Передовая паровая технология (иногда называемая современным паром ) отражает подход к техническому развитию парового двигателя, предназначенного для более широкого спектра применений, чем это было недавно. Особое внимание было уделено эндемичным проблемам, которые привели к упадку паровой энергии в малых и средних коммерческих приложениях: чрезмерное загрязнение, затраты на техническое обслуживание, трудоемкая эксплуатация, низкое соотношение мощности и веса и низкий общий тепловой КПД ; где паровая энергия в настоящее время, как правило, заменена двигателем внутреннего сгорания или электроэнергией, получаемой из электросети . Единственными паровыми установками, которые широко используются, являются высокоэффективные тепловые электростанции, используемые для выработки электроэнергии в больших масштабах. Напротив, предлагаемые паровые двигатели могут быть для стационарного, дорожного, железнодорожного или морского использования.
Хотя большинство ссылок на «современный пар» относятся к разработкам, начавшимся после 1970-х годов, некоторые аспекты передовой паровой технологии можно различить на протяжении всего XX века, в частности, автоматическое управление котлом и быстрый запуск.
В 1922 году Эбнер Добл разработал электромеханическую систему, которая одновременно реагировала на температуру и давление пара, запуская и останавливая питательные насосы, одновременно зажигая и выключая горелку в зависимости от давления в котле. [1] Противоточный однотрубный котел имел рабочее давление 750–1200 фунтов на квадратный дюйм (5,17–8,27 МПа ), но содержал так мало воды в циркуляции, что не представлял риска взрыва. Этот тип котла непрерывно разрабатывался в США, Великобритании и Германии в течение 1930-х и в 1950-х годах для использования в автомобилях , автобусах , грузовиках , железнодорожных вагонах , маневровых локомотивах (США; переключатели ), скоростном катере и, в 1933 году, переоборудованном биплане Travel Air 2000. [2] [3]
В Великобритании компания Sentinel Waggon Works разработала вертикальный водотрубный котел, работающий при давлении 275 фунтов на квадратный дюйм (1,90 МПа ), который использовался в дорожных транспортных средствах, маневровых локомотивах и железнодорожных вагонах. Пар можно было вырабатывать гораздо быстрее, чем с помощью обычного локомотивного котла .
Испытания конденсационной системы Андерсона на Южной железной дороге (Великобритания) проходили между 1930 и 1935 годами. [4] Конденсационная аппаратура не получила широкого распространения на паровозах из-за дополнительной сложности и веса, но она предлагает четыре потенциальных преимущества:
Система конденсации Андерсона использует процесс, известный как механическая рекомпрессия пара . Она была разработана морским инженером из Глазго Гарри Персивалем Харви Андерсоном. [5] Теория заключалась в том, что, удалив около 600 из 970 британских тепловых единиц, присутствующих в каждом фунте пара (1400 из 2260 килоджоулей в каждом килограмме ), можно было бы вернуть отработанный пар в котел с помощью насоса, который потреблял бы всего 1–2% выходной мощности двигателя. Между 1925 и 1927 годами Андерсон и другой инженер из Глазго Джон МакКаллум (некоторые источники указывают МакКаллума) провели эксперименты на стационарной паровой установке с обнадеживающими результатами. Была создана компания Steam Heat Conservation (SHC), и на электростанции Surbiton Electricity Generating Station была организована демонстрация системы Андерсона. [4] [6]
SHC заинтересовалась применением системы на железнодорожном локомотиве и связалась с Ричардом Маунселлом из Southern Railway. Маунселл попросил провести контролируемое испытание в Сурбитоне , и это было сделано около 1929 года. Технический помощник Маунселла, Гарольд Холкрофт , присутствовал, и была зафиксирована экономия топлива в 29% по сравнению с обычной атмосферной работой. Southern Railway переоборудовала локомотив класса SECR N номер A816 (позже 1816 и 31816) на систему Андерсона в 1930 году. Локомотив прошел испытания, и первые результаты были обнадеживающими. Сообщается, что после испытания в гору от Истли до Личфилд-Саммита Холкрофт сказал:
«Обычно это создавало бы много шума и облаков пара, но с включенным конденсационным агрегатом все это поглощалось с легкостью, с которой снег тает в печи! Двигатель был таким же тихим, как электровоз, и единственные слабые шумы были вызваны легкими ударами стержней и небольшим ударом по сальнику поршня. Это нужно было испытать, чтобы поверить; но поскольку регулятор был широко открыт, а реверсивное устройство было полностью поднято, можно было бы подумать, что второй двигатель (класса LSWR T14 , который был предоставлен в качестве резервного) приводит в движение первый». [7]
Испытания продолжались до 1934 года, но возникли различные проблемы, в основном с вентилятором для принудительной тяги , и проект не получил дальнейшего развития. [4] Локомотив был переделан обратно в стандартную форму в 1935 году. [8]
Работа французского инженера-механика Андре Шапелона по применению научного анализа и стремлению к тепловой эффективности была ранним примером передовой паровой технологии. [9] [10] Протеже Шапелона Ливио Данте Порта продолжил работу Шапелона. [9]
После войны в конце 1940-х и 1950-х годах некоторые конструкторы работали над модернизацией паровозов. Аргентинский инженер Ливио Данте Порта, занимавшийся разработкой стефенсоновских железнодорожных локомотивов, включавших передовые паровые технологии, был предшественником движения «Современный пар» с 1948 года. [11] : 3–6 Где это было возможно, Порта предпочитал проектировать новые локомотивы, но чаще на практике ему приходилось радикально модернизировать старые, чтобы включить новые технологии.
В Великобритании класс SR Leader около 1949 года Оливера Буллейда и паровозы класса British Rail «Standard» 1950-х годов Роберта Риддлса , в частности BR Standard Class 9F , использовались для испытания новых особенностей конструкции паровозов, включая котел Франко-Крости . Переехав в Ирландию , Буллейд также спроектировал CIÉ No. CC1 , который имел много новых особенностей.
Лекция сэра Биско Триттона, прочитанная Роджером Уоллером из компании DLM [12] в Институте инженеров-механиков в 2003 году [13], дает представление о том, как решаются проблемы в области паровой энергетики. Уоллер в основном ссылается на некоторые реечные горные железнодорожные локомотивы, которые были построены в период с 1992 по 1998 год. Они были разработаны для трех компаний в Швейцарии и Австрии и продолжали работать на двух из этих линий по состоянию на 2008 год [обновлять]. Новые паровозы сжигают тот же сорт легкого масла, что и их дизельные аналоги, и все они демонстрируют те же преимущества доступности и сниженной стоимости рабочей силы; в то же время было показано, что они значительно снижают загрязнение воздуха и почвы. Их экономическое превосходство означало, что они в значительной степени заменили дизельные локомотивы и дрезины, ранее работавшие на линии; кроме того, паровозы являются туристической достопримечательностью.
Параллельным направлением развития стало возвращение к паровой тяге старого колесного парохода Montreux на Женевском озере , который в 1960-х годах был переоборудован в дизель-электрический двигатель. [14] Экономические цели, аналогичные тем, которые были достигнуты с помощью зубчатых локомотивов, преследовались посредством автоматического управления котлом, работающим на легком масле, и дистанционного управления двигателем с мостика, что позволило управлять пароходом команде такого же размера, как и теплоходом.
Энергоблок, работающий на основе передовой паровой технологии, сжигающей ископаемое топливо, неизбежно будет выделять углекислый газ , долгосрочный парниковый газ . Однако, значительное сокращение других загрязняющих веществ, таких как CO и NO x, достигается с помощью пара по сравнению с другими технологиями сжигания, поскольку он не предполагает взрывного сгорания, [15] тем самым устраняя необходимость в дополнительных устройствах (таких как фильтры) или специальной подготовке топлива.
Если используется возобновляемое топливо, такое как древесина или другое биотопливо , то система может быть углеродно-нейтральной . Использование биотоплива остается спорным; однако, жидкое биотопливо легче производить для паровых установок, чем для дизельных, поскольку оно не требует строгих топливных стандартов, необходимых для защиты дизельных инжекторов.
В принципе, горение и подачу энергии паровой установки можно считать отдельными этапами. Хотя высокая общая тепловая эффективность может быть труднодостижима, в основном из-за дополнительной стадии генерации рабочей жидкости между горением и подачей энергии, приписываемой в основном утечкам и потерям тепла, [11] : 54–61 разделение процессов позволяет решать конкретные проблемы на каждом этапе без пересмотра всей системы каждый раз. Например, котел или парогенератор можно адаптировать для использования любого источника тепла, полученного из твердого, жидкого или газообразного топлива, и может использовать отходящее тепло . Какой бы ни был выбор, он не окажет прямого влияния на конструкцию двигательной установки, поскольку она всегда имеет дело только с паром.
Этот проект в основном включает в себя комбинированные системы генерации электроэнергии и отопления для частных домов и небольших деревень, сжигающих древесную или бамбуковую щепу. Это предназначено для замены двухтактных двигателей Donkey и небольших дизельных электростанций. Резкое снижение уровня шума является одним из непосредственных преимуществ небольшой паровой электростанции. Тед Притчард из Мельбурна, Австралия, интенсивно разрабатывал этот тип агрегата с 2002 года до своей смерти в 2007 году. Компания Pritchard Power (теперь Uniflow Power) [16] заявила в 2010 году, что они продолжают разрабатывать стационарный S5000, и что прототип был построен и проходит испытания, а конструкции совершенствуются для готовых к выходу на рынок продуктов. [17]
До 2006 года немецкая компания Enginion активно разрабатывала Steamcell , микро-ТЭЦ размером с компьютерную башню для домашнего использования. Кажется, к 2008 году она объединилась с берлинской компанией AMOVIS. [18] [19]
С 2012 года французская компания EXOES продает промышленным фирмам запатентованный двигатель, работающий на цикле Ренкина , который предназначен для работы со многими видами топлива, такими как концентрированная солнечная энергия, биомасса или ископаемое топливо. Система, называемая «SHAPE» (Sustainable Heat And Power Engine), преобразует тепло в электричество. Двигатель SHAPE подходит для встроенных и стационарных приложений. Двигатель SHAPE был интегрирован в котел на биомассе и в систему концентрированной солнечной энергии . Компания планирует работать с производителями автомобилей, производителей грузовиков для дальних перевозок и железнодорожными корпорациями. [20]
Аналогичное устройство продает компания Powertherm [21] , дочерняя компания Spilling (см. ниже).
Компания в Индии [22] производит паровые генераторы в диапазоне размеров от 4 л. с. до 50 л. с. Они также предлагают ряд различных мельниц, которые могут работать от их двигателей.
Говоря о технологии, следует отметить, что квазитурбина представляет собой прямоточный роторный паровой двигатель, в котором пар забирается в горячих зонах, а выходит в холодных.
Компания Spilling производит ряд небольших стационарных установок, предназначенных для сжигания биомассы или получения энергии из отработанного тепла или рекуперации давления. [23] [24]
Финская компания Steammotor Finland разработала небольшой роторный паровой двигатель, работающий с парогенератором мощностью 800 кВт. Планируется, что двигатели будут вырабатывать электроэнергию на электростанциях, работающих на древесной щепе. По данным компании, паровой двигатель Quadrum генерирует 27% эффективности и работает с паром температурой 180 °C при давлении 8 бар, в то время как соответствующая паровая турбина производит всего 15% эффективности, требует температуры пара 240 °C и давления 40 бар. Высокая эффективность достигается за счет запатентованного кривошипно-шатунного механизма, который обеспечивает плавный, безимпульсный крутящий момент. Компания считает, что путем дальнейшего развития конструкции есть потенциал достичь такой высокой эффективности, как 30–35%. [25]
Во время первого нефтяного кризиса 1970-х годов крупные автомобильные корпорации инициировали ряд исследований в области паровых технологий, однако по мере спада кризиса стимул к исследованиям вскоре был утерян.
Основным направлением исследований австралийского инженера Теда Притчарда [ 26] с конца 1950-х до 1970-х годов было создание нескольких эффективных паровых силовых установок, работающих на системе прямотока, адаптированной к небольшому грузовику и двум автомобилям. Один из автомобилей достигал самых низких показателей выбросов того времени.
IAV , берлинская научно-исследовательская компания, которая позже разработала Steamcell, в 1990-х годах работала над одноцилиндровым двигателем ZEE (Zero Emissions Engine), за которым последовал компактный 3-цилиндровый двигатель EZEE (Equal-to-Zero-Emissions-Engine) [27], разработанный для установки в моторном отсеке небольшого семейного седана Škoda Fabia . Все эти двигатели интенсивно использовали беспламенные керамические тепловые ячейки как для парогенератора, так и в стратегических точках наддува, где пар впрыскивался в цилиндр(ы).
Конструкция, установленная на силовых тележках с компактным водотрубным котлом, похожая на конструкцию Sentinel 1930-х годов. Пример: локомотив Sentinel-Cammell (справа).
Оба 52 8055 и предлагаемый 5AT имеют обычную компоновку с кабиной сзади, в то время как ACE 3000 имел кабину спереди. Возможны и другие подходы, особенно с использованием жидкого топлива. Например:
Другое предложение для передовой паровой технологии — возродить беспламенный локомотив , который работает на запасенном паре, который самостоятельно предварительно генерируется. Примером может служить проект Solar Steam Train [32] в Сакраменто, Калифорния .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )