Передовая паровая технология - Advanced steam technology

Паровоз Sentinel-Cammell

Передовая паровая технология (иногда известный как современный пар) отражает подход к техническому развитию паровой двигатель предназначены для более широкого круга приложений, чем это было в последнее время. Особое внимание было уделено эндемическим проблемам, которые привели к прекращению использования энергии пара 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 в настоящее время заменена двигатель внутреннего сгорания или с помощью электроэнергии, потребляемой от электрическая сеть. Единственные широко используемые паровые установки - это высокоэффективные тепловые электростанции используется для производства электроэнергии в больших масштабах. Напротив, предлагаемые паровые двигатели могут быть стационарными, автомобильными, железнодорожными или морскими.

Улучшение паровой тяги

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

Эбнер Добл

Основная статья: Паровая машина Doble

В 1922 г. Эбнер Добл разработала электромеханическую систему, которая одновременно реагирует на температуру и давление пара, запускает и останавливает подающие насосы при зажигании и отключении горелки в соответствии с давлением в котле.[1] Противоток однотрубный котел имело рабочее давление 750psi (5.17 МПа ) до 1200psi (8.27 МПа ), но в нем было так мало циркулирующей воды, что не было опасности взрыва. Этот тип котлов непрерывно разрабатывался в США, Великобритании и Германии на протяжении 1930-х и в 1950-е годы для использования в легковые автомобили, автобусов, грузовики, вагоны, маневровые тепловозы (США; переключатели ), а быстроходный катер а в 1933 году переоборудованный Биплан Travel Air 2000.[2][3]

Часовой

В Соединенном Королевстве, Сторожевой вагоностроительный завод разработала вертикаль водотрубный котел работает на 275psi (1.90 МПа ), который использовался в автотранспортных средствах, маневровых локомотивах и железнодорожных вагонах. Пар можно было поднимать намного быстрее, чем с помощью обычного паровозный котел.

Холкрофт и Андерсон

Испытания конденсаторной системы Андерсона на Южная железная дорога (Великобритания) проходил между 1930 и 1935 годами. Конденсаторный аппарат не получил широкого распространения на паровозах из-за дополнительной сложности и веса, но дает четыре потенциальных преимущества:

  • Повышенная тепловая эффективность
  • Сниженное потребление воды
  • Сниженное обслуживание котла для известковый налет удаление
  • Пониженный шум

В конденсационной системе Андерсона используется процесс, известный как механическая рекомпрессия пара. Он был разработан Глазго морской инженер, Гарри Персиваль Харви Андерсон.[4] Теория заключалась в том, что, удалив около 600 из 970 Британские тепловые единицы присутствует в каждом фунт пара (1400 из 2260 килоджоули в каждом килограмм ), можно было бы вернуть отработанный пар в котел с помощью насоса, который потреблял бы лишь 1-2% выходной мощности двигателя. Между 1925 и 1927 годами Андерсон и еще один 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 электростанции Сурбитон была организована демонстрация системы Андерсона.

Компания SHC была заинтересована в применении системы на железнодорожном локомотиве и связалась с Ричард Маунселл Южной железной дороги. Маунселл попросил провести контролируемый тест в Сурбитон и это было сделано около 1929 года. Технический помощник Маунселла, Гарольд Холкрофт, присутствовала и была зафиксирована экономия топлива на 29% по сравнению с обычной атмосферной работой. Южная железная дорога преобразована SECR N класс локомотив номер A816 (позже 1816 и 31816) системы Андерсона в 1930 году. Локомотив прошел испытания, и первые результаты были обнадеживающими. После тяжелого испытания от Истли Сообщается, что на саммите в Личфилде 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 таял бы в печи! Двигатель был бесшумным, как электровоз, и только слабые шумы были из-за легкого стука штоков 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 полностью опущен, можно было бы предположить, что второй двигатель (ан LSWR T14 класс который был предоставлен как резерв) был первым ".[5]

Испытания продолжались до 1934 года, но возникли различные проблемы, и дальше проект не пошел. В 1935 году локомотив вернули в стандартную форму.[6]

Андре Шапелон

Работа французского инженера-механика Андре Шапелон Применение научного анализа и стремление к тепловому КПД были одним из первых примеров передовых паровых технологий.[7][8] Протеже Чапелона Ливио Данте Порта продолжил работу Чапелона.[7]

Ливио Данте Порта

В послевоенные годы в конце 1940-х и 1950-х годах некоторые конструкторы работали над модернизацией паровозов. В аргентинец инженер Ливио Данте Порта в развитии Стефенсониан железнодорожные локомотивы с передовой паровой технологией были предшественниками движения «Современный пар» 1948 года.[9]:3–6 Там, где это было возможно, Порта предпочитал проектировать новые локомотивы, но чаще на практике ему приходилось радикально обновлять старые, чтобы включить новые технологии.

Буллейд и загадки

В Великобритании SR Лидер класс г. 1949 г. Оливер Буллейд и паровозы класса «Стандарт» компании British Rail 1950-х гг. Роберт Риддлс, особенно BR Стандартный класс 9F, использовались для отработки новых конструктивных особенностей паровоза, в том числе Котел Франко-Крости. При переезде в Ирландия, Bulleid также разработал CIÉ No. CC1 в котором было много новых черт.

Достижение цели

Лекция сэра Бискоу Триттона, прочитанная Роджером Уоллером из компании DLM [10] к Институт инженеров-механиков в 2003 году[11] дает представление о том, как решаются проблемы с паропроизводительностью. Уоллер в основном ссылается на некоторые рейка и шестерня 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.. 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 паровой силе старого Женевское озеро пароход Монтрё который был переоборудован дизель-электрическим двигателем в 1960-х годах.[12] Экономические цели, аналогичные тем, которые были достигнуты с реечными локомотивами, преследовались за счет автоматического управления дизельным котлом и дистанционного управления двигателем с мостика, что позволяло управлять пароходом такой же командой, как теплоход. .

Углеродная нейтральность

Энергоблок на основе передовой паровой технологии сжигания ископаемое топливо неизбежно будет выделять углекислый газ, длительный парниковый газ. Однако значительное сокращение по сравнению с другими технологиями сжигания других загрязняющих веществ, таких как CO и НЕТИкс достижимы с помощью паровой технологии, не предполагающей взрывного горения,[13] без необходимости установки дополнительных компонентов, таких как фильтры и т. д., или специальной подготовки топлива.

Если возобновляемое топливо, такое как дерево или другой биотопливо используется, тогда система может быть углеродно-нейтральный. 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

В принципе, сжигание и выдача мощности паровой установки можно рассматривать как отдельные стадии. Хотя может быть трудно достичь высокого общего теплового КПД, в основном из-за дополнительной стадии выработки рабочего тела между сгоранием и подачей мощности, что связано в основном с утечками и тепловыми потерями,[9]:54–61 Разделение процессов позволяет решать конкретные проблемы 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

Малый стационарный завод

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 2-тактного двигателя. осел двигатель и малые дизельные электростанции. Резкое снижение уровня шума - одно из непосредственных преимуществ небольшой паровой электростанции. Тед Причард из Мельбурна, Австралия, интенсивно разрабатывала этот тип установки с 2002 года до его смерти в 2007 году. Компания Pritchard Power (сейчас Uniflow Power) [14] заявили в 2010 году, что они продолжают разрабатывать стационарный S5000, и что прототип был построен и проходит испытания, а конструкции дорабатываются для готовой продукции на рынке.[15]

До 2006 года немецкая компания называла Enginion активно развивал Steamcell, а микро ТЭЦ единица размером с Башня ПК для бытового использования. Похоже, что к 2008 году она объединилась с берлинской компанией AMOVIS.[16][17]

С 2012 года французская компания EXOES продает промышленным компаниям Цикл Ренкина запатентованный двигатель, предназначенный 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 Концентрированная солнечная энергия система. Компания планирует работать с производителями автомобилей, магистральных грузовиков и железнодорожными корпорациями.[18]

Аналогичный блок продается Powertherm,[19] дочерняя компания Spilling (см. ниже).

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

Что касается технологий, обратите внимание, что Квазитурбина представляет собой однопоточный роторный паровой двигатель, в котором пар поступает в горячие зоны, а выпускается в холодных.

Малая стационарная стационарная установка

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, паровоз назван 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 достигается за счет запатентованного кривошипно-шатунного механизма, который обеспечивает плавный безимпульсный крутящий момент. Компания считает, что при дальнейшем развитии строительства есть потенциал достичь КПД 30–35%.[23]

Автомобильное использование

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

Австралийский инженер Тед Причард с[24] Основная область исследований с конца 1950-х до 1970-х годов заключалась в создании нескольких эффективных паровых силовых установок, работающих на однопоточной системе, адаптированных для небольшого грузовика и двух автомобилей. Один из автомобилей имел самые низкие показатели выбросов на тот момент.

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

Железнодорожное использование

  • Нет. 52 8055,[26] реконструкция существующего локомотива (Восточная Германия, 1960).
  • В 5АТ проект,[27] предложение по совершенно новому локомотиву (Великобритания, 2000-е гг.).
  • Проект ACE 3000,[28] предложено энтузиастом локомотивов Росс Роуленд во время нефтяного кризиса 1970-х. Локомотив выглядел бы как дизель и был разработан, чтобы конкурировать с нынешними тепловозами за счет использования угля, который в то время был намного дешевле нефти. В ACE 3000 будет много новых технологий, таких как автоматический поджиг 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 современной Steam, но проект в конечном итоге провалился из-за нехватки средств.
  • Проект КСО 130,[29] намеревается разработать современный паровоз (на базе существующего Класс ATSF 3460 локомотив), способный перевозить пассажиров на более высокой скорости со скоростью более 100 миль в час, и испытан до 130 миль в час (отсюда и название Project 130). Предлагается, чтобы он был нейтральным по выбросам углерода, так как он будет работать на торрефицированная биомасса как твердое топливо (в отличие от всех других современных конструкций, требующих жидкого топлива). Разработка является совместным усилием Университет Миннесоты с Институт окружающей среды (IonE) и Sustainable Rail International, созданная с этой целью некоммерческая организация, в которой работают специалисты по железной дороге и инженеры-паровозы.

Роман по сравнению с традиционным макетом

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

  • Кабина вперед тип. Это хорошо зарекомендовавшая себя конструкция с потенциалом большой выходной мощности, которая обеспечит водителю хороший обзор. Будучи несимметричным, его нужно было включить Проигрыватель, или треугольный переход. Пример: Южный Тихий океан 4294.
  • Гарратт тип. Еще одна испытанная конструкция с большим потенциалом мощности. Пример: Южно-Австралийские железные дороги класса 400. Будущий дизайн мог бы включать более короткие резервуары для воды и кабину на каждом конце, чтобы водитель мог хорошо видеть в любом направлении.
Локомотив Сентинел-Каммелл
  • Конструкция на силовых тележках с компактным водотрубным котлом аналогична Часовой конструкции 1930-х гг. Пример: локомотив Sentinel-Cammell (справа).

Беспожарные локомотивы

Еще одно предложение передовой паровой технологии - возродить безпожарный локомотив, который работает на аккумулированном паре, самостоятельно генерируемом заранее. Примером может служить проект Solar Steam Train.[30] в Сакраменто, Калифорния.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уолтон, Дж. (1965–74). Doble Steam Cars, автобусы, грузовики и железнодорожные вагоны. Остров Мэн, Великобритания: Легкая мощность пара. С. 27, 79, 62, 181, 184, 187, 120, 149.
  2. ^ "Первый в мире паровой самолет". Популярная наука. Июль 1933 г. - через Google Книги. подробная статья с рисунками
  3. ^ Джордж и Уильям Беслер (29 апреля 2011 г.). Паровой самолет Беслера. YouTube. Бомберга.
  4. ^ «Краткие биографии инженеров-механиков». Steamindex.com. Получено 13 февраля 2012.
  5. ^ Робертсон, Кевин (1990). Лидер и Южный экспериментальный пар. Издательство Алан Саттон. С. 22–33. ISBN  0-86299-743-7.
  6. ^ Я, Дуглас (1 апреля 2008 г.). "Компрессионный локомотив Холкрофта-Андерсона". Получено 12 февраля 2012.
  7. ^ а б "Андре Чапелон 1892 - 1978 | Проект усовершенствованного паровоза 5AT". Архивировано из оригинал 25 декабря 2012 г.. Получено 7 марта 2012.
  8. ^ "Лучшая страница Steam".
  9. ^ а б Porta, L.D. (2006). Перспективная разработка паровоза, три технических документа. Сомерсет, Великобритания: Camden Miniature Steam Services. ISBN  978-0-9547131-5-7.
  10. ^ "Willkommen bei DLM". Dlm-ag.ch. Получено 12 февраля 2012.
  11. ^ Уоллер, Роджер (22 октября 2007 г.). «Современный пар - экономическая и экологическая альтернатива дизельной тяге» (PDF). Институт инженеров-механиков; Железнодорожный дивизион. Архивировано из оригинал (PDF) 22 октября 2007 г.. Получено 12 февраля 2012.
  12. ^ «Современные судовые паровые машины с дистанционным управлением; столько же персонала на пароходах и теплоходах!» (PDF). DLM. 15 октября 2007 г. Архивировано с оригинал (PDF) 15 октября 2007 г.. Получено 12 февраля 2012.
  13. ^ «Почему паровой двигатель». Pritchardpower.com. В архиве из оригинала 28 июля 2010 г.. Получено 18 августа 2010.
  14. ^ "Uniflow Power Ltd - возобновляемые источники энергии и ресурсоэффективность". Pritchardpower.com. Архивировано из оригинал 7 февраля 2012 г.. Получено 12 февраля 2012.
  15. ^ "Uniflow Technology: страница технологий". Pritchardpower.com. Архивировано из оригинал 28 июля 2010 г.. Получено 12 февраля 2012.
  16. ^ «Системы рекуперации тепла / SteamCell». Амовис.
  17. ^ «Амовис ГмбХ - Автомобильное видение». Amovis.de. Архивировано из оригинал 18 июля 2011 г.. Получено 30 апреля 2012.
  18. ^ "Экзо". kent695. Архивировано из оригинал 19 декабря 2013 г.. Получено 18 мая 2012.
  19. ^ "PowerTherm". Powertherm.de. Архивировано из оригинал 19 июля 2011 г.. Получено 18 августа 2009.
  20. ^ «ТайниТек». Архивировано из оригинал 25 мая 2016 г.. Получено 10 июн 2016.
  21. ^ «Разлив - Компания». Spilling.de. Архивировано из оригинал 30 августа 2009 г.. Получено 18 августа 2009.
  22. ^ "Разливание безмасляного парового двигателя". Steamautomobile.com. 25 марта 2006 г.. Получено 18 августа 2009.[ненадежный источник? ]
  23. ^ Тервола, Янне (6 февраля 2015 г.). «Savolaiskeksintö tehostaa höyrymoottoria» [изобретение Савона делает паровой двигатель более эффективным]. Текникка и Талус. Хельсинки, Финляндия: Talentum Media Oy. 4: 10. ISSN  0785-997X.
  24. ^ "Наша история". Pritchardpower.com. Архивировано из оригинал 9 марта 2009 г.. Получено 18 августа 2009.
  25. ^ Бушманн, Герхард; Клеменс, Герберт; Хётгер, Майкл; Майр, Бертольд. «Паровозик - состояние развития и рыночный потенциал» (PDF). IAV Inc. Архивировано из оригинал (PDF) 11 октября 2010 г.
  26. ^ «ДЛМ 52-8055». 5at.co.uk. Архивировано из оригинал 6 июня 2009 г.. Получено 18 августа 2009.
  27. ^ «Проект перспективного паровоза 5АТ». 5at.co.uk. Архивировано из оригинал 15 августа 2012 г.. Получено 18 августа 2009.
  28. ^ "Лучшая страница Steam". Trainweb.org. Получено 18 августа 2009.
  29. ^ «Коалиция за устойчивое развитие железных дорог».
  30. ^ «Объявление о проекте солнечного паровоза». Thegenerator.com.au. 9 июля 2009 г. Архивировано с оригинал 7 марта 2011 г.. Получено 12 февраля 2012.