Для отопления пассажирских поездов на тепловозах установлены сконструированные для этой цели котлы, обычно называемые парогенераторами. Это водотрубные котлы, которые могут работать при более высоком давлении, чем котлы, обычно применяемые на паровозах. Имеются две основные конструкции; одна из них — змеевикового типа, в то время как другая включает элементы радиации и конвекции. Обе конструкции имеют некоторые общие черты, такие, как принудительная циркуляция, принудительная тяга и агрегаты мазутного отопления с электрическим зажиганием. Оба типа полностью автоматизированы и после пуска их в работу необходимый расход пара автоматически регулируется в соответствии с потребностями. Основные принципы обработки воды для обоих указанных типов парогенераторов идентичны с теми, которые применяются для стандартных котлов.
Без нейтрализующих веществ (антинакипинов) кальций, магний и другие вещества, содержащиеся в питательной воде и образующие накипь, будут или отлагаться на трубах парогенератора и поверхностях теплопередачи в форме твердой накипи или осаждаться в виде кристаллического шлама. Как отложения накипи, так и отложения шлама уменьшают теплопередачу и таким образом служат причиной перегрева и разрушения парообразующей поверхности генератора. Накипь и шлам могут уменьшать проходные сечения труб выходных отверстий и быть причиной неправильной работы насосов или насосов управления, в результате чего нарушается нормальная подача воды в котел. Накипь, состоящая главным образом из карбоната кальция, может быть удалена слабым раствором соляной кислоты. Отложения же, которые состоят в основном из сульфатов кальция или магния, соединений железа или хрома, не могут быть удалены таким способом. Эти отложения накипи частично являются причиной повреждения труб и поверхностей нагрева, что может потребовать больших затрат на их замену.
Коррозия.
Агрессивные газы, как, например, растворенный кислород и двуокись углерода, должны быть удалены из воды; если на поверхностях теплопередачи образуются отложения накипи, состоящей из сульфатов, может произойти коррозия под слоем накипи в контакте с металлом, вызванная термическим разложением накипи, когда поверхности перегреваются.
К другим ненормальностям в системе питания водой парогенератора относятся пенообразование и отложения в питательных трубах, питательных приборах и всей системе в целом. Ненормальности эти могут быть устранены хорошей обработкой воды.
НЕОБХОДИМАЯ ОБРАБОТКА
Основными требованиями, предъявляемыми к обработке воды и обеспечивающими ее хорошее качество, должны быть следующие:
- Накипеообразующие соединения должны быть полностью превращены в растворенные соединения, не образующие накипи или осадок в виде жидкого нелипкого шлама в котле, легко удаляемого продувкой.
- Растворенные в воде газы, способствующие коррозии, должны быть удалены или нейтрализованы.
- Должны вводиться щелочи, чтобы препятствовать агрессивному воздействию воды на металл котла при высокой температуре.
- В воду должны вводиться антипенные химикаты для сохранения высокого качества пара и эффективности генератора.
- Вода должна быть снабжена добавками для защиты металла котла от хрупкости.
- Питательная вода должна быть стабилизирована или кондиционирована, чтобы препятствовать образованию накипи в питательных трубах и приборах котла.
Когда парогенераторы стали применять на тепловозах, было признано, что потребуется вода, свободная от солей и содержащая антинакипин. На некоторых железных дорогах была сделана попытка собрать и использовать конденсированную воду из паросиловых и отопительных установок и в отдельных случаях для получения конденсата пар пропускали через специальные конденсаторы. Такой способ получения воды оказался неудовлетворительным по многим причинам, включая чрезмерно высокую стоимость ее.
Внутренняя (внутрикотловая) обработка.
Промышленностью были выпущены различные антинакипины и антикоррозийные соединения вместе с необходимым оборудованием для использования этих готовых составов в парогенераторах. Некоторые из них включают соединения карбоната — фосфата натрия, таннина, изготовляемых в виде палочек или брикетов, которые подаются через питательные байпасные фидеры, установленные на парогенераторах.
Сама конструкция питательных байпасов часто являлась причиной нерегулярной подачи химикатов. Кроме того, количество последних не всегда соответствовало плохому качеству воды в тех или иных случаях. Взамен брикетов во многих случаях применяют растворы, представляющие соединения щелочей фосфата, органических соединений и реагентов для исключения растворенного кислорода. Такая смесь приготовляется в баке для раствора на локомотиве и перекачивается в парогенератор небольшим насосом.
На некоторых железных дорогах практиковалась ручная подача химикатов непосредственно в водяной бак, расположенный на тепловозе. Эта система требует очень тщательного контроля для того, чтобы получить удовлетворительные результаты. Некотловые водообрабатывающие установки, расположенные вдоль пути, подобные тем, которые применялись для обслуживания паровозов, оказались во многих случаях удовлетворительными и для тепловозов. Эти установки спроектированы для химической обработки воды парогенераторов перед тем, как она будет подана в резервуары, находящиеся на локомотивах.
Цеолитовая (катионитовая) обработка.
На многих конечных пунктах оборудование для цеолитовой (катионитовой) обработки воды (для ее умягчения), первоначально установленное для паровозов, было приспособлено и для обслуживания тепловозов. В других местах аналогичное оборудование было установлено специально для обслуживания тепловозов.
При цеолитовом умягчении воды кальций и магний, обусловливающие жесткость, удаляются из воды, но присутствующий в воде бикарбонат кальция переходит в бикарбонат натрия. Натриевые соединения при неправильной обработке воды и несоблюдении допустимых пределов концентрации водородных ионов, а также отсутствии контроля концентрации кислорода в воде, умягченной цеолитами, обусловливают высокую коррозионную способность ее. Вода, умягченная цеолитами, благодаря общему увеличению в ней натрия может способствовать появлению пены в некоторых типах парогенераторов и требует применения специальных противопенных соединений. Отложения в змеевиках при движении пара с высокой скоростью сокращают срок службы змеевиков.
Известково-содовая обработка воды.
После обработки известково-содовым раствором вода, аналогично готовившаяся для использования на паровозах, содержит значительное количество растворенных в ней солей натрия. Такая вода не считается удовлетворительной для использования на тепловозах, если не применить дополнительную обработку.
Деионизация (обессоливание).
Считают, что рационально предварительно смягчить и полностью кондиционировать питательную воду для тепловозов до подачи ее в змеевики парогенераторов. Таким образом, необходимость в продувке сводится до минимума, что уменьшает потери топлива и воды. Учитывая это, многие железные дороги применяют современные деионизирующие установки для окончательной обработки воды, свободной от солей.
Рис. 2. Общий вид сооружений для обработки воды
На рис. 2 приведен общий вид сооружений для обработки воды. Деионизационная установка находится внутри помещения, расположенного справа от резервуаров. Нижний резервуар содержит котловую воду и имеет внутренний бак с радиатором охлаждающей воды. Верхний резервуар содержит питьевую воду для потребления на данной установке.
В последние несколько лет широкие исследования по процессам деионизации сделали возможным внедрение их. Особо необходимо отметить открытие замечательных ионозамещающих и ионопоглощающих свойств, которыми обладают некоторые синтетические смолы.
Ввиду различных условий как в отношении количества, так и в отношении качества воды и т. д. практически невозможно создать единый тип установки; каждая установка должна быть рассмотрена индивидуально и сконструирована в соответствии с данными условиями.
Типовой двухъярусный деионизатор.
Двухъярусный деионизатор является наиболее распространенным типом, применяемым на железных дорогах.
В этом типе вода, требующая обработки, проходит последовательно через два резервуара, напоминающие фильтры, работающие под давлением, затем через декарбонизатор или дегазатор.
Первый резервуар являющийся катионным обменником, содержит смолы с высококислотными обменными свойствами, имеющими химическое сродство с кальцием, магнием, натрием, железом и другими катионами. При прохождении через первый резервуар ионы металла (катионы), содержащиеся в воде, замещаются ионами водорода. Вода, покидающая катионный обменник, будет, следовательно, содержать минеральные кислоты пропорционально сульфатам, хлоридам, нитратам и бикарбонатам, имеющимся в необработанной воде. Второй резервуар является анионным обменником — обмен анионов на ионы гидроксиля (ОН) Углекислый газ, кремниевая кислота не удаляются основным обменным абсорбентом и проходят через резервуары без замещения. Углекислый газ, оставаясь в растворенном виде в очищенной от минеральных веществ воде, должен быть освобожден и удален в декарбонизаторе. Последний является полностью самодействующим агрегатом, не требующим отдельной установки вентилятора, компрессора или подвода магистрали сжатого воздуха. Энергия поступающей в него воды используется, как в эжекторе, чтобы увлечь воздух вверх через металлический бак декарбонизатора, содержащий активную дисперсную среду, которая превращает воду в очень тонкую жидкую пленку, что позволяет выделить свободный углекислый газ, отсасываемый через крышку бака.
Для заключительной очистки обычно применяется небольшая доза особых финиш-добавок для нейтрализации остаточного углекислого газа и чтобы щелочность и содержание ионов свободного водорода в окончательно очищенной воде не превышали заданных величин. Качество деонизированной воды непрерывно регулируется контроллером, действующим на принципе электропроводности, который автоматически выключает установку, если качество воды падает ниже заранее установленного стандарта. Полный цикл работы очистительной установка можно регулировать поплавковым реле или реле давления, которые размещаются в баке-хранилище. Когда этот бак заполняется, срабатывает соленоидный клапан и труба, подводящая воду, перекрывается, подача воды прекращается.
Работа этого соленоида синхронизирована с другими цепями регулирования, управляющими всем оборудованием. Ионообменные смолы в деионизационных резервуарах (баках) имеют определенную реагирующую способность для обмена или удаления примесей. Когда эта реагирующая способность истощается, смолы могут быть регенерированы и их активная способность восстановлена применением недорогих химикатов; промывкой удаляются остаточные минеральные вещества и излишний регенерирующий раствор. Для регенерации в катионном обменнике обычно используется серная кислота в концентрации от 2 до 5%; может быть также применена соляная кислота. Загрузка анионного обменника может быть регенерирована кальцинированной содой, каустической содой или аммонием. Каустическая сода обычно используется в анионных обменниках со слабой основой. Соответствующее оборудование для подготовки регенерирующих растворов поставляется в комплекте с установкой. Частью поставляемого оборудования является также водомер со звуковой сигнализацией, записывающий количество воды, проходящей через установку.
Опыт эксплуатации многих деионизационных установок, где использована синтетическая смола как обменный реагент, показал, что активная способность этих смол имеет совершенно определенный предел. Было также отмечено, что поступающая вода, которая подверглась довольно высокой хлорной обработке, влияет отрицательно на смолы. В таких случаях для удаления хлора считается целесообразным устраивать фильтры (типа угольных) перед обменными резервуарами. В последних установлено по одному регулирующему автоматическому клапану, что устраняет необходимость применения различных клапанов с ручным управлением и упрощает эксплуатацию установки. Установка таких многооконных многопозиционных клапанов регулируется подъемно-вращательным движением клапанного рычага. Клапаны выполнены из стальной легированной отливки (из условия максимальной коррозионной устойчивости), имеющей отверстия и сопла. Обменные резервуары, клапаны, трубы и фитинги имеют внутри противокоррозионную изоляцию.
В установке могут быть применены трубы и фитинги из пластмассы. Стальные трубы могут быть с успехом применены для линии необработанной (поступающей в установку) воды и для деионизированной воды после ее стабилизации.