Пароперегреватель — это устройство, используемое для преобразования насыщенного 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).
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.
В паровом двигателе пароперегреватель дополнительно нагревает пар, вырабатываемый котлом , увеличивая его тепловую энергию и уменьшая вероятность его конденсации внутри двигателя. [1] [2] 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.
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 пожара 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.
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.
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.
Локомотивы с пароперегревателями обычно оснащаются поршневыми или тарельчатыми клапанами , поскольку при высокой температуре трудно поддерживать надлежащую смазку золотникового клапана .
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. [3] Преимущества изобретения были продемонстрированы в Великобритании компанией Great Western Railway (GWR) в 1906 году. Главный инженер-механик GWR Дж. Дж . Черчворд полагал, что тип Шмидта можно улучшить, и были предприняты проектирование и испытания местного типа Суиндон, кульминацией которых стал пароперегреватель Суиндон № 3 в 1909 году . провел серию сравнительных испытаний между членами его класса I3 , использующими насыщенный пар, и теми, которые были оснащены пароперегревателем Шмидта, в период с октября 1907 по март 1910 года, доказав преимущества последнего с точки зрения производительности и эффективности. [5]
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 . [ нужна цитата ]
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 остались в режиме насыщения. [6] Однако Первая мировая война вмешалась прежде, чем испытания могли состояться, хотя в отчете Локомотивного комитета 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. [6]
Однако в отчете говорится, что оба типа пароперегревателей имеют серьезные недостатки. В системе Шмидта была предусмотрена заслонка на коллекторе пароперегревателя, которая вызывала конденсацию горячих газов в серную кислоту , что вызывало точечную коррозию и последующее ослабление элементов пароперегревателя. [6] 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 соседними камерами насыщенного и перегретого пара, что вызывало напряжение материала, и имела те же проблемы с доступом, что и версия Шмидта. [6]
Рекомендации отчета позволили Ури спроектировать пароперегреватель нового типа с отдельными коллекторами насыщенного пара над и под коллектором пароперегревателя. [7] 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. [7] Устройство было очень успешным в эксплуатации, но было тяжелым и дорогим в изготовлении. [7]
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 минеральные локомотивы NER класса P , но позже начала их снимать.
Без тщательного обслуживания пароперегреватели подвержены опасным отказам определенного типа, в результате которых трубки перегревателя лопаются 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.
