Конденсационный паровоз

Конденсационный паровоз — это тип локомотива , предназначенный для рекуперации отработанного пара либо для увеличения запаса хода между приемом котловой воды , либо для уменьшения выбросов пара внутри закрытых помещений. Устройство забирает отработанный пар, который обычно используется для создания тяги в топке , и направляет его через теплообменник в резервуары для воды котла. Установка различается в зависимости от назначения, конструкции и типа локомотива, на котором она установлена. Он отличается от обычного замкнутого цикла конденсационного парового двигателя тем, что функция конденсатора заключается в первую очередь либо в восстановлении воды, либо в предотвращении чрезмерных выбросов в атмосферу, а не в поддержании вакуума для повышения эффективности и мощности .

Термодинамика

В отличие от поверхностного конденсатора, часто используемого в паровой турбине или морском паровом двигателе , конденсационный аппарат на паровозе обычно не увеличивает выходную мощность, а может значительно снизить ее из-за уменьшения потока воздуха в топку, нагревающую паровой котел. Конденсация пара из газа большого объема в жидкость небольшого объема вызывает значительное падение давления на выхлопе, что обычно добавляет дополнительную мощность в большинстве паровых двигателей. Хотя за счет расширения до вакуума потенциально можно получить больше мощности, выходная мощность на самом деле значительно снижается по сравнению с обычным паровозом из-за меньшего потока воздуха через топку, поскольку теперь нет отработанного пара, который можно было бы выбрасывать в выхлоп топки. для того, чтобы втянуть больше воздуха в воздухозаборник топки. Чтобы производить аналогичную мощность, воздух в топку должен поступать с помощью вентилятора с паровым или механическим приводом. Это часто сводит на нет любое повышение эффективности.

Температура выхлопного пара выше, чем у типичной стационарной или корабельной паровой установки аналогичной мощности из-за меньшего количества ступеней утилизации отходов, поскольку корабли часто имеют составную паровую машину с дополнительной ступенью низкого давления или даже тихоходной турбиной. Отходящее тепло на современных паровых установках часто утилизируется с помощью теплообменников. Однако конденсационные локомотивы не имеют этого преимущества, поскольку отработанное тепло выбрасывается в окружающий воздух и не восстанавливается, и поэтому никакая энергия отработанного пара не восстанавливается для выполнения механической работы. Во многих условиях температурный градиент часто намного хуже из-за использования воздуха вместо обильного источника охлаждающей воды, как у военно-морских или стационарных паровых электростанций. Конденсационная система Anderson значительно снижает эти потери, лишь частично охлаждая отработанный пар перед его сжатием в конденсат, а затем перекачивая высокотемпературный конденсат обратно в котел для рекуперации неиспользованного отходящего тепла. Это значительно снижает энергетические отходы .

Из-за относительно высокой температуры в конденсаторе локомотива и отвода тепла в воздух потенциальное улучшение термического КПД, ожидаемое от включения конденсатора в цикл, обычно не реализуется в условиях ограниченного пространства типичного локомотива. Действительно, потери из-за вязкого трения в трубопроводах конденсатора и необходимость закачивать конденсат обратно в котел, вероятно, снизят выходную мощность по сравнению с тем, что было достижимо за счет простого выброса конденсата в атмосферу .

Эти ограничения не распространяются на морские или стационарные паровые двигатели из-за отсутствия ограничений по размеру и весу. Суда часто имели массивные системы рекуперации отработанного пара, такие как 400-тонная паровая турбина, используемая для рекуперации отработанного пара с очень низким давлением 6 фунтов на квадратный дюйм (41 кПа) на Титанике и его родственных кораблях. ^[1] Это в несколько раз превышает вес всего локомотива, и поэтому явно нецелесообразно использовать его в качестве формы утилизации отработанного пара для локомотивов.

Выхлопная тяга

Недостаток конденсации выхлопного пара состоит в том, что его больше невозможно разжечь огонь с помощью дымовой трубы . должна Таким образом , тяга создаваться с помощью вентилятора с паровым приводом. ^[2] Там, где это возможно, было предусмотрено использование отработанного пара, хотя в некоторых случаях требовался острый пар с дополнительным паром и, следовательно, с расходом топлива.

Типы конденсатора

Конденсаторы паровозов могут иметь водяное или воздушное охлаждение.

Конденсатор резервуара для воды

Здесь выхлопной пар выдувается в холодную воду в водяных баках локомотива. Должна быть установлена обратная система, чтобы предотвратить попадание воды из резервуаров в цилиндры при отключении пара. Эта система в основном использовалась для локомотивов, работающих в туннелях.

Воздушный конденсатор

Здесь выхлопной пар подается в радиатор воздушного охлаждения, аналогичный тому, который используется в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания . Эта система использовалась на небольших трамвайных двигателях (где конденсатор устанавливался на крыше) и на больших двигателях тендера (где конденсатор устанавливался на тендере).

система Андерсона

Андерсона Конденсационная система ^[3] использует конденсатор с воздушным охлаждением, но пар конденсируется лишь частично, образуя аэрозоль из капель воды в паре. Затем этот аэрозоль сжижается под давлением с помощью специально разработанного питательного насоса для котла. Для системы Андерсона была заявлена экономия топлива почти на 30% (по сравнению с выбросом в атмосферу), но это кажется парадоксальным. Можно было бы ожидать более высокого расхода топлива из-за мощности, необходимой для сжатия аэрозоля.

Причина, по которой это возможно, связана с теоремой Карно , которая гласит, что для перекачки тепла требуется меньше энергии, чем для производства самого тепла.

Подобный эффект, известный как опреснение паром, позже был использован для опреснения воды. Вместо возврата конденсата в котел горячий сжатый конденсат пропускается через теплообменник для возврата тепла в котел, а затем выпускается в виде чистой питьевой воды. Это один из наиболее эффективных процессов опреснения воды. ^[4]

Цель

Есть две обычные причины установки конденсационного оборудования – снижение выбросов выхлопных газов и увеличение запаса хода.

Снижение выбросов выхлопных газов

Метрополитен

Первоначально разработан для Метрополитенской железной дороги , чтобы локомотивы могли работать в туннелях лондонского метрополитена . Эта система была разработана Дэниелом Гучем и разработана компанией Beyer, Peacock & Company . Пар отводится из выхлопных паровых труб в резервуары для воды через конденсационные трубы внутри тех же резервуаров. ^[5] Вода в резервуарах может быстро нагреться до точки кипения , что уменьшит эффект конденсации выхлопного пара. Нередко резервуары регулярно опорожняли и наполняли холодной водой. Обычные форсунки не будут работать с горячей водой. ^[5] (до тех пор, пока не были разработаны форсунки для горячей воды), поэтому конденсационные локомотивы обычно оснащались от оси с приводом насосами питательной воды котлов . Вне тоннелей пар направлялся в воздуходувку и вверх по дымовой трубе обычным способом.

Придорожные трамваи

В Великобритании локомотивы, работающие на придорожных паровых трамваях, по закону должны были иметь конденсаторы. Иногда использовались конденсаторы с резервуаром для воды (как указано выше), но более распространены были воздушные конденсаторы. Двигатель парового трамвая обычно имел крышу во всю длину, увенчанную гнездом из медных труб с воздушным охлаждением, в которых конденсировался выхлопной пар. Kitson & Company произвела множество двигателей этого типа. Система была удовлетворительной для трамвайных двигателей (которые были очень маломощными), но не работала для более крупных железнодорожных локомотивов.

Увеличенный диапазон

Обычно это была более сложная установка, в которой для конденсации отработанного пара использовалось принудительное воздушное охлаждение. Система была предназначена для решения проблем с обеспечением достаточного количества воды для паровозов, курсирующих по пустыням и очень засушливым районам, например, Южной Африке . (См. ниже)

Локомотивы, оснащенные конденсационным аппаратом

С конденсаторами бака для воды

С нежными воздушными конденсаторами

Немецкая рейхсбан, класс 52 . Около 200 из них были построены с помощью конденсационных тендеров. ^[7] уменьшить видимый шлейф выхлопных газов и таким образом избежать воздушных атак на Восточном фронте войны Второй мировой .
Российский класс СО . С 1936 года некоторые из них были построены с конденсационными тендерами P11 для использования в пустынях Туркестана . ^[8]
Южноафриканский класс 20 2-10-2
Южноафриканский класс 25 4-8-4
Южно-Маньчжурская железная дорога Микаку класса 2-8-2

См. также

Ссылки

^ Титаник: строительство самого известного корабля в мире Антона Гилла, стр. 121
^ Рузен, доктор технических наук. Р. (17 марта 1960 г.). «Конденсационные локомотивы класса «25» на южноафриканских железных дорогах - опыт проектирования и эксплуатации». Дж. Инст. Инженеры-локомотивисты . 50:2 (274): 243–280. дои : 10.1243/JILE_PROC_1960_050_021_02 . Бумага №607.
^ Дуглас Селф (1 апреля 2008 г.). «Локомотив рекомпрессии Холкрофта-Андерсона» . Проверено 17 февраля 2012 г.
^ * УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ОПРЕСНЕНИЕ СЖАТИЕМ ПАРА с СИСТЕМОЙ VVC в отрасли опреснения и очистки воды. Архивировано 12 августа 2017 г. на Wayback Machine.
^ Jump up to: ^а ^б Семменс, PWB; Щегол, Эй Джей (2003) [2000]. Как на самом деле работают паровозы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . п. 277. ИСБН 978-0-19-860782-3 .
^ «Национальные музеи Ливерпуля» . Liverpoolmuseums.org.uk. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г. Проверено 17 февраля 2012 г.
^ Розен 1961 , с. 244
^ «9: от Ближнего Востока до Дальнего Востока». Железные дороги мира и как они работают . Одхамс. 1947. стр. 182–183.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с конденсационными паровозами, на Викискладе?

[1] Титаник: строительство самого известного корабля в мире Антона Гилла, стр. 121

[2] Рузен, доктор технических наук. Р. (17 марта 1960 г.). «Конденсационные локомотивы класса «25» на южноафриканских железных дорогах - опыт проектирования и эксплуатации». Дж. Инст. Инженеры-локомотивисты . 50:2 (274): 243–280. дои : 10.1243/JILE_PROC_1960_050_021_02 . Бумага №607.

[3] Дуглас Селф (1 апреля 2008 г.). «Локомотив рекомпрессии Холкрофта-Андерсона» . Проверено 17 февраля 2012 г.

[4] * УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ОПРЕСНЕНИЕ СЖАТИЕМ ПАРА с СИСТЕМОЙ VVC в отрасли опреснения и очистки воды. Архивировано 12 августа 2017 г. на Wayback Machine.

[Semmens,_Goldfinch_(2000)-5] Jump up to: ^а ^б Семменс, PWB; Щегол, Эй Джей (2003) [2000]. Как на самом деле работают паровозы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . п. 277. ИСБН 978-0-19-860782-3 .

[6] «Национальные музеи Ливерпуля» . Liverpoolmuseums.org.uk. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г. Проверено 17 февраля 2012 г.

[7] Розен 1961 , с. 244

[8] «9: от Ближнего Востока до Дальнего Востока». Железные дороги мира и как они работают . Одхамс. 1947. стр. 182–183.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]