Передовая паровая технология

Паровоз Sentinel-Cammell

Передовая паровая технология (иногда известная как современный пар ) отражает подход к техническому развитию парового двигателя, предназначенного для более широкого круга применений, чем это было в последнее время. Особое внимание было уделено эндемическим проблемам, которые привели к исчезновению паровой энергии в малых и средних коммерческих применениях: чрезмерное загрязнение, затраты на техническое обслуживание, трудоемкая работа, низкое соотношение мощности / веса и низкий общий тепловой КПД ; где мощность пара, как правило, теперь заменена двигателем внутреннего сгорания или электроэнергией, потребляемой из электрической сети . Единственные широко используемые паровые установки - это высокоэффективныетепловые электростанции, используемые для производства электроэнергии в больших масштабах. Напротив, предлагаемые паровые двигатели могут быть стационарными, автомобильными, железнодорожными или морскими.

Улучшение паровой тяги [ править ]

Хотя большинство ссылок на «современный пар» относится к разработкам с 1970-х годов, определенные аспекты передовых паровых технологий можно было различить на протяжении всего 20-го века, особенно автоматическое управление котлом наряду с быстрым запуском.

Эбнер Добл [ править ]

В 1922 году Абнер Добл разработал электромеханическую систему, которая одновременно реагировала на температуру и давление пара, запускала и останавливала подающие насосы при зажигании и отключении горелки в зависимости от давления в котле. ^[1] Противоточный однотрубный котел имел рабочее давление от 750  фунтов на квадратный дюйм (5,17  МПа ) до 1200 фунтов на  квадратный дюйм (8,27  МПа ), но в нем было так мало циркулирующей воды, что не было риска взрыва. Этот тип котла непрерывно разрабатывался в США, Великобритании и Германии на протяжении 1930-х и до 1950-х годов для использования в автомобилях , автобусах , грузовиках , железнодорожных вагонах., маневровые локомотивы (США; переключатели ), скоростной катер и в 1933 году переоборудованный биплан Travel Air 2000 . ^{[2] [3]}

Страж [ править ]

В Великобритании компания Sentinel Waggon Works разработала вертикальный водотрубный котел, работающий под давлением 275 фунтов на  квадратный дюйм (1,90  МПа ), который использовался в автотранспортных средствах, маневровых локомотивах и железнодорожных вагонах. Пар можно было поднять намного быстрее, чем с помощью обычного паровозного котла .

Холкрофт и Андерсон [ править ]

Испытания конденсационной системы Андерсона на Южной железной дороге (Великобритания) проходили между 1930 и 1935 годами. Конденсатор не получил широкого распространения на паровозах из-за дополнительной сложности и веса, но он дает четыре потенциальных преимущества:

• Повышенная тепловая эффективность
• Сниженное потребление воды
• Снижение затрат на обслуживание котла для удаления известкового налета
• Пониженный шум

В конденсационной системе Андерсона используется процесс, известный как механическая рекомпрессия пара . Он был разработан морским инженером из Глазго Гарри Персивалем Харви Андерсоном . ^[4] 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 только 1-2% выходной мощности двигателя. Между 1925 и 1927 годами Андерсон и другой инженер из Глазго Джон Маккаллум(некоторые источники приводят МакКаллума), провели эксперименты на стационарной паровой установке с обнадеживающими результатами. Была образована компания Steam Heat Conservation (SHC), и на Сурбитонской электростанции была организована демонстрация системы Андерсона.

Компания SHC была заинтересована в применении системы на железнодорожном локомотиве и связалась с Ричардом Маунселлом из Южной железной дороги. Маунселл попросил провести контролируемое испытание в Сурбитоне, и это было сделано примерно в 1929 году. Присутствовал технический помощник Маунселла , Гарольд Холкрофт , и была зафиксирована экономия топлива на 29% по сравнению с обычной атмосферной работой. Южные железные дороги преобразовали локомотив класса SECR N A816 (позже 1816 и 31816) в систему Андерсона в 1930 году. Локомотив прошел испытания, и первые результаты обнадеживают. Сообщается, что после тяжелого испытания от Истли до Саммита Личфилда Холкрофт сказал:

«Обычным способом это вызвало бы много шума и облаков пара, но при действии конденсационной установки все это поглощалось с той легкостью, с которой снег растапливал бы в печи! Двигатель был бесшумным, как электровоз, и только слабые шумы были из-за легкого стука шатунов и небольшого удара по сальнику поршня. Чтобы поверить в это, нужно было испытать это на себе; но если бы регулятор был широко открыт, а реверсивный механизм был полностью опущен, можно было бы предположить, что второй двигатель ( класс LSWR T14 , который был предоставлен в качестве запасного) был первым ". ^[5]

Испытания продолжались до 1934 года, но возникли различные проблемы, и дальше проект не пошел. Локомотив был преобразован в стандартную форму в 1935 году. ^[6]

Андре Чапелон [ править ]

Работа французского инженера-механика Андре Шапелона по применению научного анализа и стремлению к тепловому КПД была ранним примером передовой паровой технологии. ^{[7] [8]} Протеже Чапелона Ливио Данте Порта продолжил дело Чапелона. ^[7]

Ливио Данте Порта [ править ]

В послевоенные годы в конце 1940-х и 1950-х годах некоторые конструкторы работали над модернизацией паровозов. Аргентинский инженер Ливио Данте Порта в развитии Stephensonian железнодорожных локомотивов с использованием передовых технологий паровых был предшественником движения «Современной Парового» от 1948 г. ^{[9] : 3-6} Где это возможно, Порта предпочитал создавать новые локомотивы, но более часто на практике он был вынужден радикально обновить старые, чтобы включить новые технологии.

Bulleid and Riddles [ править ]

В Великобритании класс лидера эсеров ок. 1949 год - Оливер Буллейд и паровозы класса «Standard» компании British Rail 1950-х годов Роберта Риддлза , в частности BR Standard Class 9F , были использованы для испытания новых конструктивных особенностей паровоза, в том числе котла Франко-Крости . Переехав в Ирландию , Буллейд также разработал CIÉ No. CC1, в котором было много новшеств.

Достижение цели [ править ]

Лекция сэра Бискоу Триттона, прочитанная Роджером Уоллером из компании DLM ^[10] в Институте инженеров-механиков в 2003 году ^[11], дает представление о том, как решаются проблемы в области паровой энергетики. Уоллер в основном ссылается на некоторые зубчатые горные железнодорожные локомотивы, которые были недавно построены 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.^{[Обновить]}. Новые паровозы сжигают тот же сорт легкого топлива, что и их дизельные аналоги, и все они демонстрируют те же преимущества, заключающиеся в доступности и снижении затрат на рабочую силу; в то же время было показано, что они значительно сокращают загрязнение воздуха и почвы. Их экономическое превосходство означало, что они в значительной степени заменили тепловозы и железнодорожные вагоны, ранее использовавшиеся на линии; Кроме того, туристической достопримечательностью являются паровозы.

Параллельной линией развития было возвращение к использованию пара на старом пароходе Montreux по Женевскому озеру, который в 1960-х годах был переоборудован дизель-электрическим двигателем. ^[12] Экономические цели, аналогичные тем, которые были достигнуты с рельсовыми локомотивами, преследовались за счет автоматического управления дизельным котлом и дистанционного управления двигателем с мостика, что позволило управлять пароходом такой же командой, как теплоход.

Углеродный нейтралитет [ править ]

Энергоблок, основанный на передовой паровой технологии, сжигающий ископаемое топливо , неизбежно будет выделять углекислый газ - парниковый газ , который долго сохраняется . Однако значительное сокращение, по сравнению с другими технологиями сжигания, других загрязняющих веществ, таких как CO и NO x , достижимо с помощью паровой технологии, которая не предполагает взрывного горения ^[13], без необходимости в дополнительных приспособлениях, таких как фильтры и т. Д. Или специальных подготовка топлива.

Если используется возобновляемое топливо, такое как древесина или другое биотопливо, система может быть углеродно-нейтральной . Использование биотоплива остается спорным; однако жидкое биотопливо легче производить для паровых установок, чем для дизелей, поскольку они не требуют строгих стандартов на топливо, необходимых для защиты дизельных форсунок.

Преимущества передовой паровой технологии [ править ]

В принципе, сжигание и выдача мощности паровой установки можно рассматривать как отдельные этапы. В то время как высокий общий тепловой КПД может быть труднодостижимым, в основном из-за дополнительной стадии генерации рабочего тела между сгоранием и подачей энергии, что связано, главным образом, с утечками и тепловыми потерями, ^{[9] : 54–61} разделение процессов позволяет решить определенные проблемы. необходимо решать на каждом этапе, не пересматривая каждый раз всю систему. Например, котел или парогенератор можно приспособить для использования любого источника тепла, будь то твердое, жидкое или газообразное топливо, и можно использовать отходящее тепло . Каким бы ни был выбор, он не окажет прямого влияния на конструкцию блока двигателя, поскольку он имеет дело только с паром.

Начало двадцать первого века [ править ]

Маломасштабная стационарная установка [ править ]

Этот проект в основном включает комбинированные системы выработки электроэнергии и отопления для частных домов и небольших деревень, сжигающих древесину или бамбуковую стружку. Он предназначен для замены двухтактных двигателей типа «осел» и небольших дизельных электростанций. Резкое снижение уровня шума - одно из непосредственных преимуществ небольшой паровой электростанции. Тед Причард из Мельбурна, Австралия, интенсивно разрабатывал этот тип устройства с 2002 года до своей смерти в 2007 году. Компания Pritchard Power (ныне Uniflow Power) ^[14] заявила в 2010 году, что они продолжают разработку стационарного S5000 и прототип был построен и тестировался, а конструкции дорабатывались для выпуска на рынок готовой продукции. ^[15]

До 2006 года немецкая компания Enginion активно разрабатывала Steamcell , мини- когенерационную установку размером с компьютерную башню для домашнего использования. Похоже, что к 2008 году она объединилась с берлинской компанией AMOVIS. ^{[16] [17]}

С 2012 года французская компания EXOES продает промышленным компаниям запатентованный двигатель цикла Ренкина , который предназначен для работы с различными видами топлива, такими как концентрированная солнечная энергия, биомасса или ископаемое. Система, получившая название «SHAPE» от Sustainable Heat And Power Engine, преобразует тепло в электричество. Механизм SHAPE подходит для встроенных и стационарных приложений. Двигатель SHAPE был интегрирован в котел, работающий на биомассе, и в систему концентрированной солнечной энергии . Компания планирует работать с автопроизводителями, производителями грузовиков дальнего следования и железнодорожными корпорациями. ^[18]

Аналогичное устройство продается Powertherm, ^[19] дочерней компанией Spilling (см. Ниже).

Компания в Индии ^[20] производит парогенераторы в диапазоне мощности от 4 до 50 л.с. Они также предлагают ряд различных мельниц, которые могут приводиться в действие их двигателями.

Что касается технологии, обратите внимание, что квазитурбина - это однопоточный роторный паровой двигатель, в котором пар поступает в горячие зоны, а выпускается в холодных.

Небольшая стационарная стационарная установка [ править ]

Компания Spilling производит различные небольшие стационарные стационарные установки, адаптированные для сжигания биомассы или энергии, получаемой за счет сбросного тепла или восстановления давления. ^{[21] [22]}

Финская компания Steammotor Finland разработала небольшой роторный паровой двигатель с парогенератором мощностью 800 кВт. Планируется, что двигатели будут вырабатывать электроэнергию на электростанциях, работающих на древесной щепе. По данным компании, паровой двигатель под названием Quadrum обеспечивает КПД 27% и работает с паром 180 ° C при давлении 8 бар, в то время как соответствующая паровая турбина обеспечивает КПД всего 15%, требует температуры пара 240 ° C и давления 40 бар. Высокая эффективность обеспечивается запатентованным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает плавный безимпульсный крутящий момент. Компания считает, что при дальнейшем развитии строительства есть потенциал достичь КПД 30–35%. ^[23]

Автомобильное использование [ править ]

Во время первого нефтяного кризиса 1970-х годов крупные автомобильные корпорации инициировали ряд исследований в области паровой технологии, хотя, когда кризис утих, импульс вскоре был утрачен.

Австралийский инженер Тед Притчард «s ^[24] Основная область исследований с конца 1950 - х до 1970 - х годов не было строительство нескольких эффективных агрегатов паротурбинных , работающих на прямоточной системы адаптированы к небольшой грузовик и две машины. Один из автомобилей имел самые низкие показатели выбросов на тот момент.

IAV , берлинская научно-исследовательская компания, которая позже разработала Steamcell, в течение 1990-х годов работала над одноцилиндровым двигателем ZEE (Zero Emissions Engine), за которым последовал компактный 3-цилиндровый EZEE (Equal-to-Zero-Emissions-Engine). ^[25] разработан для размещения в моторном отсеке небольшого семейного седана Škoda Fabia . Во всех этих двигателях широко использовались беспламенные керамические тепловые ячейки как для парогенератора, так и в стратегических точках наддува, где пар вводился в цилиндр (-ы).

Использование железной дороги [ править ]

• № 52 8055 , ^[26] реконструкция существующего локомотива (Восточная Германия, 1960).
• Проект 5AT , ^[27] предложение совершенно нового локомотива (Великобритания, 2000-е годы).
• Проект ACE 3000 ^[28], предложенный энтузиастом локомотивов Россом Роулендом во время нефтяного кризиса 1970-х годов. Локомотив выглядел бы как дизель и был разработан, чтобы конкурировать с нынешними тепловозами за счет использования угля, который в то время был намного дешевле, чем нефть. В ACE 3000 будет много новых технологий, таких как автоматический запуск и контроль уровня воды. Локомотив можно будет подключить к дизельному агрегату и работать синхронно с ним, так что нет необходимости подключать два одинаковых локомотива. ACE 3000 был одной из самых разрекламированных попыток современного Steam, но проект в конечном итоге провалился из-за нехватки средств.
• Проект CSR 130, ^[29] намеревается разработать современный паровоз (на основе существующего локомотива класса ATSF 3460 ), способный перевозить пассажиров со скоростью более 100 миль в час и испытанный до 130 миль в час (отсюда и название Project 130. ). Предполагается, что он будет углеродно-нейтральным, так как он будет работать на торрефицированной биомассе в качестве твердого топлива (в отличие от всех других современных конструкций, которые требуют жидкого топлива). Развитие является результатом совместных усилий между университетом Миннесоты «с Институтом по окружающей среде (IONE) и устойчивого железнодорожного International , некоммерческое использованием железнодорожных экспертов и паровых инженеров , установленных для этой цели.

Роман по сравнению с традиционным макетом [ править ]

И 52 8055, и предлагаемый 5AT имеют обычную компоновку с кабиной сзади, в то время как у ACE 3000 кабина расположена спереди. Возможны и другие подходы, особенно при сжигании жидкого топлива. Например:

• Кабина переднего типа. Это хорошо зарекомендовавшая себя конструкция с потенциалом большой выходной мощности, которая обеспечит водителю хороший обзор. Будучи несимметричным, его нужно было бы повернуть на поворотной платформе или треугольном соединении. Пример: Южный Тихий океан 4294 .
• Тип Гарратта . Еще одна хорошо зарекомендовавшая себя конструкция с большим потенциалом мощности. Пример: класс 400 Южно-Австралийских железных дорог . Будущий дизайн мог бы включать более короткие резервуары для воды и кабину на каждом конце, чтобы водитель мог хорошо видеть в любом направлении.

• Конструкция, установленная на силовых тележках с компактным водотрубным котлом, аналогична конструкции Sentinel 1930-х годов. Пример: локомотив Sentinel-Cammell (справа).

Беспожарные локомотивы [ править ]

Еще одно предложение по усовершенствованной паровой технологии - возродить безпожарный локомотив , который работает на накопленном парах, самостоятельно генерируемом заранее. Примером может служить проект Solar Steam Train ^[30] в Сакраменто, Калифорния .

См. Также [ править ]

• Комбинированный газ и пар , комбинированный цикл, в котором тепло газовой турбины в противном случае используется для выработки пара для привода паровой турбины.
• Список патентов на паровые технологии
• Паровая машина
• Паровозы 21 века
• Паровой двигатель
• Паровой двигатель Uniflow

Ссылки [ править ]