Пароперегреватель — это устройство, используемое для преобразования насыщенного пара или влажного пара в перегретый пар или сухой пар. Перегретый пар используется в паровых турбинах для выработки электроэнергии , в некоторых паровых двигателях и в таких процессах, как паровой риформинг . Существует три типа пароперегревателей: лучистые, конвекционные и с раздельным нагревом. Пароперегреватель может иметь размер от нескольких десятков футов до нескольких сотен футов (от нескольких метров до нескольких сотен метров).
Во многих приложениях турбина будет более эффективно использовать энергию пара, чем поршневой двигатель. Однако насыщенный («влажный») пар при температуре кипения может содержать или конденсироваться в жидкие капли воды, которые могут повредить лопатки турбины. Поэтому паровые турбинные двигатели обычно перегревают пар, как правило, в первичном котле, чтобы гарантировать, что жидкая вода не попадет в систему и не повредит лопатки.
В паровой машине пароперегреватель дополнительно нагревает пар, вырабатываемый котлом , увеличивая его тепловую энергию и уменьшая вероятность его конденсации внутри двигателя. [1] [2] Пароперегреватели повышают тепловой КПД паровой машины и получили широкое распространение. Пар, который был перегрет, известен как перегретый пар , а не перегретый пар называется насыщенным паром или влажным паром. С начала 20-го века пароперегреватели применялись во многих паровозах , в большинстве паровых транспортных средств и в стационарных паровых двигателях. Он до сих пор используется вместе с паровыми турбинами на электростанциях по всему миру.
В паровозном использовании наиболее распространенной формой пароперегревателя является тип жаровой трубы. Он подает насыщенный пар, подаваемый в сухой трубе, в коллектор пароперегревателя , установленный напротив трубной решетки в дымовой коробке . Затем пар проходит через ряд элементов пароперегревателя, которые представляют собой длинные трубы, размещенные внутри жаровых труб большего диаметра, называемых дымоходами. Горячие газы сгорания от огня локомотива проходят через дымоходы и, помимо нагрева воды в окружающем котле, нагревают пар внутри элементов пароперегревателя, по которым они протекают. Элемент пароперегревателя удваивается сам по себе, чтобы нагретый пар мог вернуться. Большинство делают это дважды на конце огня и один раз на конце дымовой коробки, так что пар проходит расстояние, в четыре раза превышающее длину коллектора, нагреваясь. В конце своего пути через элементы перегретый пар проходит в отдельный отсек коллектора пароперегревателя, а затем в цилиндры двигателя.
Пар, проходящий через элементы пароперегревателя, охлаждает их металл и не дает им плавиться, но когда дроссель закрывается, этот охлаждающий эффект отсутствует, и поэтому в дымовой коробке закрывается заслонка, чтобы перекрыть поток через дымоходы и предотвратить их повреждение. Некоторые локомотивы, особенно на Лондонской и Северо-Восточной железной дороге , были оснащены впускными клапанами , которые впускали воздух в пароперегреватель, когда локомотив двигался по инерции. Это поддерживало элементы пароперегревателя относительно холодными, а цилиндры — теплыми. Впускной клапан можно увидеть за дымовой трубой на многих локомотивах LNER.
Пароперегреватель увеличивает расстояние между дросселем и цилиндрами в паровом контуре и, таким образом, снижает непосредственность действия дросселя. Чтобы противодействовать этому, некоторые более поздние паровозы были оснащены передним дросселем, размещенным в дымовой коробке после пароперегревателя. Такие локомотивы иногда можно узнать по внешнему дроссельному штоку, который простирается по всей длине котла, с кривошипом снаружи дымовой коробки. 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 немедленно становится доступным. С купольным дросселем требуется некоторое время, прежде чем пароперегреватель действительно обеспечит повышение эффективности.
Локомотивы с пароперегревателями обычно оснащаются поршневыми или тарельчатыми клапанами , поскольку при высокой температуре сложно 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, и с 1902 года их производилось серийно. [3] Преимущества изобретения были продемонстрированы в Великобритании компанией Great Western Railway (GWR) в 1906 году. Главный инженер-механик GWR, GJ Churchward , считал, что тип Schmidt можно улучшить, и были предприняты проектирование и испытания местного типа Swindon, кульминацией которых стал пароперегреватель Swindon № 3 в 1909 году. [4] Дуглас Эрл Марш провел серию сравнительных испытаний между членами своего класса I3, использующими насыщенный пар, и теми, кто был оснащен пароперегревателем Schmidt, в период с октября 1907 года по март 1910 года, доказав преимущества последнего с точки зрения производительности и эффективности. [5]
Усовершенствованные пароперегреватели были внедрены Джоном Г. Робинсоном с Большой центральной железной дороги на локомотивном заводе в Гортоне , Робертом Ури с Лондонской и Юго-Западной железной дороги (LSWR) на железнодорожном заводе в Истли и Ричардом Маунселлом с Южной железной дороги (Великобритания) , также на железнодорожном заводе в Истли.
Самым старым сохранившимся паровозом с пароперегревателем, а также первым узкоколейным локомотивом с пароперегревателем, является Bh.1, принадлежащий компании Steiermärkische Landesbahnen (STLB) в Австрии, которая управляет экскурсионными поездами по железной дороге долины реки Мур . [ необходима цитата ]
Конструкция пароперегревателя Роберта Ури для LSWR была результатом опыта с его локомотивами класса H15 4-6-0. В ожидании эксплуатационных испытаний восемь образцов были оснащены пароперегревателями Шмидта и Робинсона, а два других остались насыщенными. [6] Однако Первая мировая война вмешалась до того, как испытания состоялись, хотя в отчете локомотивного комитета LSWR от конца 1915 года отмечалось, что версия Робинсона показала лучшую топливную эффективность. Она потребляла в среднем 48,35 фунта (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 фунта (26,8 кг) угля для образцов Шмидта и насыщенных образцов соответственно. [6]
Однако в отчете говорилось, что оба типа пароперегревателей имели серьезные недостатки. Система Шмидта имела заслонку управления на коллекторе пароперегревателя, что приводило к конденсации 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, и техническое обслуживание было затруднено без снятия горизонтально расположенной сборки. Версия Робинсона страдала от перепадов температур, вызванных соседством камер насыщенного и перегретого пара, что вызывало напряжение материала, и имела такие же проблемы с доступом, как и тип Шмидта. [6]
Рекомендации отчета позволили Ури спроектировать новый тип пароперегревателя с отдельными коллекторами насыщенного пара выше и ниже коллектора пароперегревателя. [7] Они были соединены элементами, начинающимися от коллектора насыщенного пара, проходящими через дымоходные трубы и возвращающимися 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]
Главные преимущества использования пароперегревателя — снижение расхода топлива и воды, но за это приходится платить повышенными расходами на техническое обслуживание. В большинстве случаев преимущества перевешивали затраты, и пароперегреватели стали широко использоваться, хотя британские маневровые локомотивы ( стрелочные ) редко оснащались пароперегревателями. В локомотивах, используемых для перевозки полезных ископаемых, преимущества, по-видимому, были незначительными. Например, Северо-Восточная железная дорога устанавливала пароперегреватели на некоторые из своих локомотивов NER класса P для перевозки полезных ископаемых , но позже начала их снимать.
Без тщательного обслуживания пароперегреватели подвержены особому типу опасной неисправности, когда трубы пароперегревателя разрываются на U-образных поворотах. Их сложно изготавливать и испытывать после установки, а разрыв приводит к тому, что перегретый пар высокого давления вырывается в большие дымоходы, обратно в огонь и в кабину локомотива, создавая чрезвычайную опасность для локомотивной бригады.
