Parowóz kondensacyjny - Condensing steam locomotive

Lokomotywa Mersey Railway Cecil Raikes , pokazująca wydatne rury wydechowe prowadzące z powrotem do zbiorników na wodę

Kondensacji lokomotywy parowej jest typu lokomotywy do odzyskiwania wylotowy pary, zarówno w celu zwiększenia zakresu między sobą w wodzie kotłowej, albo w celu zmniejszenia emisji pary wewnątrz zamkniętych przestrzeni. Urządzenie pobiera parę odlotową, która normalnie byłaby używana do wytworzenia ciągu dla paleniska, i kieruje ją przez wymiennik ciepła do zbiorników wody kotłowej. Instalacje różnią się w zależności od przeznaczenia, konstrukcji i typu lokomotywy, do której jest montowany. Różni się od zwykłego kondensacyjnego silnika parowego o obiegu zamkniętym tym , że zadaniem skraplacza jest przede wszystkim odzyskiwanie wody lub unikanie nadmiernych emisji do atmosfery, a nie utrzymywanie próżni poprawić zarówno wydajność, jak i moc .

Termodynamika

W przeciwieństwie do skraplacza powierzchniowego często używanego w turbinie parowej lub okrętowym silniku parowym , urządzenie kondensacyjne w lokomotywie parowej zwykle nie zwiększa mocy wyjściowej, a raczej zmniejsza się z powodu zmniejszenia przepływu powietrza do paleniska, które ogrzewa kocioł parowy. W rzeczywistości może to znacznie zmniejszyć. Skraplanie pary z gazu o dużej objętości do cieczy o małej objętości powoduje znaczny spadek ciśnienia na wylocie, co zwykle zwiększa moc w większości silników parowych. Podczas gdy większa moc jest potencjalnie dostępna dzięki rozprężeniu do próżni, moc wyjściowa jest w rzeczywistości znacznie zmniejszona w porównaniu z konwencjonalną lokomotywą parową ze względu na niższy przepływ powietrza przez palenisko, ponieważ nie ma teraz pary odpadowej, która mogłaby zostać wyrzucona do wylotu paleniska aby wciągnąć więcej powietrza do wlotu powietrza paleniska. Aby wytworzyć podobną moc, powietrze do paleniska musi być dostarczane przez wentylator napędzany parą lub mechanicznie. To często niweluje jakąkolwiek poprawę wydajności.

Temperatura pary odlotowej jest wyższa niż w typowej stacjonarnej lub na statku elektrowni parowej o podobnej mocy, ze względu na mniejszą liczbę etapów odzyskiwania odpadów, ponieważ statki często mają dodatkowy stopień niskiego ciśnienia lub nawet turbinę o niskiej prędkości. Ciepło odpadowe w nowoczesnych instalacjach parowych jest często odzyskiwane za pomocą wymienników ciepła. Jednak lokomotywy kondensacyjne nie mają tej korzyści, ponieważ ciepło odpadowe jest wyrzucane do otaczającego powietrza i nie jest odzyskiwane, a zatem żadna energia z pary odpadowej nie jest odzyskiwana do wykonywania prac mechanicznych. W wielu warunkach gradient temperatury jest często znacznie gorszy ze względu na wykorzystanie powietrza zamiast obfitego źródła wody chłodzącej, co zwykle ma miejsce w przypadku morskich lub stacjonarnych elektrowni parowych. System kondensacyjny Andersona znacznie zmniejsza te straty, tylko częściowo schładzając parę odpadową przed skompresowaniem jej w kondensat, a następnie pompując kondensat wysokotemperaturowy z powrotem do kotła w celu odzyskania niewykorzystanego ciepła odpadowego. To znacznie zmniejsza straty energii.

Ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę w skraplaczu lokomotywy i oddawanie ciepła do powietrza, potencjalna poprawa sprawności cieplnej oczekiwana po włączeniu skraplacza do cyklu zwykle nie jest realizowana w ramach ograniczeń przestrzennych typowej lokomotywy. Rzeczywiście, straty spowodowane tarciem lepkim w rurach skraplacza i koniecznością pompowania kondensatu z powrotem do kotła prawdopodobnie zmniejszą moc wyjściową w stosunku do tego, co można było osiągnąć dzięki prostemu odpowietrzaniu do atmosfery.

Ograniczenia te nie mają zastosowania do okrętowych lub stacjonarnych silników parowych ze względu na brak ograniczeń dotyczących rozmiaru lub wagi. Statki często posiadały masywne systemy odzyskiwania pary odlotowej, takie jak 400-tonowa turbina parowa odpadowa wykorzystywana do odzyskiwania bardzo niskiej pary odpadowej 6 psi na Titanicu i statkach siostrzanych. To kilka razy więcej niż waga całej lokomotywy, a więc jest wyraźnie niewykonalne jako forma odzysku pary odpadowej dla lokomotyw.

Ciąg wydechowy

Wadą kondensacji pary odlotowej jest to, że nie jest już możliwe sprowadzenie ognia za pomocą rury spustowej . W związku z tym ciąg musi być generowany przez wentylator napędzany parą. Tam, gdzie to możliwe, zastosowano parę odlotową, chociaż w niektórych przypadkach wymagana była para świeża, z dodatkową parą, a tym samym zużyciem paliwa.

Rodzaje skraplaczy

Skraplacze lokomotyw parowych mogą być chłodzone wodą lub powietrzem.

Skraplacz zbiornika wody

Tutaj para odlotowa jest wdmuchiwana do zimnej wody w zbiornikach wodnych lokomotywy. Należy zainstalować system bezzwrotny, aby zapobiec wciąganiu wody ze zbiorników do cylindrów po odcięciu pary. System ten był używany głównie w lokomotywach pracujących w tunelach.

Skraplacz powietrza

Tutaj para wylotowa jest wdmuchiwana do chłodnicy chłodzonej powietrzem, podobnej do tej stosowanej w układzie chłodzenia silnika spalinowego . System ten był stosowany w małych lokomotywach tramwajowych (gdzie skraplacz był montowany na dachu) oraz w dużych silnikach przetargowych (gdzie skraplacz był montowany w przetargu).

System Andersona

System kondensacyjny Andersona wykorzystuje skraplacz chłodzony powietrzem, ale para jest tylko częściowo kondensowana, tworząc aerozol z kropelek wody w parze. Aerozol ten jest następnie skraplany pod ciśnieniem za pomocą specjalnie zaprojektowanej pompy zasilającej kocioł. W przypadku systemu Anderson deklarowano oszczędność paliwa prawie 30% (w porównaniu z wyczerpywaniem się do atmosfery), ale wydaje się to paradoksalne. Można by oczekiwać większego zużycia paliwa ze względu na moc potrzebną do kompresji aerozolu.

Powodem, dla którego jest to możliwe, jest twierdzenie Carnota , które mówi, że pompowanie ciepła wymaga mniej energii niż samo wytwarzanie ciepła.

Podobny efekt, znany jako odsalanie przez kompresję pary, został później wykorzystany do odsalania wody. Zamiast zwracać wodę kondensacyjną do kotła, gorący sprężony kondensat jest przepuszczany przez wymiennik ciepła, aby oddać ciepło do kotła, a następnie uwalniany jako czysta woda pitna. Jest to jeden z najbardziej wydajnych procesów stosowanych do odsalania wody.

Cel, powód

Istnieją dwa typowe powody instalowania urządzeń kondensacyjnych – zmniejszenie emisji spalin i zwiększenie zasięgu.

Zmniejszona emisja spalin

Koleje podziemne

Metropolitan Railway Klasa A Zwróć uwagę na duże zawory w rurach powrotnych pary, przełączające się między trybami kondensacji i bez kondensacji.

Pierwotnie opracowany dla Metropolitan Railway, aby umożliwić ich lokomotywom pracę w tunelach londyńskiego metra . System ten został opracowany przez Daniela Goocha i opracowany przez Beyer Peacock . Para jest kierowana z rur odprowadzających parę do zbiorników wodnych za pośrednictwem rur kondensacyjnych w tych samych zbiornikach. Woda w zbiornikach mogłaby szybko nagrzać się do temperatury bliskiej wrzenia , zmniejszając efekt kondensacji pary odlotowej. Nie było niczym niezwykłym, że zbiorniki były regularnie opróżniane i uzupełniane zimną wodą. Zwykłych wtryskiwacze nie będzie działać z gorącą wodą (do wtryskiwacza wody gorącej opracowano) tak lokomotywy kondensacji były zwykle wyposażone w oś -driven pompy wody zasilającej kocioł . Gdy nie pracował w tunelach, para była kierowana do rury nadmuchowej i w górę komina w zwykły sposób.

Tramwaje przydrożne

W Wielkiej Brytanii lokomotywy pracujące na przydrożnych tramwajach parowych były prawnie zobowiązane do posiadania kondensatorów. Skraplacze zbiorników wodnych (jak wyżej) były czasami używane, ale skraplacze powietrzne były bardziej powszechne. Lokomotywa parowa miała zwykle dach o pełnej długości, zwieńczony gniazdem chłodzonych powietrzem rur miedzianych, w których skondensowana była para odlotowa. Kitson & Co. wykonał wiele silników tego typu. System był zadowalający dla lokomotyw tramwajowych (które miały bardzo małą moc), ale nie sprawdziłby się w przypadku większych lokomotyw kolejowych.

Zwiększony zasięg

Generalnie była to bardziej wyrafinowana instalacja, która wykorzystywała wymuszone chłodzenie powietrzem do kondensacji pary wylotowej. System miał na celu zmniejszenie problemów z dopływem wody do parowozów poruszających się po pustynnych i bardzo suchych obszarach, np. w RPA. (Patrz poniżej)

Lokomotywy wyposażone w aparaturę kondensacyjną

Klasa południowoafrykańska 25 Zwróć uwagę na wyjątkowo duży, delikatny, z bocznymi żaluzjami do chłodzenia kondensatorów
Klasa RPA 25

Ze skraplaczami zbiornika wody

Z delikatnymi skraplaczami powietrza

Zobacz też

Bibliografia