Конденсационные паровозы: устройство и особенности работы.
Condensing steam locomotive
Конденсирующий паровоз: конструкция для рекуперации отработанного пара, увеличения запаса воды или снижения выбросов. Не повышает мощность, но экономит ресурсы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип локомотива, предназначенного для утилизации отработанного пара.
Type of locomotive designed to recover exhaust steam
Конденсационный паровоз – это тип локомотива, разработанный для утилизации отработанного пара, либо для увеличения запаса хода между пополнением запасов воды в котле, либо для снижения выброса пара в закрытых пространствах. Устройство принимает отработанный пар, который обычно используется для создания тяги в топке, и направляет его через теплообменник в баки с водой котла. Конструкция установок варьируется в зависимости от назначения, конструкции и типа локомотива, на который она установлена. Он отличается от обычного парового двигателя с замкнутым циклом конденсации тем, что основная функция конденсатора заключается либо в рекуперации воды, либо в предотвращении избыточных выбросов в атмосферу, а не в поддержании вакуума для повышения эффективности и мощности.
A condensing steam locomotive is a type of locomotive designed to recover exhaust steam, either in order to improve range between taking on boiler water, or to reduce emission of steam inside enclosed spaces. The apparatus takes the exhaust steam that would normally be used to produce a draft for the firebox, and routes it through a heat exchanger, into the boiler water tanks. Installations vary depending on the purpose, design and the type of locomotive to which it is fitted. It differs from the usual closed cycle condensing steam engine, in that the function of the condenser is primarily either to recover water, or to avoid excessive emissions to the atmosphere, rather than maintaining a vacuum to improve both efficiency and power.
Термодинамика
В отличие от поверхностного конденсатора, часто используемого на паровой турбине или морском паровом двигателе, конденсационный аппарат на паровозе обычно не увеличивает мощность, а может значительно снизиться из-за уменьшения потока воздуха в топку, нагревающую паровой котел. Конденсация пара из газа большого объема в жидкость малого объема вызывает значительное падение давления на выходе, что в большинстве паровых двигателей обычно приводило бы к увеличению мощности. Хотя теоретически возможно получить большую мощность за счет расширения до вакуума, фактическая мощность значительно снижается по сравнению с обычным паровозом из-за уменьшения потока воздуха через топку, поскольку отработанный пар больше не выбрасывается в выхлопную трубу топки для подсоса дополнительного воздуха во впускное отверстие. Для получения сопоставимой мощности воздух в топку необходимо подавать с помощью вентилятора, приводимого в действие паром или механически. Это часто нивелирует любые улучшения в эффективности. Температура отработанного пара выше, чем у типичных стационарных или судовых паровых установок аналогичной мощности, из-за меньшего количества ступеней рекуперации тепла, поскольку на кораблях часто используются компаунд-машины с дополнительной ступенью низкого давления или даже турбиной низких оборотов. На современных паровых установках отработанное тепло часто рекуперируется с помощью теплообменников. Однако конденсационные локомотивы лишены этого преимущества, поскольку отработанное тепло рассеивается в окружающий воздух и не рекуперируется, а значит, энергия отработанного пара не используется для совершения механической работы. Во многих условиях температурный градиент часто оказывается хуже из-за использования воздуха вместо обильного источника охлаждающей воды, доступного на морских или стационарных паровых установках. Конденсационная система Андерсона значительно снижает эти потери, частично охлаждая отработанный пар перед сжатием его в конденсат, а затем перекачивая высокотемпературный конденсат обратно в котел для рекуперации неиспользованного 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 условиях ограниченного пространства типичного локомотива. Фактически, потери на вязкое трение в конденсаторных трубопроводах и необходимость перекачки конденсата обратно в котел, вероятно, снизят мощность по сравнению с тем, что можно было бы достичь при простом выбросе в атмосферу. Эти ограничения не распространяются на морские или стационарные паровые двигатели, поскольку они не имеют ограничений по размеру или весу. На кораблях часто устанавливались массивные системы рекуперации отработанного пара, такие как 400-тонная турбина, использовавшаяся для рекуперации небольшого количества отработанного пара на "Титанике" и его судах-близнецах. Это в несколько раз превышает вес целого локомотива и, следовательно, явно нецелесообразно в качестве системы рекуперации отработанного пара для локомотивов.
Unlike the surface condenser often used on a steam turbine or marine steam engine, the condensing apparatus on a steam locomotive does not normally increase the power output, rather it may decrease considerably due to a reduction of airflow to the firebox that heats the steam boiler. Condensing the steam from a high volume gas to a low volume liquid causes a significant pressure drop at the exhaust, which usually would add additional power in most steam engines. Whilst more power is potentially available by expanding down to a vacuum, the power output is actually greatly reduced compared to a conventional steam locomotive on account of the lower air flow through the firebox, as there is now no waste steam to eject into the firebox exhaust in order to pull more air into the firebox air intake. In order to produce similar power, air to the firebox must be provided by a steam driven or mechanically driven fan. This often cancels out any improvement in efficiency. The temperature of the exhaust steam is greater than typical stationary or ship based steam plant of similar power due to having fewer waste recovery stages, as ships often have a compound steam engine with an additional low pressure stage or even a low speed turbine. Waste heat on modern steam plants is often recovered using heat exchangers. However, condensing locomotives do not have this benefit due to the waste heat being expelled to the surrounding air and not being recovered, and therefore none of the energy in the waste steam is recovered to do mechanical work. In many conditions the temperature gradient is often much worse due to using air instead of having an abundant source of cooling water as naval or stationary steam power plants have. The Anderson condensing system significantly reduces these losses by only partially cooling the waste steam before compressing it into condensate, then pumping the high temperature condensate back into the boiler in order to recover the unused waste heat. This greatly reduces energy waste. Because of the relatively high temperature in a locomotive condenser and the rejection of the heat to the air, the potential improvement in thermal efficiency expected from including the condenser in the cycle is not usually realised within the space constraints of a typical locomotive. Indeed, losses due to viscous friction in the condenser piping, and having to pump the condensate back into the boiler is likely to reduce the power output over what was achievable from simply venting to atmosphere. These restrictions do not apply to marine or stationary steam engines due to not having size or weight restrictions. Ships often had massive waste steam recovery systems, such as the 400 ton waste steam turbine used to recover very low waste steam on the Titanic and its sister ships. This is several times the weight of an entire locomotive, and so is clearly not feasible as a form of waste steam recovery for locomotives.
Выхлопный проход
Недостатком конденсации отработанного пара является то, что он больше не может использоваться для поддува огня с помощью сопла (или дымососной трубы). В этом случае тяга должна создаваться вентилятором, приводимым в движение паром. По возможности, для этого использовался отработанный пар, однако в некоторых случаях требовался основной пар, что приводило к дополнительному расходу пара и, следовательно, топлива.
A drawback of condensing the exhaust steam is that it is no longer available to draw the fire, by use of the blastpipe. The draught must thus be generated instead by a steam driven fan. Where possible, this has been arranged to use exhaust steam, although in some cases live steam was required, with extra steam and thus fuel consumption.
Типы конденсаторов
Конденсаторы паровозов могут быть водяного или воздушного охлаждения.
Steam locomotive condensers may be water cooled or air cooled.
Конденсатор для резервуаров с водой
Здесь отработанный пар направляется в холодную воду в водяных баках локомотива. Необходимо установить обратный клапан, чтобы предотвратить засасывание воды из баков в цилиндры при прекращении подачи пара. Эта система в основном использовалась для локомотивов, работающих в туннелях.
Here, the exhaust steam is blown into cold water in the locomotive's water tanks. A non return system must be fitted, to prevent water from the tanks being drawn into the cylinders when the steam is shut off. This system was mainly used for locomotives working in tunnels.
Конденсатор воздуха
Здесь отработанный пар направляется в воздушный радиатор, аналогичный тому, что используется в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Эта система применялась на небольших трамвайных двигателях (где конденсатор монтировался на крыше) и на больших двигателях с тендером (где конденсатор устанавливался в тендере).
Here, the exhaust steam is blown into an air cooled radiator, similar to that used for the cooling system of an internal combustion engine. This system was used on small tram engines (where the condenser was mounted on the roof) and on large tender engines (where the condenser was mounted in the tender).
Система Андерсона
Конденсационная система Андерсона использует воздушный конденсатор, но пар конденсируется лишь частично, образуя аэрозоль из капель воды в паре. Этот аэрозоль затем сжижается под давлением с помощью специально разработанного насоса подачи воды в котел. Для системы Андерсона заявлена экономия топлива почти в 30% (по сравнению с выбросом в атмосферу), что кажется парадоксальным. Можно было бы ожидать большего расхода топлива из-за энергии, необходимой для сжатия аэрозоля. Однако это возможно благодаря теореме Карно, которая утверждает, что перекачка тепла требует меньше энергии, чем его производство. Позднее аналогичный эффект, известный как опреснение методом парокомпрессии, был использован для опреснения воды. Вместо возврата конденсата в котел, горячий сжатый конденсат пропускается через теплообменник для возврата тепла в котел, а затем высвобождается как чистая питьевая вода. Это один из наиболее эффективных процессов опреснения воды.
The Anderson condensing system uses an air cooled condenser but the steam is only partially condensed to form an aerosol of water droplets in steam. This aerosol is then liquified by pressure, using a specially designed boiler feed pump. A fuel saving of nearly 30% (compared with exhausting to the atmosphere) was claimed for the Anderson system but this seems paradoxical. One would expect a higher fuel consumption because of the power required to compress the aerosol. The reason this is possible is due to Carnot's theorem, which states that pumping heat requires less energy than producing the heat itself. A similar effect known as Vapor compression desalination was later used for desalination of water. Instead of returning the condensate water to the boiler, the hot compressed condensate is passed through a heat exchanger to return heat to the boiler, then released as clean drinking water. It is one of the most efficient processes used to desalinate water.
Цель
Существуют две основные причины установки конденсационного оборудования: снижение выбросов отработавших газов и увеличение дальности хода.
There are two usual reasons for fitting condensing equipment reducing exhaust emissions and increasing range.