Паровозный котел состоит из трех основных частей: топки 1, цилиндрической части 12 и дымовой коробки 9 (рис. 3).
Топка (задняя часть котла) состоит из огневой коробки 4 и кожуха 2.
Рис. 3. Котел паровоза: 1 —топка; 2 — кожух топки; 3 — лобовой лист; 4 — огневая коробка; 5 — циркуляционные трубы; 5 —задняя решетка; 7 — дымогарные трубы; 8 — жаровые трубы: 9 — дымовая коробка; 10 — передняя решетка; 11 — паровой колпак; 12 — цилиндрическая часть
В огневой коробке на колосниковой решетке происходит сгорание топлива, сопровождаемое большим выделением тепла. Температура горения достигает 1600—1800°С. Чтобы при этой температуре стальные стенки огневой коробки не перегревались, наружная их поверхность охлаждается водой. Вода, поглощая от стенок огневой коробки теплоту, превращается в пар. Кожух топки является оболочкой огневой коробки.
Цилиндрическая часть соединена с кожухом топки. В цилиндрической части котла помещаются дымогарные и жаровые трубы. В жаровых трубах, имеющих больший диаметр против дымогарных, размещены элементы пароперегревателя. По трубам из топки в дымовую коробку проходят горячие газы (продукты сгорания топлива) и отдают часть тепла воде, омывающей трубы снаружи, п насыщенному пару, проходящему по элементам пароперегревателя.
Дымовая коробка представляет собой камеру разрежения, необходимого для создания притока атмосферного воздуха через колосниковую решетку к горящему топливу в огневой коробке. Продукты сгорания поступают в дымовую коробку по дымогарным и жаровым трубам и через дымовую трубу отводятся в атмосферу. Максимальное разрежение в дымовой коробке при напряженном режиме работы паровозного котла достигает от 200 до 300 мм вод. ст.
Параметры котла. Вода в котле должна закрывать потолок огневой коробки, жаровые и дымогарные трубы. Площадь открытой поверхности воды в котле называется зеркалом испарения. Объем пара, заполняющий пространство над зеркалом воды, называется паровым объемом, а пространство, заполненное водой,— водяным объемом.
С изменением уровня воды в котле зеркало испарения и паровое пространство изменяют свои величины. Нормально уровень веды в котле находится на 200 мм выше самой высокой точки потолка огневой коробки.
Находящийся в котле пар заполняет над поверхностью воды паровое пространство и паровой колпак 11. Паропроизводительностью котла называется его способность приготовлять в единицу времени, например в 1 ч, необходимое количество пара рабочего давления и температуры.
Для обеспечения паровой машины и собственных нужд паровоза паром в количестве, необходимом для вождения поездов заданной массы и длины по определенному профилю пути с заданной скоростью, паровозный котел должен иметь соответствующую паропроизводительность.
Паропроизводительность котла определяется следующими показателями:
площадью колосниковой решетки, от которой зависит количество топлива, сжигаемого в единицу времени;
топочным объемом (внутренним пространством огневой коробки), от размеров которого зависит эффективность использования топлива;
испаряющей поверхностью нагрева котла (поверхностью огневой коробки, жаровых и дымогарных труб, омываемых водой);
газовой поверхностью пароперегревателя (наружной поверхностью всех элементов пароперегревателя, по которым движется и нагревается пар).
Испаряющаяся поверхность нагрева котла и наружная поверхность элементов пароперегревателя, расположенных в жаровых трубах, составляют полную, или общую, поверхность нагрева котла.
Следовательно, мощность котла зависит от размеров колосниковой решетки, его испаряющей поверхности нагрева, параметров пара (давления и температуры), а также теплотворной способности топлива и степени его использования.
Количество топлива в килограммах, которое сжигается в течение 1 ч на 1 м2 колосниковой решетки, называется интенсивностью (быстротой) горения, или форсировкой колосниковой решетки.
Количество пара (в кг), получаемое с 1 м2 испаряющей поверхности нагрева котла в течение 1 ч, называется интенсивностью парообразования, или форсировкой котла. Полученный в котле пар обладает определенным теплосодержанием. Теплосодержание пара есть количество тепла в джоулях в 1 кг пара. Так, например, теплосодержание насыщенного пара с давлением 1,5 МП а и содержанием влаги 5% равно 2700 кДж/кг.
При перегреве пара до температуры 250°С и при том же давлении его теплосодержание составит 2930 кДж/кг, а при температуре 400°С возрастет до 3257 кДж/кг пара.
В международной системе единиц измерения (СИ) теплота измеряется в джоулях: 1 ккал = 4,1868 кДж.
Процесс преобразования одного вида энергии в другой в паровозном котле сопровождается потерями, так как только часть располагаемого тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, используется на парообразование и перегрев пара. Поэтому эта часть тепла называется полезным теплом, а другая часть тепла составляет тепловые потери.
Распределение тепла, или так называемое уравнение теплового баланса котла, может быть представлено выражением:
Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6
где Q0 — располагаемое тепло, которое выделяется при полном сгорании топлива за 1 ч работы. Так, если за 1, ч израсходовано Вч кг топлива с теплотворной способностью QРН ккал/кг, то располагаемое тепло составит Q0 = Вч QРН ккал/ч;
Q1 — полезное тепло, использованное иа парообразование и перегрев пара;
Q2 — потери тепла в топке — механические. К механическим потерям, составляющим 1—3%, относятся потери топлива в результате прова-ливания через отверстия в колосниковой решетке, смешивания топлива с холодным шлаком или его неполного сгорания, а также уио-са мелких пылеобразных частиц с газами;
Q3 —потери химические составляют 3—7% и связаны с неполнотой сгорания, так как углерод при сжигании твердого топлива и водород при сжигании жидкого топлива могут частично не вступить в реакцию с кислородом при малой температуре в топке и относительно медленном течении реакции горения по причине недостаточного количества воздуха;
Q4 — потери тепла с уходящими газами самые значительные — составляют 15—20%, так как газы сгорания топлива не могут отдать котельной воде и пару все содержащееся в иих тепло и, омыв стеики огневой коробки,, дымогарных и жаровых труб, поступают в дымовую коробку с температурой 250—350° С, имея значительное количество тепла, уносимого в атмосферу через дымовую коробку;
Q5 — потери тепла в окружающую среду составляют 3—5% и вызваны тем обстоятельством, что температура котла выше температуры окружающего наружного воздуха;
Q6 — расход тепла на служебные иужды (приведение в работу сифона, паровоздушного насоса, подача сигналов свистком, работа углеподатчика или пульверизация жидкого топлива).
Определение тепловых потерь котла производят опытным путем. Для оценки степени совершенства паровозного котла определяется его коэффициент полезного действия.
К-п. д. котла нетто есть отношение полезного тепла Q1 к располагаемому Q0
К. п. д. котла брутто характеризует долю затраты тепла Q0
на приготовление котлом всего пара с учетом расхода пара на служебные нужды Q6 и подсчитывается следующим образом:
Поэтому коэффициент полезного действия котла зависит от потерь тепла, вызванных конструкцией котла, чистотой его стенок, сорта применяемого топлива и рациональным его сжиганием. В среднем к. п. д. котла составляет 0,6—0,7.
Огневая коробка или собственно топка (рис. 4) изготовлена из стальных листов и состоит из следующих частей: потолка 19, двух боковых стенок 20, задней стенки 11 с отверстием для подачи топлива и трубной или задней решетки 4. В трубной решетке имеются отверстия для установки дымогарных и жаровых труб. В топке уложены циркуляционные трубы 21, на которые опирается топочный свод. В нижней части топки расположена колосниковая решетка. В задней стенке топки имеется так называемое шуровочное отверстие, через которое забрасывают топливо на колосниковую решетку.
Рис. 4. Топка с плоским потолком: 1 — верхний лист кожуха топки; 2 — смычной лист; 3 — горизонтальный тяж; 4 — задняя трубная решетка; 5 —лапчатая связь; 6 — жесткая связь; 7 — люк; 8 — передний каблучок; 3 — задний каблучок; 10 — топочная рама; 11 — задняя стенка; 12 — топочное (шуровочное) отверстие; 13, 15 — контрфорс; 14 — передняя стенка кожуха топки; 16 — косынка; 11 — предохранительная пробка; 18 — анкерный болт; 19 — потолок огневой коробки; 20 — боковая стенка; 21— циркуляционная труба
Кожух топки изготовлен из стальных листов и состоит из следующих частей: потолка, двух боковых стенок, лобового листа с отверстием для подачи топлива и ухватного или смычного листа 2 для соединения кожуха топки с цилиндрической частью котла. Смычным этот лист называется, если он охватывает задний конец цилиндрической части котла по всему периметру, а ухватным, если им охвачена цилиндрическая часть котла только снизу.
Потолок огневой коробки выполнен с подъемом в передней его части на величину от 0,016 до 0,020%0, чтобы предотвратить оголение от воды задней его части при следовании паровоза по уклону и в случае резкого торможения.
Потолочный лист кожуха топки изготовлен параллельно потолку огневой коробки, что дало возможность использовать анкерные болты одинаковой длины и ставить их перпендикулярно к листам кожуха топки и огневой коробки.
Боковые стенки кожуха и огневой коробки радиальной топки имеют наклон (снизу вверх) к центру котла, так как ширина топки больше диаметра цилиндрической части. Наклон боковых стенок выполнен таким образом, что водяной промежуток между стенкой огневой коробки и кожуха увеличивается кверху, чем облегчаются выход пара от стенок огневой коробки, а также производство промывки и контроля за стенками топки.
Наиболее интенсивное парообразование происходит со стороны задней решетки, поэтому уширение пространства между смычным или ухватным листом и подрешеточной частью сделана наибольшим. Наклон вперед лобового листа кожуха топки вместе с задней стенкой огневой коробки выполнен по следующим соображениям: для смещения центра тяжести котла вперед, для лучшей обтекаемости стенок огневой коробки горячими газами и улучшения циркуляции воды.
Во избежание прогиба листы огневой коробки и кожуха топки соединены между собой по всей площади специальными стальными прутками — анкерными болтами и связями.
В нижней части кожух топки с огневой коробкой соединен с помощью стальной литой рамы, называемой топочной.
Тип и форма топок зависят от мощности паровоза, размера колосниковой решетки и места их размещения.
Рассмотрим три основных типа топок котлов паровозов. Топки с радиальным кожухом и плоским потолком огневой коробки имели узкую нижнюю часть для размещения ее между боковыми листами рамы паровоза. У топок этого типа маленький размер колосниковой решетки, малый объем парового пространства и площадь уровня воды (зеркала испарения) над потолком огневой коробки.
Топки с плоским потолком кожуха и огневой коробки (см. рис. 4) имеют более широкую нижнюю часть и больший объем парового пространства над огневой коробкой. Размещают их над рамой паровоза.
Основным недостатком топок этого типа является более сложное и тяжелое крепление плоского потолка кожуха топки.
Рис. 5. Радиальная топка: 1 - боковой лист кожуха топки; 2 — потолок кожуха топки; 3 — потолок огневой коробки; 4 — тяжи укрепления лобового листа; 5 — потолочные связи; в — циркуляционные трубы; 7 — лобовой лист кожуха топки; 8 — боковые связи; 9 — топочная рама; 10 — задний лист огневой коробки; 11 — колосниковая решетка; 12 — боковой лист огневой коробки; 13 — свод; 14 — ухватный лист кожуха; 15 — трубная решетка
Радиальные топки (рис. 5) применены на паровозах Л, Еа,м. Потолок кожуха топки имеет радиус, равный радиусу цилиндрической части котла. Потолок огневой коробки у этих топок имеет свод, описанный радиусом от 3000 до 3500 мм. Эти топки являются более легкими и в то же время более прочными и эластичными, чем топки с плоским потолком кожуха топки и огневой коробки. У радиальных топок анкерные болты, соединяющие потолок огневой коробки с кожухом, располагают веерообразно, перпендикулярно потолку, поперечные тяги кожуха не ставят.
Листы огневой коробки паровозных котлов изготовлялись из стали, листы кожуха топки и цилиндрической части котла — из котельной стали.
Огневая коробка изготовлялась сварной из листов толщиной 10 мм, задняя (трубная) решетка — толщиной 14—15 мм.
Рис. 6. Сварные швы огневой коробки и кожуха топки: а-ручная сварка огневой коробки; б — автоматическая сварка огневой коробки
Листы кожуха топки имеют следующую толщину: потолочный — 14—18 мм, боковых стенок—13—14 мм, лобовой — 13—15 мм, ухватный или смычной 18—22 мм. Кожух топки также сварной.' Разделка листов топки под сварку показана на рис. 6.
Заклепочные швы в сварных топках имеются только в местах соединения кожуха топки с цилиндрической частью котла и по топочной раме.