Пароперегреватели

О физическом процессе см. «Перегрев» .

Пароперегреватель насыщенного — это устройство, используемое для преобразования пара или влажного пара в перегретый пар или сухой пар. Перегретый пар используется в паровых турбинах для производства электроэнергии , в некоторых паровых двигателях и в таких процессах, как паровой риформинг . Существует три типа пароперегревателей: лучистые, конвекционные и с раздельным нагревом. Размер пароперегревателя может варьироваться от нескольких десятков футов до нескольких сотен футов (от нескольких метров до нескольких сотен метров).

Типы

• Лучистый перегреватель размещается непосредственно в лучистой зоне камеры сгорания рядом с водяной стенкой, чтобы поглощать тепло за счет излучения.
• Конвекционный пароперегреватель расположен в конвективной зоне печи, на пути горячих дымовых газов, обычно перед экономайзером . Конвекционный пароперегреватель также называют первичным пароперегревателем.
• Пароперегреватель с раздельным нагревом — это пароперегреватель, расположенный вне основного котла и имеющий собственную отдельную систему сгорания. В конструкции пароперегревателя предусмотрены дополнительные горелки в районе труб пароперегревателя. Он используется редко, если вообще когда-либо, из-за его низкой эффективности и того факта, что качество производимого пара не лучше, чем у пароперегревателей других типов.

Паровые турбины

Упрощенная схема угольной ТЭЦ. Пароперегревателем является элемент 19.

Во многих применениях турбина более эффективно использует энергию пара, чем поршневой двигатель. Однако насыщенный («влажный») пар при температуре кипения может содержать капли жидкой воды или конденсироваться в них, что может привести к повреждению лопаток турбины. Поэтому паротурбинные двигатели обычно перегревают пар, обычно внутри основного котла, чтобы гарантировать, что жидкая вода не попадет в систему и не повредит лопатки.

Паровые двигатели

В паровом двигателе пароперегреватель дополнительно нагревает пар, вырабатываемый котлом , увеличивая его тепловую энергию и уменьшая вероятность его конденсации внутри двигателя. Пароперегреватели повышают тепловой КПД парового двигателя и получили широкое распространение. Перегретый пар называется перегретым паром , а неперегретый пар называется насыщенным паром или влажным паром. С начала 20 века пароперегреватели применялись на многих паровозах , большинстве паровых транспортных средств и стационарных паровых машинах. Он до сих пор используется вместе с паровыми турбинами на электростанциях по всему миру.

Локомотивы

Общее устройство пароперегревательной установки паровоза.

Вид на перегреватель из дымовой камеры. Вверху в центре находится коллектор пароперегревателя с трубами, ведущими к цилиндрам. Трубы внизу подают пар в элементы перегревателя внутри дымоходов и из них. Для наглядности стек и демпфер сняты.

В паровозах наиболее распространенной формой пароперегревателя является жаротрубный тип. При этом насыщенный пар, подаваемый по сухой трубе, подается в коллектор пароперегревателя, установленный напротив трубной решетки в дымовой камере . Затем пар пропускается через ряд элементов перегревателя, которые представляют собой длинные трубы, помещенные внутри жаровых труб большего диаметра, называемых дымоходами. Горячие дымовые газы от огня локомотива проходят через дымоходы и, помимо нагрева воды в окружающем котле, нагревают пар внутри элементов пароперегревателя, через которые они обтекают. Элемент перегревателя складывается сам по себе, чтобы нагретый пар мог вернуться. Большинство делают это дважды на конце топки и один раз на конце дымовой камеры, так что пар при нагревании проходит расстояние, в четыре раза превышающее длину коллектора. В конце своего пути через элементы перегретый пар попадает в отдельный отсек коллектора пароперегревателя и далее в цилиндры двигателя.

Демпфер и перепускной клапан

Пар, проходя через элементы пароперегревателя, охлаждает их металл и не дает ему плавиться, но при закрытии дросселя охлаждающий эффект отсутствует, поэтому в дымовой камере закрывается заслонка, перекрывающая поток через дымоходы и предотвращающая их повреждение. Некоторые локомотивы, особенно на Лондонской и Северо-Восточной железной дороге , были оснащены перепускными клапанами , которые пропускали воздух в пароперегреватель, когда локомотив двигался накатом. Благодаря этому элементы перегревателя оставались относительно прохладными, а цилиндры – теплыми. На многих локомотивах ЛНЭР за дымовой трубой можно увидеть сапуновый клапан.

Передний дроссель

Пароперегреватель увеличивает расстояние между дросселем и цилиндрами в паровом контуре и тем самым снижает моментальность действия дросселя. Чтобы противодействовать этому, некоторые более поздние паровозы были оснащены передним дросселем, помещенным в дымовую камеру после пароперегревателя. Такие локомотивы иногда можно отличить по внешней дроссельной заслонке, проходящей по всей длине котла, с кривошипом снаружи дымовой камеры. Такое расположение также позволяет использовать перегретый пар для вспомогательных устройств, таких как динамо-машина и воздушные насосы . Еще одним преимуществом переднего дросселя является то, что перегретый пар доступен сразу же. При использовании купольного дросселя требуется некоторое время, прежде чем пароперегреватель действительно обеспечит повышение эффективности.

Клапаны цилиндров

Локомотивы с пароперегревателями обычно оснащаются поршневыми или тарельчатыми трудно поддерживать золотникового клапана надлежащую смазку клапанами, поскольку при высокой температуре .

Приложения

сделанная Сергеем Прокудиным-Горским в 1910 году из России. Ранняя цветная фотография паровоза с пароперегревателем,

Первый практический пароперегреватель был разработан в Германии Вильгельмом Шмидтом в 1880-х и 1890-х годах. Прусский локомотив S 4 с ранней формой пароперегревателя был построен в 1898 году, а с 1902 года серийно производилось еще больше. Преимущества изобретения были продемонстрированы в Великобритании на Великой Западной железной дороге (GWR) в 1906 году. Главный инженер-механик GWR Г. Дж. Черчворд полагал, что тип Шмидта можно улучшить, поэтому были разработаны и испытаны местные типы Суиндона. предпринято, кульминацией которого стал пароперегреватель Суиндон № 3 в 1909 году. Дуглас Эрл Марш в период с октября 1907 по март 1910 года провел серию сравнительных испытаний самолетов своего класса I3, использующих насыщенный пар, и самолетов, оснащенных пароперегревателем Шмидта, доказав преимущества последних с точки зрения производительности и эффективности.

Усовершенствованные пароперегреватели были представлены Джоном Г. Робинсоном из Большой центральной железной дороги на локомотивном заводе в Гортоне , Робертом Ури из Лондонской и Юго-Западной железной дороги (LSWR) на железнодорожном заводе в Истли и Ричардом Маунселлом из Южной железной дороги (Великобритания) , а также в Истли.

Самым старым из сохранившихся паровозов с пароперегревателем, а также первым узкоколейным локомотивом с пароперегревателем является Bh.1, принадлежащий Steiermärkische Landesbahnen (STLB) в Австрии, который курсирует экскурсионными поездами по железной дороге долины Мур .

Пароперегреватель Ури "Истли"

Конструкция пароперегревателя для LSWR, разработанная Робертом Ури, была результатом опыта работы с его локомотивами класса H15 4-6-0. В преддверии эксплуатационных испытаний восемь экземпляров были оснащены пароперегревателями Шмидта и Робинсона, а два других оставались насыщенными. Однако Первая мировая война вмешалась прежде, чем испытания смогли состояться, хотя в отчете комитета по локомотивам LSWR от конца 1915 года отмечалось, что версия Робинсона показала лучшую топливную экономичность. Он потреблял в среднем 48,35 фунтов (21,9 кг) угля на милю на среднем расстоянии 39 824 миль (64 090,5 км) по сравнению с 48,42 фунта (22,0 кг) и 59,05 фунтов (26,8 кг) угля для моделей Шмидта и насыщенных образцов соответственно.

Однако в отчете говорится, что оба типа пароперегревателей имеют серьезные недостатки. В системе Шмидта использовалась заслонка на коллекторе пароперегревателя, которая вызывала конденсацию горячих газов в серную кислоту , что вызывало точечную коррозию и последующее ослабление элементов пароперегревателя. Утечка газов также была обычным явлением между элементами и коллектором, а обслуживание было затруднено без снятия горизонтально расположенного узла. Версия Робинсона страдала от перепадов температуры, вызванных соседством камер насыщенного и перегретого пара, что вызывало напряжение материала, и имела те же проблемы с доступом, что и версия Шмидта.

Рекомендации отчета позволили Ури спроектировать пароперегреватель нового типа с отдельными коллекторами насыщенного пара над и под коллектором пароперегревателя. Они были соединены элементами, начиная с насыщенного коллектора, проходя через дымовые трубы и обратно к коллектору пароперегревателя, и вся сборка была расположена вертикально для удобства обслуживания. Устройство было очень успешным в эксплуатации, но было тяжелым и дорогим в изготовлении.

Преимущества и недостатки

Основными преимуществами использования пароперегревателя являются снижение потребления топлива и воды, но за это приходится платить увеличением затрат на техническое обслуживание. В большинстве случаев выгоды перевешивали затраты, и пароперегреватели стали широко использоваться, хотя британские маневровые локомотивы ( переключатели ) редко оснащались пароперегревателями. В локомотивах, используемых для перевозки полезных ископаемых, преимущества кажутся незначительными. Например, Северо-Восточная железная дорога установила пароперегреватели на некоторые свои NER класса P, минеральные локомотивы но позже начала их снимать.

Без тщательного технического обслуживания пароперегреватели склонны к опасному отказу определенного типа, связанному с разрывом трубок перегревателя на U-образных витках. Их сложно изготовить и проверить при установке, а при разрыве перегретый пар под высоким давлением уходит в большие дымоходы, обратно в огонь и в кабину локомотива, создавая крайнюю опасность для локомотивной бригады.

Ссылки

Библиография

• Брэдли, Д.Л. (1974). Локомотивы лондонской железной дороги Брайтон и Южное побережье, 3 . Лондон: Лондон, Общество железнодорожной переписки и путешествий, 1974. стр. 88–93.
• Брэдли, Д.Л. (1987). Локомотивы LSWR: классы Ури . Дидкот Оксон: Публикации Wild Swan. ISBN  0-906867-55-Х .