Введение

Тип локомотива, предназначенного для утилизации отработанного пара.

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.

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.

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.

Типы конденсаторов

Конденсаторы паровозов могут быть водяного или воздушного охлаждения.

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.

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).

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.

Цель

Существуют две основные причины установки конденсационного оборудования: снижение выбросов отработавших газов и увеличение дальности хода.