Конденсатор оказывается важнейшим элементом эффективной паро-силовой установки. После самого парового двигателя и парового котла, конденсатор стоит на третьем месте среди важнейших агрегатов паровой машины. Конечно, паро-силовая установка может работать и без конденсатора. Но такой режим работы будет самым неэффективным из всех возможных случаев по вариантам работы паросиловой системы.
Действительно – подавляющее количество паровозов работало без конденсатора, и так продолжалось почти 100 лет. Но именно из-за отсутствия конденсатора КПД паровозов не превышал 7 – 8 % даже в самых продвинутых конструкциях 50-х годов 20 века. И вот на этой фразе мы подходим к очень интересной мысли- а почему же паровозы не имели конденсатора? Ведь простое действие- поставь на паровозную паровую машину конденсатор и КПД этой машины сразу поднимется примерно на треть… Но такое действие оказывалось не совсем простым, и даже – наоборот, очень сложным.
Итак – 99% паровозов за более чем 100 летнюю историю их существования работали на выхлоп мятого пара в атмосферу, т.е. без конденсатора. Эта схема работы имела как неоспоримые преимущества, так и явные минусы. Давайте разберем их:
НЕОСПОРИМЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
- эта схема делала паровую машину весьма простой;
- мятый пар выпускался в конус перед дымовой трубой и создавал сильную тягу, которая и засасывала воздух под колосники паровозной топки;
- эксплуатация и обслуживание паровоза с машиной, работающей на выхлоп, оказывалась значительно проще и дешевле, чем паровоза с конденсатором;
ЯВНЫЕ МИНУСЫ
- паровая машина без конденсатора имела весьма низкий КПД:
- работая на выхлоп, паровоз требовал каждые 4-6 часов заправляться на станциях водой;
- потребляя воду из обычных источников воды с заметным уровнем жесткости – котел быстро покрывался по теплообменным поверхностям слоем жесткой корки накипи. Паровозный котел требовал промывки и очистки от накипи примерно каждые 100 часов пробега;
В итоге сравнения всех «плюсов и минусов» конструкторы и заказчики паровозов (железнодорожники) отдавали предпочтение простоте и надежности конструкции взамен, как простоте - дешевизне эксплуатации и ремонта. Именно поэтому 99% паровозного пара составляли локомотивы, работавшие на выхлоп.
Но давайте рассмотрим весьма редкие конструкции конденсаторных паровозов, которые использовали конденсацию пара, чтобы понять все плюсы и минусы таких паровозов, а главное- четко увидеть роль конденсатора в паросиловой установке.
Итак – конденсаторный паровоз. Еще в последней трети 19 века железные дороги начали добираться в самые отделенные уголки планеты, и подчас стальные дорогие проходили по весьма засушливым местам – по степям и пустыням. Тут было мало воды и заправлять паровозы десятками тонн воды было проблематично. Поэтому и появилась необходимость экономить воду и не отправлять мятый пар из машины на выхлоп, а пускать его в конденсатор. Там превращать обратно в воду и снова пускать в паровозный котел. Так по замкнутой, оборотной схеме вода будет многократно циркулировать и паровозу не потребуется заправки многими тоннами воды каждые 5-6 часов.
Схема вполне работоспособная и уже вовсю использовалась на больших паровых машинах на крупных морских пароходах. Но вот в паровозах такую схему применить было непросто. Причин было несколько.
Перечислим их по порядку.
- конденсатор требует очень много места. И если на большом пароходе места достаточно- то на паровозе с этим значительно хуже. Кроме того, на пароходе конденсатор можно охлаждать забортной водой, то на паровозе охлаждать можно только воздухом. А коэффициент теплопередачи от стальной трубки конденсатора в воздух в десятки раз хуже, чем в воду… Поэтому и площадь воздушного конденсатора в разы больше, чем конденсатора охлаждаемого водой. В итоге- при охлаждении конденсатора воздухом, его поверхность должна составлять 150% от поверхности котла. Теперь становится понятным, почему конденсаторные паровозы для засушливых областей таскали за собой огромный тендер, в котором был размещен конденсатор… И стоимость такого конденсатора было очень значительна. Тем более, что это было весьма сложное устройство. В жаркую погоду серия больших вентиляторов прогоняли потоки воздуха для обдувания теплообменных поверхностей конденсатора, а в холодную и морозную погоду особая система жалюзи закрывалась и изолировала трубки конденсатора от морозного воздуха. Если конденсатор замерзал- то трубки лопались, то он выходил из строя…
- в первой половине 20-го века (не говоря уже о второй половине 19-го века) единственной технологией сращивания в единые теплообменные поверхности пучков тонких трубок – была технология вальцовки. Технологичной и надежной электро-сварки тогда еще не было. Но вальцовка боялась вибрации - а на движущемся паровозе это было неизбежно. Поэтому тонкие стальные трубки конденсатора малого диаметра быстро разбалтывались от вибрации во время пути и начинали пропускать воду в местах стыка… Победить это на уровне технологий того времени было почти невозможно…
- в конденсаторном паровозе отсутствовал выпуск мятого пара в конус дымовой коробки. Именно такой механизм в простом паровозе создавал тягу в топке. Поэтому в конденсаторном паровозе приходилось ставить дымосос – вентилятор, который приводился в действие специальной турбиной. Это была сложная, громоздкая и дорогая система.
- в конденсаторном паровозе возникала серьезная и трудноразрешимая проблема очистки конденсата от цилиндрового масла. Этим маслом смазывались поверхности трения «цилиндр – поршневые кольца». В обычном паровозе это масло выбрасывалось наружу вместе с мятым паром. А вот к конденсаторном паровозе – это масло вместе с паром попадало в конденсатор и создавало немало проблем. Первое- она тонким слоем оседало на поверхность трубок конденсатора и значительно ухудшало коэффициент теплопередачи. Ибо коэффициента теплопроводности и теплоемкости у цилиндрового масла в несколько раз хуже, чем у воды. Второе - капли масла с конденсатом попадали в котел, где при нагреве до 500 град С масло начинало обугливаться и оседать обгоревшим слоем на трубках испарения воды. Это резко ухудшало теплопередачу в котле и снижало эффективность всей паровой машины. Чтобы отделить конденсат от масла ставились специальные и довольно сложные системы маслоотделения. Но работали они все недостаточно эффективно. И можно сказать – что проблема эффективного отделения капель и заносов цилиндрового масла от конденсата так и не была решена нигде. Но окончательный переход в середине 20 века в паросиловой технике с паровых поршневых двигателей на паровые турбины снял актуальность этой темы. Ибо паровые турбины не требуют смазки рабочих органов, поэтому и уноса паром масла там нет как таковой.
Конечно- у конденсаторного паровоза были и значительные преимущества:
- он мог пройти без дозаправки водой около 1000 км. Из-за несовершенства изготовления все же оставались возможности для потери воды и пара, и небольшие утечки были. Но добрав несколько сот литров воды паровоз опять мог проходить до 1000 тыс км. Напомним- что работающий на выхлоп паровоз каждые 150-200 км должен был полностью пополнять свою цистерну воды на 6-15 тонн воды.
- при таких малых утечках воды, паровозный котел можно было пополнять хорошо подготовленной умягченной водой. А еще лучше- талой или дождевой водой. Такая практически дистилированная вода совершенно не дает накипи и поэтому отпадает громоздкая и продолжительная по времени процедура промывки и очистки котла. А по регламенту тех обслуживания котел надо было чистить через 100 часов пробега. Т.е. практически каждые 10-15 дней... И в паровозных депо были спец бригады, которые занимались только этим
- конденсатор заметно поднимает КПД паросилового цикла и этим достигалось заметное уменьшение количества потребного паровозу топлива.
В итоге можно сказать - что хорошо сделанный и правильно спроектированный конденсатор значительно повышает эффективность паровой машины и улучшает его эксплуатационные характеристики. Но при этом- конденсатор это очень сложный, весьма габаритный и дорогостоящий агрегат.