Kocioł

Kocioł charakteryzuje się zwyczajowo podając trzy powierzchnie: rusztu, ogrzewalną i przegrzewacza. Do nich proporcjonalna jest moc kotła. Wszystkie powierzchnie w wiernym modelu wypadłyby o kwadrat skali mniejsze. Z drugiej strony z rozumowania 1 o mocy dostaliśmy, że moc parowozu zmniejszy się k4 razy. Możemy stąd wnioskować, że, na całe szczęście, w modelu wystarczy skonstruować kocioł o powierzchni ogrzewalne i przegrzewacza k4 razy mniejszej niż w prototypie. W rzeczywistości moc modelu może być większa niż wynika z oszacowania w rozumowaniu 1, po drugie zaś ciśnienie pary będzie mniejsze, spadnie zatem sprawność termodynamiczna silnika, wobec czego kocioł należy zaprojektować z zapasem mocy cieplnej.

Kocioł Pt47

Celem porównania kilka wielkości charakteryzujących parowóz Pt47 [H.Sobolewski, Konstrukcja i projektowanie parowozów]

temperatura w palenisku 1760 °C
temperatura gazów na wejściu do rur 1200 °C
temperatura gazów w dymnicy 350 °C
temperatura pary przegrzanej 370 °C
wydajność kotła 3.36kg/s 231m2 1.45mg/cm2
moc wydzielana na ruszcie 13MW 4.5 m2 2.9MW/m2
powierzchnia skrzyni ogniowej 4.5MW (35%) 19 m2 (8.2%) 23.7W/cm2
powierzchnia płomieniówek 2.2MW (17%) 109 m2 (47%) 2W/cm2
powierzchnia płomienic 2.5MW (19%) 103 m2 (45%) 2.4W/cm2
powierzchnia przegrzewacza 1.7MW (13%) 92 m2 (+40%) 1.8W/cm2
powierzchnia zewnętrzna kotła -280kW (2%) 60 m2 0.46W/cm2
Moce powierzchniowe w modelu można moim zdaniem przyjąć podobne jak w prototypie.

Kocioł jednopłomieniówkowy

Ponieważ, zwłaszcza w małych skalach, konstrukcja kotła jest zupełnie inna niż w prototypie, poniżej proponuje sposób projektowania kotła z jedną płomieniówką, który łączy prostotę konstrukcji z dużą wydajnością.

W płomieniówce znajduje się palnik gazowy który wytwarza płomień F o temperaturze tF. Płomień ogrzewa siatkę R która żarzy się i przekazuje ciepło przez promieniowanie ściankom płomieniówki. Gazy o temperaturze tB przekazują swoje ciepło przez konwekcję ściankom płomieniówki, przechodząc przez strefę B w której można umieścić dodatkowe przegrody. Z kotła uchodzą gazy o temperaturze tE.

Zakładajac, że ciepło właściwe gazów jest stałe, mierząc temperatury w odniesieniu do temperatury wody w kotle dostaniemy:
tB=tF
P-σSRtR4
P
tE=tB e - KSBtF / P
Pk=P(1-tE/tF)
gdzie S są powierzchniami odpowiednich elementów, σ=5.67W/cm2/(1000oC)4 to stała Stefana-Boltzmanna, zaś K to przewodnictwo gaz-płomieniówka, które wynosi około 3 do 5 W/cm2/1000oC

Ilość ciepła potrzebna do wytworzenia 1g pary nasyconej przy o ciśnieniu kilku atmosfer wynosi około 2.7kJ. Ciepło właściwe samej pary wynosi około 2.3J/goC. Z drugiej strony, ciepła dostarcza spalanie paliwa.

Spalanie paliwa

Paliwo Ciepło spalania [kJ/g] Gęstość [g/dm3] @25oC Stechiometryczna objętość powietrza [dm3/g] @25oC Objętość gazów spalinowych [dm3/g] @820oC
Propan 50.3 1.8(g)/585(l) 14 630
Butan 2.4(g) 14 810
Metanol 22.7 787 5.7 270
Etanol 29.7 785 8 450
Prędkość spalania od stony zimnych gazów wynosi ok. 40cm/s dla mieszanin stechiometrycznych i zmniejsza się do około 5cm/s dla składu niepalnego. Przyjmując ten pierwszy przypadek, dostaniemy, że każdy cm2 płomienia wydziela około 140W ciepła.

C.D.N.