреватель. Большим недостатком этого пароперегревателя является занос изгарью жаровых труб, имеющих сравнительно небольшой диаметр. Особенно сильно забиваются пзгарыо нижние ряды труб, вследствие чего часть элементов пароперегревателя фактически выключается из работы, что резко снижает перегрев пара. Кроме того, из-за большого количества поворотов в элементе происходит значительное мятие пара. Поэтому мелкотрубный пароперегреватель па паровозах ФД заменяют более совершенным широкотрубным Л-40.

Применяют два типа соединения элементов с коллектором пароперегревателя: на конических втулках системы Рязанцева и па шаровых головках. На паровозах, оборудованных двухоборотным пароперегревателем, за небольшим исключением устанавливают унифицированные элементы (рис. 58) с уплотнением в месте соединения с коллектором при помощи втулок Рязанцева.

Унифицированные элементы двухоборотного пароперегревателя изготовляют из цельнотянутых трубок диаметром 35X3,5 мм из стали марки 10 и размещают в жаровых трубах диаметром 133X4 мм. На некоторых паровозах (Е^а, Е^м, П36) элементы изготовлены из трубок диаметром 38\3,5 мм.

К концам трубок элементов 8 (см. рис. 58) приварены газовой сваркой головки 7. В коллекторе и в головках элементов делают отверстия, куда вставляют уплотняющие втулки 6 Рязанцева. При помощи болта 2, который пропускают через нажимную скобу И, установленную под головками элемента, сферической шайбы 9 и гайки 10 создают плотное соединение элементов с коллектором 5.
В жаровой трубе элемент установлен на поддержках, состоящих из наружного хомутика 4 и внутренней распорки 12, которые скрепляют трубки элемента. К хомутику припаривают две колодки 3 из стали Ст.2 со скругленными кромками, которыми элемент опирается на внутреннюю стенку жаровой трубы. Концы трубок элемента со стороны огневой коробки соединены колпачками 1.

Для свободной и правильной установки элемента в коллекторе нажимная скоба 11 сделана незамкнутой, с прорезями. Это исключает перекос и парение элементов, что имело место при колодке, охватывавшей трубки элемента. Изготовляют скобу штамповкой или механической обработкой из стали марки Ст.5.

Вследствие того что болты, укрепляющие элементы к коллектору, работают на растяжение в условиях высокой температуры, их изготовляют из жаростойкой легированной стали. На паровозах с перегревом пара до 350°С можно изготовлять эти болты из стали Ст5.

На паровозах ФД, Л, Е^а, ЛВ, П36 применено шаровое соединение элементов с коллектором. Конец трубки элемента выштампован в виде шаровой головки (рис 59). Отверстия в коллекторе под шаровую головку элемента сделаны коническими с углом 90°. Нижней шаровой поверхностью головка элемента опирается на шайбу, в которой сделано углубление по шару При помощи нажимной скобы, натяжного болта и гайки шайбы прижимают шаровые головки к коническим отверстиям коллектора. Такое соединение благодаря наличию шаровой головки даже при небольшом перекосе в постановке обеспечивает необходимую плотность. Однако в изготовлении оно более сложно, чем соединение на втулках Рязанцева.

Колпачки элементов (см. рис 58) делают цельноштампованными или штампованными с вварной вставкой. К трубкам элемента колпачок приварен газовой сваркой.

На паровозе П36 элементы двухоборотного пароперегревателя имеют трубки диаметром 38X3,5 мм, которые установлены в жаровых трубах размером 152X4,5 мм.

Широкотрубный пароперегреватель Л-40 имеет однооборот-ные элементы (рис. 60). Диаметр трубок элемента 29X3 мм. Элементы установлены в жаровых трубах размером 152X4,5 мм. С коллектором элементы соединены при помощи шаровых головок, выштамповапных на концах трубок. Для установки в жаровых трубах элементы имеют поддержки такого же типа, как унифицированные элементы. Элементы мелкотрубного пароперегревателя расположены в четырех жаровых трубах диаметром 89X3,5 мм и изготовлены из трубок размером 29X3 мм. Для защиты от механического износа (изгари) на паровозах Л, Е^а, ЛВ, П36 в дымовой камере на элементы ставят со стороны трубной решетки предохранительные щитки.

Коллектор (рис. 61) жаротрубного пароперегревателя представляет собой чугунную или стальную отливку или сварную конструкцию, которая перегородками разделена на две камеры — насыщенного и перегретого пара. Как видно из рис. 61, полости камеры насыщенного пара перемежаются с полостями камеры перегретого пара. Это необходимо для установки элементов, которые одним концом присоединяют к камере насыщенного пара, а другим — к камере перегретого пара. В связи с этим коллектор имеет сложную конфигурацию с большим количеством перегородок.

Камера насыщенного пара литого коллектора паровоза Э^у имеет фланец для соединения с регуляторной трубой, а камера перегретого пара — два фланца для присоединения паровпускных труб. Нижняя стенка (плита) коллектора имеет значительплита его имеет толщину 30 мм. Плоские стенки коллектора укреплены вварными связями Соединительные каналы через один сообщены с камерами насыщенного и перегретого пара; к ним снизу присоединены элементы пароперегревателя

Паровозы ЛВ, как и паровозы Л, оборудованы цельносварным коллектором. В отличие от паровоза Л, у которых камеры насыщенного и перегретого пара имеют прямоугольную форму с плоскими стенками, укрепленными связями, на паровозе ЛВ обе камеры изготовлены из стальных труб размером 194X7 мм. Это избавляет от необходимости установки связей, что позволило снизить вес коллектора и повысить его надежность.

Цельносварной коллектор паровоза П36 по конструкции похож на коллектор паровоза Л. Коллекторы сваривают электродами типа Э-42

Коллектор паровоза ФД (см. рис. 51) отлит из стали заодно с корпусом многоклапанного регулятора Особую конструкцию имеет коллектор паровоза Эр постройки 1949 г. с усиленным пароперегревателем. Он состоит из двух самостоятельных стальных отливок — камер насыщенного и перегретого пара, которые соединены вместе при помощи болтов.

Для измерения температуры перегретого пара на паровозе устанавливают пирометр (рис. 63), который состоит из термопары 4, гальванометра 1, соединительного провода 2 и соединительной коробки 3. Термопару устанавливают в отверстие, сделанное в коллекторе пароперегревателя или в золотниковой коробке цилиндра. Гальванометр помещают в будке машиниста. Термопара 4 представляет собой спай никелевого и медно-никелевого сплавов (хромеля и копеля). Если концы спаянных кусков металла включить в цепь и нагревать спай, то в цепи возникнет электродвижущая сила, пропорциональная температуре нагрева, которая регистрируется гальванометром; на шкале его указывается температура в градусах.

Несмотря на полезность пирометра для локомотивной бригады (его устанавливали при постройке паровозов, включая и ЛВ), этот прибор в последнее время с паровозов снимают.