Всем, кто более – менее серьезно относился к школьному курсу физики, помнят, что учитель на уроке в 6 или в 7 классе говорил. Что КПД паровоза составлял всего 3-4%.
Это заявление близко к истине, но с многочисленными оговорками.
Давайте вообще рассмотрим концепцию паровоза. Во - первых история паровоза как транспортной машины насчитывает почти 150 лет. И за это время механизмы и агрегаты паровоза заметно изменялись и совершенствовались. Первые паровозы начала 19го века, работавшие на предельно малых температурах и давлениях имели КПД менее 1 %. А вот последние модификации паровозов 40-х годов 20-го века, подбирались по КПД к значениям в 7,5-8%. Лучший советский паровоз ЛВ имел КПД в 9%. Но даже 7 или 8 % тепловой эффективности – это крайне мало. Вспомним, что тепловой КПД двухтактного поршневого бензинового двигателя составляет 20-25% (в зависимости от того, карбюраторный он или инжекторный), четырехтактный бензиновый поршневой двигатель имеет КПД 32-35 %, КПД дизелей переваливает за 40%. А чемпионами по КПД среди тепловых двигателей оказываются огромные судовые тихоходные дизеля с котлами утилизаторами тепла выхлопных газов. Их КПД приближается к 55%. Но тут интересно то – что в котлах утилизаторах вырабатывается пар, который крутит ротор паровой турбины, и эта турбина вращает привод электрогенератора, которые и создает электроснабжение судна. Т.е. без паровой машины КПД судового дизеля был бы заметно меньше.
Так почему – же КПД бензиновых и дизельных двигателей составляет 25- 55 %, а паровозной паросиловой установки – всего 7-8 % (и это на вершине их развития). Виновата сама паровая машина? Никак нет. Современные паросиловые установки на мощных электростанциях достигают КПД по электричеству в 32-34%. И это совсем неплохо даже на фоне дизелей, с их значением в 40-45 %. Тем более, что дизель требует дорогого и высококачественного жидкого моторного топлива, а паровая машина в своей топке может сжигать практически любой бросовое топливо и даже мусор и всякие отходы.
Так почему же КПД в районе 30% для электростанций с паросиловыми установками был достижим уже в 40-х годах прошлого века, КПД паровозов так и замер на уровне в 7-8%...
Оказывается – конструкторы паровозов сознательно шли на заведомо низкий КПД ради простоты конструкции паровоза и малой сложности его обслуживания.
Для достижения КПД в 30-35% температура и давление водяного пара должны быть закритическими, т.е. давление несколько выше 220 атмосфер давления, а температура заметно выше 374 градусов. Ибо критическая точка (термодинамический параметр в физике) для воды как раз и обозначена 374 градусов по температуре, и 220 атмосфер по давлению. Как раз современные электростанции работают на давлениях пара в 250- 260 атм, а температура пара составляет 550-560 градусов. А в паровозах 40х годов давление не превышало 14 атмосфер, а перегрев – не более 310-330 градусов. . Тем более- что на электростанциях из пара старались получить всю мощность и тепловую энергию, пуская пар в многоцилиндровые турбины с тремя десятками ступеней расширения. А на паровозах даже двух кратное расширение пара (система компаунд) было признано неудачным и в 40-х годах паровозостроители вернулись к машинам однократного расширения. Так же на паровозах не было конденсаторов, поэтому отработавший (мятый) пар шел на выхлоп, что так же сильно снижало КПД…
И все это делалось для упрощения и удешевления конструкции и облегчения эксплуатации. Интересные данные приводятся в книге «Паровозы высокого давления» издания 30-х годов прошлого века. Там сообщается, что в начале 30-х годов в США Пенсильванская железная дорога, перейдя на новые паровозы с давлением пара в 18 атм, вместо прежних 12 атм, получила экономию угля почти в 10%. Но масса котлов новых паровозов возросла почти в 2 раза… Именно поэтому все технические узлы и агрегаты, которые позволяли поднимать КПД – экономайзеры, воздухоподогреватели, системы многократного расширения пара в силовой машине и промежуточного перегрева пара – оказались не целесообразны на паровозах. Лозунг паровозостроителей оказался предельно понятным- чем проще и дешевле, тем лучше. Даже не смотря на малый КПД. И это при том, что еще в 30-х годах в США и Германии, в Англии строились единичные экземпляры паровозов высокого давления с многократным расширением пара. Они имели давление пара до 100 атм, работали на конденсатор, и показывали КПД под 20%, но оказались очень дорогими в производстве и сложными в обслуживании.
Попытки поставить на паровоз паровую турбину и получить присущий турбине КПД так же не увенчались успехом. Ибо паровая турбина начинает показывать все свои преимущества в мощностном диапазоне от 10 000 л.с. и выше. А самые мощные паровозы требовали мощность от силы 3 000 - 4 000 л.с. Поэтому турбина тоже не подошла паровозу.
Итак, вывод из нашей статьи состоит в том, что не врожденная порочность паросиловой установки послужила причиной заката эры паровозов. На это сыграл уровень технического развития массовой промышленности и технологий начала - середины 20-го века. Когда эффективную паросиловую установку сделать и эксплуатировать оказалось слишком дорого и хлопотно. Но сейчас ситуация уже серьезно изменилась.
Кстати- автор статей этого канала является единственным в России производителем малых паросиловых установок с роторными двигателями для автономной электрогенерации мощностью от 0,5 до 50 квт