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 конденсационного парового двигателя замкнутого цикла 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 .
В отличие от поверхностного конденсатора , часто используемого в паровой турбине или морском паровом двигателе , конденсационный аппарат на паровозе обычно не увеличивает выходную мощность, а скорее 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 потери энергии .
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 при простом выпуске конденсата в атмосферу .
Эти ограничения не распространяются на морские или стационарные паровые двигатели из-за отсутствия ограничений по размеру и весу. На кораблях часто были массивные системы утилизации 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 в качестве формы рекуперации отработанного пара для локомотивов.
Недостаток конденсации выхлопного пара состоит в том, что его больше невозможно разжечь огонь с помощью дымовой трубы . Таким образом , тяга должна 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.
Конденсаторы паровозов могут иметь водяное или воздушное охлаждение.
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.
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).
В конденсационной системе Андерсона [ 3] используется конденсатор с воздушным охлаждением, но пар конденсируется лишь частично с образованием аэрозоля 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 утверждает, что для перекачки тепла требуется меньше энергии, чем для производства самого тепла.
Подобный эффект, известный как опреснение сжатием пара, 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]
Есть две обычные причины установки конденсационного оборудования – снижение выбросов выхлопных газов и увеличение запаса хода.
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 снижает эффект конденсации выхлопного пара. Нередко резервуары регулярно опорожняли и наполняли холодной водой. Обычные форсунки не работали с горячей водой [5] (пока не были разработаны форсунки с горячей водой), поэтому конденсационные локомотивы обычно оснащались насосами питательной воды котлов с приводом от оси . Вне тоннелей пар направлялся в дутье и вверх по дымовой трубе обычным способом.
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 распространенными 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.
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)
.JPG/1280px-SAR_Class_25_3511_(4-8-4).JPG)
_Banjoface.JPG/1280px-SAR_Class_25_3511_(4-8-4)_Banjoface.JPG)
СМИ, связанные с конденсационными паровозами, на Викискладе?