Кипение

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

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 несопровождается 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 ат температура котловой воды, а значит и пара, равна около 15Г, а при давлении 10 ат— 180,3°. Если же довести давление в котле до 15 ат* 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 ат.

(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.

5. Кипение

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 ат): 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 ат. Однако практически они разряжаются до давления 3—4 ат, 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.

5. Кипение

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.

⇐ | 4. Испарение | | Как устроен и работает паровоз | | 6. Перегретый пар | ⇒