Введение

Техника повышения температуры пара для повышения эффективности парового двигателя. Физический процесс.

Сверхнагреватель – это устройство, используемое для преобразования насыщенного или влажного пара в перегретый или сухой пар. Перегретый пар используется в паровых турбинах для выработки электроэнергии, в некоторых паровых двигателях и в процессах, таких как паровой риформинг. Существуют три типа сверхнагревателей: лучистые, конвекционные и с отдельной топкой. Размер сверхнагревателя может варьироваться от нескольких десятков футов до нескольких сотен футов (от нескольких метров до нескольких сотен метров).

Типы

Радиационный сверхнагреватель размещается непосредственно в зоне лучистого нагрева камеры сгорания вблизи водяной стенки для поглощения тепла посредством излучения. Конвекционный сверхнагреватель располагается в конвективной зоне печи на пути горячих дымовых газов, как правило, перед экономайзером. Конвекционный сверхнагреватель также называют первичным. Отдельно-топливный сверхнагреватель – это сверхнагреватель, который устанавливается вне основного котла и имеет собственную, независимую систему сгорания. Конструкция такого сверхнагревателя предусматривает установку дополнительных горелок в области труб сверхнагревателя. Он используется крайне редко или не используется вовсе из-за низкой эффективности и того, что качество получаемого пара не превосходит качество пара, производимого другими типами сверхнагревателей.

Паровые турбины

Во многих применениях турбина будет более эффективно использовать энергию пара, чем поршневой двигатель. Однако насыщенный ("влажный") пар в точке кипения может содержать или конденсироваться в капли жидкой воды, которые могут повредить лопатки турбины. Поэтому паровые турбины обычно перегревают пар, как правило, в основном котле, чтобы гарантировать отсутствие попадания жидкой воды в систему и повреждения лопаток.

Паровые двигатели

В паровом двигателе перегреватель дополнительно нагревает пар, производимый котлом, увеличивая его тепловую энергию и снижая вероятность конденсации внутри двигателя. Перегреватели повышают тепловую эффективность парового двигателя и получили широкое распространение. Пар, прошедший перегрев, называется перегретым паром, а пар, не прошедший перегрев, – насыщенным или влажным паром. Начиная с начала XX века, перегреватели стали применяться во многих паровозах, в большинстве паровых транспортных средств и в стационарных паровых двигателях. Они до сих пор используются совместно с паровыми турбинами на электростанциях по всему миру.

Локомотивы

В паровозостроении наиболее распространенным типом перегревателя является перегреватель трубного типа. Он принимает насыщенный пар, поступающий в паропровод, и направляет его в коллектор перегревателя, установленный у трубной решетки в дымовой коробке. Затем пар проходит через ряд трубных элементов перегревателя – длинные трубы, расположенные внутри труб большего диаметра, называемых дымогарными трубами. Горячие продукты сгорания из топки локомотива проходят через дымогарные трубы и, нагревая воду в окружающем котле, одновременно нагревают пар внутри трубных элементов перегревателя, обтекая их. Трубный элемент перегревателя изгибается, чтобы обеспечить возврат нагретого пара. Большинство конструкций предусматривают два изгиба со стороны топки и один – со стороны дымовой коробки, благодаря чему пар проходит расстояние, в четыре раза превышающее длину коллектора, в процессе нагрева. В конце своего пути по элементам перегретый пар поступает в отдельную камеру коллектора перегревателя, а затем в цилиндры двигателя.

Демпер и вентиль для вдыхания

Пар, проходя через элементы перегревателя, охлаждает их металл и предотвращает плавление, но при закрытии регулятора этот охлаждающий эффект исчезает, поэтому в дымовой коробке закрывается заслонка, чтобы прекратить поток через жаровые трубы и предотвратить их повреждение. Некоторые локомотивы, особенно на Лондонской и Северо-Восточной железной дороге, были оснащены продувочными клапанами, которые подавали воздух в перегреватель, когда локомотив двигался по инерции. Это поддерживало элементы перегревателя относительно прохладными, а цилиндры – теплыми. Продувочный клапан можно увидеть за дымовой трубой на многих локомотивах LNER.

Передняя дроссель

Нагреватель увеличивает расстояние между регулятором и цилиндрами в паровой цепи и, таким образом, снижает быстроту реакции на изменение положения регулятора. Чтобы компенсировать это, некоторые более поздние паровозы оснащались регулятором переднего расположения, установленным в дымовой коробке после нагревателя. Такие локомотивы иногда можно узнать по внешнему регуляторному стержню, проходящему вдоль всей длины котла, с кривошипом на внешней стороне дымовой коробки. Такая конструкция также позволяет использовать перегретый пар для вспомогательного оборудования, например, динамо и воздушных насосов. Еще одним преимуществом регулятора переднего расположения является немедленная доступность перегретого пара. В случае регулятора купольного типа, требуется некоторое время, прежде чем нагреватель начнет эффективно повышать КПД.

Клапанные цилиндры

Локомотивы со сверхнагревателями обычно оснащаются поршневыми или тарельчатыми клапанами, поскольку трудно обеспечить надлежащую смазку золотникового клапана при высоких температурах.

Приложения

Первый практический перегреватель был разработан в Германии Вильгельмом Шмидтом в 1880-х и 1890-х годах. Прусский локомотив S 4 с ранней формой перегревателя был построен в 1898 году, а с 1902 года выпускался серийно. Преимущества изобретения были продемонстрированы в Великобритании компанией Great Western Railway (GWR) в 1906 году. Главный инженер-механик GWR, Г. Дж. Черчвард, считал, что конструкцию Шмидта можно улучшить, и была начата разработка и испытания собственной конструкции Суиндона, что привело к созданию перегревателя Swindon No. 3 в 1909 году. Дуглас Эрл Марш провел серию сравнительных испытаний между локомотивами его класса I3, использующими насыщенный пар, и локомотивами, оснащенными перегревателем Шмидта, в период с октября 1907 года по март 1910 года, доказав преимущества последнего с точки зрения производительности и эффективности. Улучшенные перегреватели были внедрены Джоном Г. Робинсоном из Great Central Railway на локомотивных заводах Гортон, Робертом Ури из London and South Western Railway (LSWR) на железнодорожных заводах Истли и Ричардом Маунселлом из Southern Railway (Великобритания), также в Истли. Самым старым сохранившимся паровозом с перегревателем, а также первым узкоколейным паровозом с перегревателем, является Bh.1, принадлежащий Steiermärkische Landesbahnen (STLB) в Австрии, который курсирует с экскурсионными поездами по железной дороге долины Мур.

Ури "Истли" супергрейдер

Конструкция перегревателя для LSWR, разработанная Робертом Ури, была результатом опыта, полученного при работе с его локомотивами класса H15 4-6-0. В преддверии испытаний производительности восемь локомотивов были оснащены перегревателями Шмидта и Робинсона, а два других остались с пароперегревом от котла. Однако Первая мировая война помешала проведению этих испытаний, хотя в отчете Локомотивного комитета LSWR от конца 1915 года отмечалось, что версия Робинсона показала наилучшую топливную экономичность. Она потребляла в среднем [количество] угля на милю на среднем расстоянии в 39824 мили (64090 км), по сравнению с [количество] угля для перегревателей Шмидта и локомотивов с пароперегревом от котла соответственно. Перегреватель соединялся элементами, начинающимися от насыщенного коллектора, проходящими через дымогарные трубы и возвращающимися к коллектору перегревателя, а вся конструкция была расположена вертикально для облегчения обслуживания. Устройство оказалось очень успешным в эксплуатации, но было тяжелым и дорогим в изготовлении.

Преимущества и недостатки

Основными преимуществами использования сверхнагревателя являются снижение расхода топлива и воды, однако это достигается за счет увеличения затрат на техническое обслуживание. В большинстве случаев преимущества перевешивали затраты, и сверхнагреватели получили широкое распространение, хотя британские маневровые локомотивы (свитчеры) редко оснащались ими. В локомотивах, используемых для перевозки минеральных грузов, преимущества, по-видимому, были незначительными. Например, Северо-Восточная железная дорога установила сверхнагреватели на некоторые из своих минеральных локомотивов класса P NER, но впоследствии начала их демонтировать. При отсутствии надлежащего технического обслуживания сверхнагреватели склонны к особому виду опасных поломок, связанному с разрывом труб сверхнагревателя в местах U-образных изгибов. Их сложно изготавливать и испытывать после установки, а разрыв приводит к выбросу перегретого пара высокого давления в большие дымогарные трубы, обратно в топку и в кабину локомотива, создавая серьезную опасность для машинистов и помощников машиниста.