Конденсационный паровоз — это тип локомотива, предназначенный для рекуперации отработанного пара, либо для улучшения диапазона между приемом котловой воды , либо для уменьшения выбросов пара внутри закрытых помещений. Аппарат принимает отработанный пар, который обычно используется для создания тяги для топки , и направляет его через теплообменник в баки котловой воды. Установки различаются в зависимости от назначения, конструкции и типа локомотива, на котором он установлен. Он отличается от обычного конденсационного парового двигателя замкнутого цикла тем, что функция конденсатора в первую очередь заключается либо в рекуперации воды, либо в предотвращении чрезмерных выбросов в атмосферу, а не в поддержании вакуума для повышения как эффективности, так и мощности .
В отличие от поверхностного конденсатора, часто используемого на паровой турбине или морском паровом двигателе , конденсационный аппарат на паровозе обычно не увеличивает выходную мощность, а может значительно уменьшить ее из-за уменьшения потока воздуха в топку, нагревающего паровой котел. Конденсация пара из большого объема газа в малый объем жидкости вызывает значительное падение давления на выхлопе, что обычно добавляет дополнительную мощность в большинстве паровых двигателей. Хотя потенциально больше мощности доступно путем расширения до вакуума, выходная мощность на самом деле значительно снижается по сравнению с обычным паровозом из-за меньшего потока воздуха через топку, поскольку теперь нет отработанного пара для выброса в выхлоп топки, чтобы втянуть больше воздуха в воздухозаборник топки. Для того чтобы производить аналогичную мощность, воздух в топку должен подаваться паровым или механическим вентилятором. Это часто сводит на нет любое улучшение эффективности.
Температура отработанного пара выше, чем у типичной стационарной или судовой паровой установки аналогичной мощности из-за меньшего количества ступеней утилизации отходов, поскольку на судах часто имеется составной паровой двигатель с дополнительной ступенью низкого давления или даже низкоскоростная турбина. Отработанное тепло на современных паровых установках часто восстанавливается с помощью теплообменников. Однако конденсационные локомотивы не имеют этого преимущества из-за того, что отработанное тепло выбрасывается в окружающий воздух и не восстанавливается, и поэтому никакая энергия в отработанном паре не восстанавливается для выполнения механической работы. Во многих условиях температурный градиент часто намного хуже из-за использования воздуха вместо обильного источника охлаждающей воды , как на морских или стационарных паровых электростанциях. Конденсационная система Андерсона значительно снижает эти потери, лишь частично охлаждая отработанный пар перед сжатием его в конденсат, а затем закачивая высокотемпературный конденсат обратно в котел для восстановления неиспользованного отработанного тепла. Это значительно снижает потери энергии .
Из-за относительно высокой температуры в конденсаторе локомотива и отвода тепла в воздух, потенциальное улучшение тепловой эффективности, ожидаемое от включения конденсатора в цикл, обычно не реализуется в рамках ограничений пространства типичного локомотива. Действительно, потери из-за вязкого трения в трубопроводе конденсатора и необходимость перекачивания конденсата обратно в котел, вероятно, снизят выходную мощность по сравнению с тем, что было бы достигнуто путем простого выпуска в атмосферу .
Эти ограничения не распространяются на морские или стационарные паровые двигатели, поскольку у них нет ограничений по размеру или весу. На судах часто были установлены массивные системы утилизации отработанного пара, например, 400-тонная турбина отработанного пара, использовавшаяся для утилизации очень низкого давления 6 фунтов на квадратный дюйм (41 кПа) отработанного пара на «Титанике» и его однотипных судах. [1] Это в несколько раз превышает вес целого локомотива, и поэтому явно нецелесообразно в качестве формы утилизации отработанного пара для локомотивов.
Недостатком конденсации отработанного пара является то, что он больше не может использоваться для раздувания огня с помощью воздуходувки . Таким образом, тяга должна создаваться паровым вентилятором. [2] Там, где это было возможно, это было организовано для использования отработанного пара, хотя в некоторых случаях требовался острый пар, с дополнительным паром и, следовательно, расходом топлива.
Конденсаторы паровозов могут иметь водяное или воздушное охлаждение.
Здесь отработанный пар вдувается в холодную воду в водяных баках локомотива. Должна быть установлена система обратного потока, чтобы предотвратить попадание воды из баков в цилиндры при отключении пара. Эта система в основном использовалась для локомотивов, работающих в туннелях.
Здесь отработанный пар вдувается в радиатор с воздушным охлаждением, 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 тендерных двигателях (где конденсатор устанавливался в тендере).
Конденсационная система Андерсона [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 насоса подачи котла. Для системы Андерсона была заявлена экономия топлива почти в 30% (по сравнению с выпуском 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, кроется в теореме Карно , которая гласит, что для перекачки тепла требуется меньше энергии, чем для его производства.
Похожий эффект, известный как опреснение паром, позже использовался для опреснения воды. Вместо того, чтобы возвращать конденсатную воду в котел, горячий сжатый конденсат пропускается через теплообменник для возврата тепла в котел, а затем выпускается в виде чистой питьевой воды. Это один из самых эффективных процессов, используемых для опреснения воды. [4]
Существует две основные причины установки конденсационного оборудования: снижение выбросов выхлопных газов и увеличение запаса хода.
Первоначально разработанная для Metropolitan Railway , чтобы позволить их локомотивам работать в туннелях лондонского метро . Эта система была разработана Дэниелом Гучем и разработана Beyer, Peacock & Company . Пар отводится из выхлопных паровых труб в водяные баки через конденсационные трубы внутри тех же баков. [5] Вода в баках могла быстро нагреваться около точки кипения , уменьшая конденсационный эффект на выхлопной пар. Было известно, что баки регулярно опорожнялись и заполнялись холодной водой. Обычные инжекторы не работают с горячей водой [5] (пока не были разработаны инжекторы горячей воды), поэтому конденсационные локомотивы обычно оснащались насосами для подачи воды в котлы с приводом от оси . Когда пар не работал в туннелях, его направляли в воздухозаборную трубу и вверх по дымоходу обычным способом.
В Великобритании локомотивы, работающие на придорожных паровых трамваях , по закону должны были иметь конденсаторы. Иногда использовались конденсаторы с водяным баком (как выше), но воздушные конденсаторы были более распространены. Паровой трамвайный двигатель обычно имел крышу во всю длину, и она была увенчана гнездом охлаждаемых воздухом медных трубок, в которых конденсировался отработанный пар. Kitson & Company изготовила много двигателей этого типа. Система была удовлетворительной для трамвайных двигателей (которые были очень маломощными), но не работала бы для более крупных железнодорожных локомотивов.
В целом это была более сложная установка, которая использовала принудительное воздушное охлаждение для конденсации отработанного пара. Система была предназначена для уменьшения проблем с получением достаточного количества воды для паровозов, работающих в пустыне и очень засушливых районах, например, в 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)
Медиа, связанные с конденсационными паровозами на Wikimedia Commons