При нагревании воды в котле температура ее будет постепенно повышаться до 100°С. Затем вода закипает и образуется пар. Давление такого пара равно атмосферному, а температура его, как и температура воды, будет равна 100°С; каждому давлению соответствует вполне определенная температура кипения. Пар, находящийся над поверхностью кипящей воды, называется влажным насыщенным паром, он всегда содержит некоторое количество капельной воды.

Отношение массы воды, содержащейся во влажном насыщенном паре, ко всей массе влажного насыщенного пара называется степенью влажности пара. Одним из свойств насыщенного пара является то, что он имеет при определенном давлении соответствующие этому давлению температуру, теплосодержание и плотность.

В случае же понижения температуры происходит обратный процесс превращения пара в воду — его конденсация. Так как каждой температуре насыщенного пара соответствует определенное давление, то при конденсации пара с понижением температуры соответственно снижается и его давление. Это свойство насыщенного пара является большим его недостатком, так как конденсация увеличивает потери тепла при протекании пара в паропроводах и цилиндрах, а скопление воды может вызвать повреждение машины.

Если же влажному, насыщенному пару сообщить тепло в отделенном от воды объеме, то взвешенные в нем частицы воды будут испаряться, т. е. пар станет сухим насыщенным, но температура его будет соответствовать температуре парообразования при данном давлении. Отношение массы сухого насыщенного пара ко всей массе влажного пара называется степенью сухости пара.

При дальнейшем сообщении тепла сухому насыщенному пару начинается повышение температуры пара, его плотности, давления и удельного объема. Пар становится перегретым со следующими его свойствами и преимуществами. При получении перегретого пара из насыщенного его теплота состоит из теплоты насыщенного пара и теплоты перегрева. При этом давлению насыщенного пара соответствует только одна температура, а перегретый пар при определенном давлении может иметь более высокую температуру. Перегретый пар одинакового давления с насыщенным паром имеет меньшую плотность, более высокую температуру и большее теплосодержание.

Перегретый пар при охлаждении не конденсируется пока его температура не понизится до температуры насыщенного пара при данном давлении. Перегретый пар более подвижен, чем насыщенный, имеет больший удельный объем, т. е. объем 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому при тех же размерах цилиндров машины требуется перегретого пара меньше, чем насыщенного, для получения одной и той же мощности. Это позволяет иметь меньший расход пара и получить экономию воды и топлива. Температура перегрева пара на современных паровозах примерно 360—450°С. Чем выше температура перегрева пара, тем экономичнее работает паровоз.

Процесс перегрева пара на паровозе заключается в том, что пар из парового пространства котла через паросушитель поступает в элементы пароперегревателя, где перегревается с давлением, равным котловому. Этот процесс позволяет пару расширяться, т. е. увеличивать свой объем при постоянном давлении. Данное свойство важно еще и потому, что для работы пара в цилиндре паровой машины важна не его масса, а объем. Кроме того, применение перегретого пара значительно уменьшает потери на теплообмен со стенками цилиндров в паровой машине. При повышении перегрева на каждые 10°С экономится около 1% топлива и столько же воды. Первый паровоз с перегретым паром был построен Коломенским паровозостроительным заводом в 1902 г.

Не касаясь первых старинных типов перегревателей, надо сказать, что исключительное распространение получили жаротрубные перегреватели: часть дымогарных труб делается увеличенного диаметра («жаровые» трубы), и в них заводят трубки («элементы перегревателя»), по которым и проходит перегревающийся пар. Все распространенные в настоящее время системы перегревателей и в основном системы Шмидта, Чусова и Элеско имеют именно такое устройство, различаясь между собой лишь размерами элементных и жаровых труб, а также и расположением элементных груб в жаровых.
Такое расположение перегревателя удобно с чисто конструктивной стороны: оно позволяет иметь более или менее высокий перегрев с применением простейших средств.
На паровозах применяют жаротрубные пароперегреватели, которые позволяют получить температуру перегретого пара до 450°С. Основными частями жаротрубных пароперегревателей являются коробка пароперегревателя и пароперегревательные трубки-элементы. Коробка представляет собой стальную или чугунную полую отливку, или сварную конструкцию с двумя камерами, разделенными перегородками, и служит для распределения насыщенного пара по элементам и сбора из них перегретого пара.

Рис. 32. Коробка пароперегревателя паровоза Л: 1 — патрубок насыщенного пара; 2 — соединительные каналы; 3 — фланцы парорабочих труб; 4—камера перегретого пара; 5— связи; 5 —плита; 7 — камера насыщенного пара

Коробка пароперегревателя смонтирована на двух кронштейнах, укрепленных в дымовой коробке с помощью шести болтов, гайки которых обращены наружу дымовой коробки.

Пар из котла (рис. 32) при открытом регуляторе поступает в камеру насыщенного пара и направляется в перегревательные трубки — элементы, расположенные в жаровых трубах. Получив в элементах дополнительное тепло, пар в перегретом состоянии поступает в камеру перегретого пара и далее направляется в паровпускные трубы, соединенные с золотниковыми камерами паровой машины паровоза.

В коробке пароперегревателя элементы одним концом соединены с камерой насыщенного пара, а другим концом с камерой перегретого пара.

Таким образом, разделенные внутренними перегородками камеры насыщенного и перегретого пара сообщаются между собой только через пароперегревательные элементы.

Камеры насыщенного и перегретого пара сварены каждая из двух штампованных частей из листовой стали толщиной 10 мм. В стенки камеры насыщенного пара вварены 15, а в стенки камеры перегретого пара 14 связей диаметром 21 мм, которые предназначены для укрепления камер от действующего на них давления пара. Нижние части камер соединены между собой массивной плитой толщиной 30 мм, которая служит для установки болтов, крепящих пароперегревательные элементы.

К наружным стенкам камер насыщенного и перегретого пара и нижней плите приварены штампованные карманы.

По одной группе карманов пар подводится к пароперегрева-тельным элементам из камеры насыщенного пара, а по другим, которые сообщаются с камерой перегретого пара, он поступает из элементов через отверстия в нижней плите. Сверху камеры насыщенного пара приварен стальной литой патрубок для подвода пара из сухопарника к пароперегревательной коробке. Для отвода пара из камеры перегретого пара служат два приваренных цилиндрических патрубка с внутренним диаметром 182 мм. К патрубкам приварены фланцы толщиной 30 мм, в которых просверлены восемь отверстий диаметром 26 мм для болтов, соединяющих патрубки с парорабочими трубами.

Перегревательные элементы
Общие сведения об элементах Шмидта, Чусова и Элеско
Как указано раньше, на паровозах пользуются почти исключительным распрастранением элементы трех названных систем. Старейшим из них является элемент Шмидта, схематическое расположение которого показано на схеме а.
Элемент Шмидта — четырехтрубпый, двухоборотный, так как в жаровой трубе расположены четыре элементных трубки, при чем пар делает в, жаровой трубе два оборота (две петли).

Элемент Чусова (схема б) шеститрубный, однооборотный, труба от коллектора перед самым входом в жаровую трубу разветвляется на три тонких трубки; по всем трем мы имеем параллельное движение пара. Сделав один оборот (одну петлю), трубки по выходе из жаровой грубы соединяются опять в одну трубу, присоединяемую к коллектору. Эти две системы применяются на всех без исключения наших старых паровозах с перегревом пара. Элементы Шмидта составляются из более крупных труб (обычно 36/29 мм, хотя этот размер в ОСТ не вошел) по сравнению с элементами Чусова (обычно 24/18 мм, тоже не ОСТовскии размер, см ниже). Наиболее подходящий диаметр жаровых труб для обоих перегревателей — 133/125 мм при расстоянии между решетками не свыше 5,5 м. Разница количестве получаемого паром тепла в обоих элементах настолько велик, что несмотря на вдвое более длинный путь пара в элементах Шмидта, последние дают перегрев несколько ниже, чем элементы Чусова. Но больший размер труб элементов Шмидта все же оказывается чрезвычайно положительным моментом в эксплуатации паровоза и то, что проигрывается на тепловом кпд паровоза, с избытком окупается большей надежностью их работы, меньшими простоями паровоза и стоимостью ремонта таких перегревателей. Элементы Чусова, раздробляющие струю пара на три тонких струи, дают более высокий перегрев, но малый диаметр трубок обусловливает их сравнительно быстрое закипание и перегорание, в особенности при плохой жесткой воде. Этот недостаток элементов Чусова, оказавшийся настолько серьезным, что перегреватели этой системы перестали применяться на вновь строящихся серийных паровозах (сер. «СО» и «СУ»), не имеет места при применении конденсации отработавшего пара.
В США фирмой Элеско был предложен элемент (названный по имени фирмы), заводящийся сразу в четыре жаровых трубы ,— схема в, но имеющий в каждой трубе только по одной петле. Заметим, что для ясности схемы все четыре жаровых трубы расположены в одной плоскости. Рассматривая схему в, мы видим, что здесь элемент выполнен как бы дублированным, при чем каждая половина элемента представляет собой разновидность элемента Шмидта, расположенного в двух жаровых трубах. Элемент Элеско может быть назван восьмитрубным двухоборотным элементом, размещающимся в четырех жаровых трубах. Именно в таком выполнении элементы Элеско получили значительное распространение в США. Основным достоинством элементов Элеско считалась большая надежность их работы, возможность обойтись без постановки крупных жаровых труб, требующихся для элементов Шмидта и Чусова, очень жестких и несколько ослабляющих решетки, возможность постановки в котел жаровых и дымогарных труб приближающихся друг к другу диаметров, некоторое облегчение выхода пузырьков пара из водяного пространства котла (шахматная разбивка жаровых труб).
Вместе с тем существенным дефектом этих элементов являются затруднения в получении достаточно высокого перегрева; это заставляет ставить в котел значительное количество элементных трубок, и все же приходится мириться с несколько пониженным перегревом (не выше 360—390° С). Пониженный перегрев объясняется значительным экранированием элементных трубок относительно холодной стенкой жаровой трубы.

Учитывая перечисленные выше положительные качества элементов Элеско, этой системой были оборудованы паровозы сер. «ФД» и «ИС» Стремление повысить экономичность паровозов, и в особенности мощных, заставляет изыскивать для них новые разновидности перегревательных элементов — типа Шмидта или Чусова с измененными размерами. Так, если серийные паровозы сер. «ФД» и «ИС» имели жаровыми трубы 89/82,5 мм и диаметр трубок Элеско равен 30/24 мм, на нескольких паровозах сер. «ФД» был установленс широкотрубный перегреватель (Чусова). Тепловой подсчет и произведенные испытательные поездки показывают целесообразность постановки такого перегревателя. Элементные трубы этих паровозов имеют размер 30/24, жаровые 152/143 мм (40 штук).

Устройство элементов
 Элементы пароперегревателя представляют собой трубки длиной 4200—6350 мм, параллельно расположенные и последовательно соединенные между собой. Передние концы этих трубок образуют отводы к коробке пароперегревателя, а задние соединены с помощью колпачков, обеспечивающих свободный проход из одной трубки в другую. Снаружи трубки омываются потоком топочных газов, которые протекают по жаровым трубам.

Рис. 33. Двухоборотный пароперегревательный элемент: 1 — трубка; 2 — хомутик; 3 — колпачок

Двухоборотные элементы (рис. 33) состоят из четырех рядом расположенных трубок диаметром 28/35 мм, последовательно соединенных между собой. Проходящий по трубкам такого элемента перегретый пар совершает два оборота, или, иначе, две петли в одной жаровой трубе, т. е. пар совершает в одной паровой трубе путь два раза в одном и два раза в другом направлении. Поскольку в одной жаровой трубе помещены четыре последовательно соединенные трубки, то такой элемент называется четырехтрубным. Пароперегревательные трубки двухоборотных элементов по всей длине в трех-четырех местах скрепляют фасонными хомутиками, к которым приварены полозки из полосовой стали, опирающиеся на жаровую трубу. Хомутики с полозками обеспечивают элементам центральное положение в жаровой трубе и препятствуют провисанию и короблению трубок элемента, сохраняя между ними соответствующее расстояние, необходимое для полного прогревания элемента топочными газами.

Элементы под действием высоких температур удлиняются по направлению к топке. Для компенсации больших температурных напряжений используют довольно гибкие концы самих элементов, а на коротких концах верхних элементов — дополнительные кривые участки (компенсаторы).

Рис. 34. Шаровая головка элемента

В каждом двухоборотном элементе одно из колен находится ближе к топке, а другое дальше. Это необходимо для предупреждения резкого сужения прохода топочных газов при их входе в жаровую трубу из пароперегревательных элементов. Для закрепления элемента к коробке пароперегревателя оба его конца в головке развальцовывают и приваривают газовой сваркой. Под головки снизу подводят скобу с отверстием для установления болтов.

 

В послевоенном паровозостроении на паровозах элементы пароперегревателя с коробкой соединяли шаровыми соединениями. Концы трубок элементов были выштампованы в виде шаровой головки (рис. 34).

Но данное соединение в изготовлении сложное, поэтому от него отказались.

 

Более надежным и вместе с тем простым способом является непосредственное крепление элементов к коробке пароперегревателя без каких-либо промежуточных частей. Соединение элементов с коробкой пароперегревателя, выполненное с помощью опорных конусных втулок, показано на рис. 35.

Рис. 35. Крепление элементов к коробке пароперегревателя

Опорные втулки 4 укрепляются скобой 5, отлитой из стали или отштампованной из стали Ст5. С помощью болтов 6, изготовленных из стали 37ХНЗА, скоба 5 притягивает шаровые головки подводов элементов к конусным гнездам плиты коробки пароперегревателя. Установка болтов производится так, что они проходят через отверстия в нижней плите между камерами коробки пароперегревателя.

На болт 6 сверху надета удлиненная стойка 3, укрепленная гайкой 1, что позволяет вести монтаж крепления в стесненном месте между камерами коробки пароперегревателя. Сферическая шайба 2 изготовлена из стали Ст5 и предназначена для того, чтобы обеспечить плотность прилегания гайки / к опорной поверхности болта в случае его перекоса.

Основными условиями длительной работы элементов и предупреждением их обгорания является чистота их и отсутствие в них накипи. Зарастание внутренней поверхности элементов накипью и особенно задних колпачков является следствием отложения различных солей и образования шлаковых наростов снаружи колпачков. Это связано с изменением направления пара и потерей его скорости. Устранение такого явления может быть достигнуто обработкой питающей воды котла антинакипином. Кроме того, необходимо своевременно продувать и промывать котел, причем продувку котла следует производить во время работы паровоза.