Содержание
- Коэффициент полезного действия паровоза
- КПД паровоза, или Как не впасть в отчаяние от “напрасных” усилий и несделанных дел
- Сообщества › Это интересно знать… › Блог › Паровоз. Как он устроен и работает.
- ПАРОВОЗ XXI ВЕКА?
- КАКИМ ОН МОЖЕТ БЫТЬ?
- ЧТО ДЕЛАЕТСЯ ЗА РУБЕЖОМ?
- КПД и мощность локомотива
- Значение КПД
- Урок физики по теме «Роль железной дороги в жизни города Белово. КПД теплового двигателя паровоза». 8-й класс
Коэффициент полезного действия паровоза
Коэффициент полезного действия (КПД) паровоза — величина, с помощью которой можно оценить эффективность использования в паровозе тепла, полученного в результате сжигания топлива. КПД паровоза — это отношение тепла, затраченного на работу по перемещению паровоза к максимальному количеству тепла, которое это топливо может выработать.
Первые паровозы появились в Великобритании в начале XIX столетия. Их коэффициент полезного действия был очень низок. С течением времени паровозы совершенствовались, но на коэффициент это практически не влияло. Максимальный КПД самых совершенных паровозов, выпускавшихся в начале XX века, не превышал 6-8%, средний — 4%. Модернизация паровозов этот вопрос практически не решала — их КПД почти не превышал 7%.
Настоящим прорывом в решении данного вопроса стало применение перегретого пара. Это позволило увеличить мощность и скорость. Произошло это в начале XX века. Однако, использование перегретого пара позволило увеличить мощность более, чем в 100 раз, скорость — в 15 раз, а КПД — только в 2 раза.
Так почему же так сложно повысить коэффициент полезного действия паровоза? Много своих работ изучению этого вопроса посвятил академик С. П. Сыромятников. Он связывал увеличение коэффициента с уменьшением массы парового котла и установкой различных устройств для повышения мощности и экономичности. Сыромятников считал, что передняя часть труб внутри парового котла вырабатывает не более 15% от общего количества пара. По проекту академика был создан паровоз с изменениями в паровом котле: укороченной передней трубной частью и установленным в специальной камере выносным перекрестночным пароперегревателем. Кроме того, по мнению Сыромятникова, увеличению КПД должно было способствовать сжигание угля в измельченном виде. Однако, в связи с этим появлялась проблема — загрязнение задней трубной решетки шлаком и золой. Для решения этой проблемы было предложено увеличить объем топки за счет отказа от зольника. Угольная пыль должна была сгорать в месте нахождения зольника, а не перед трубной решеткой.
Проблема низкого коэффициента полезного действия паровоза связана с тем, что пар, покидая машину, уносит с собой значительную часть полученной тепловой энергии. Температура уходящего пара составляет 120-180 градусов, давление — около 1,5 атмосфер. Теплосодержание этого пара равно примерно 650 килокалорий. Это довольно значительная потеря, которая составляет около 40%. Кроме этой, существуют еще другие потери: от неполного расширения пара, утечка его через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня. Все эти потери значительно снижают КПД паровоза. К ним еще добавляется потери на преодоление сил трения при движении. Поэтому КПД паровоза в процентах не превышает 12-14.
Подводя итог, можно сказать, что низкий КПД паровоза связан со значительной потерей энергии из-за выброса пара и невозможностью использовать эту энергию из-за движения. В стационарных же установках такая энергия используется, например, на отопление или горячее водоснабжение.
- КПД
КПД паровоза, или Как не впасть в отчаяние от “напрасных” усилий и несделанных дел
Недавно прочел в дневнике у Юлии Даниловой, главного редактора сайта Милосердие.ру и волонтера, благодаря которому множество страдающих людей получили помощь, такую мысль:
«Последнее время все чаще сталкиваюсь с тем, что уничижение, отрицание чужих усилий, чужой работы — убивает. Это у нас в благотворительности особенно видно. (…) “Ваши усилия ничтожны” — так мне недавно один из коллег написал в личку по следам публичной дискуссии. Ревела, да. Не от осознания ничтожности усилий — сколько сил ни есть, делаем что можем и принимаем свое не-всемогущество. От самого этого выпада, аннигилирующего нас…»
Мне до боли знакомо то, о чем пишет Юлия, и, когда посещает эта мысль о тщетности моих усилий, я вспоминаю 1980-е годы. Это было ещё задолго до «Фомы», и речь шла совсем о другом — о сохранении очень красивого, уникального местечка старой Москвы, которое шло под снос. А мы пытались предотвратить это разрушение, и не только его. Нас буквально переполняло чувство возможной победы и воплощения массы вдохновенных планов. И вот тогда пожилая женщина (кажется, из комиссии при Министерстве культуры), которая всеми силами, искренне старалась нам помочь, обратила внимание на этот наш запал. Она имела поистине огромный опыт, видела, насколько мы «горим» и переживаем за успех дела. И поскольку ей было ясно, что большая часть задуманного нами может не сбыться, она дала нам такую заповедь — предупреждение от уныния. Она сказала: «Дорогие! Я буду стараться помочь вам всем, чем могу. Но вам важно быть внутренне готовыми не только к успехам, но и к большим неудачам. Может, сбудется одна десятая или даже одна сотая часть того, о чем вы мечтаете. При том, что правда полностью на вашей стороне. И тем не менее. Если так выйдет, не спешите отчаиваться. Знаете, каков коэффициент полезного действия у паровоза? Не более 10 процентов. Разве это много? Нет вроде бы. Но хватает, чтобы двигать железнодорожный состав. При том, что 90 процентов уходит в “бесполезное” тепло, в пар. Вот и вы будьте готовы к тому, что если из ваших планов хотя бы десять процентов будет осуществлено, то это уже очень и очень хорошо».
У нас тогда, пожалуй, получилось, увы, намного меньше, чем у паровоза. И уныние, даже, пожалуй, и отчаяние, тогда все же посетило меня. Но среди прочих ободрений, которые дал мне Бог тогда, слова эти всплыли в памяти и помогли успокоиться, укрепили волю. И дальше я уже не забывал о них, поскольку они воспитывали умение трудиться в условиях, когда есть искушение впасть в истерику и начать «бить посуду».
Да, каждый из нас убеждается, что сделал в десять (а про себя считаю — в сто или больше!) раз меньше, чем должен был. Но очень важно посмотреть на это по-христиански, иначе всякая неудача станет надламывать нас.
Прежде всего, мы в принципе доброго ничего не можем без Бога. Мы, как говорится, «сами с усами», чаще делаем, чего не следует и редко способны на по-настоящему доброе. Если что-то получилось, то это же чудо. Это значит, благодать Божия нам помогла реализовать нечто, заложенное в нас, — неважно, верующий ты или нет. Но в мире очень много препятствий к тому, чтобы стать лучше самому и чем-то помочь другим. И когда нечто получается — это чудо, это вне теории вероятности.
И кроме того (тут я говорю уже в большей степени о православных христианах), пытаясь думать об изменении мира, необходимо не впасть в ересь хилиазма. Понять, что вера в рай на земле и попытка его строить с фанатическим упорством — опасна. Она чревата и страданиями ближних, и собственным отчаянием. Нам неслучайно дана книга Экклезиаста, в которой вовсе не то главное, что все усилия тщетны. Нет, главное там, что смысл всего — в Боге, даже если все земные планы рухнули, и тем более, если впереди смерть.
Как Христос сказал: зерну надо умереть, чтобы дать плод. Мотивом нашего желания изменить мир должны стать вещи, которые как раз не от мира сего: это любовь и дела, ведущие в Царство Небесное, как они выражены Христом и апостолами — и никак не иначе.
Нам все равно придется покинуть этот мир — стал ли он хуже или лучше, но придется. Да, необходимо сделать все, чтобы (насколько это зависит от нас) в этом мире не воцарился ад. И если все в порядке со зрением, то можно увидеть и почувствовать приметы райской жизни прямо тут, в этот самый момент. Испытать ту самую любовь; ощутить радость сделанного дела. Но главные плоды наших усилий, стараний, плоды слез, пролитых из-за неудач, — они получат иное значение все же не здесь и не сейчас, а за порогом земной жизни.
Там все иначе настолько, что апостол Павел прямо написал — это невыразимо человеческими словами. Но тем не менее наши попытки творить в этой жизни добро имеют свою «цену» и значение. Даже в том самом, не поддающемся описанию, новом месте.
Хотя мера веса может, конечно, оказаться иной. Поступок того волонтера, который (вместо изменения мира или хотя бы продолжения социальной работы) «просто» погиб под поездом, спасая бездомного пьяного человека… Этот поступок может (да и точно будет!) намного весомее всего, что я наредактировал, делая «Фому», или кому-то пожертвовал из своего кармана, — насколько бы ни казалась странной такая жертва в логике этого мира.
Скажу даже больше: уверен, наши попытки трудиться ничем не выше в том Царстве, чем полное неделание инвалида, парализованного, за которым ухаживает сестра милосердия.
Как может такой человек повлиять на состояние мира? Никак, наверное. Но и он может оказаться выше нас в том Царстве, о котором говорил Христос.
И это должно радовать и вдохновлять нас, а не быть предметом зависти. Потому что Бог — в каждом и для каждого. Надеюсь, он не отвергнет и наши усилия, «поцелует» и наши намерения, если они добры. Мы можем Ему послужить делом. И это замечательный дар, который дан нам на время. И при всей ничтожности наших усилий, давайте не забывать про паровоз, который тянет огромный состав. Главное, чтобы станцией назначения было Небесное Царство, где нас встретит и примет — Отец.
Сообщества ›
Это интересно знать… ›
Блог ›
Паровоз. Как он устроен и работает.
В соседнем сообществе и в своём блоге опубликовал статью о последнем Советском паровозе, здесь же хочу продолжить тему паровозов и рассказать о том как устроена и работает уникальная паровая машина, изобретённая ещё в 18 веке! Конструкция паровоза, это масса технических изобретений и идей, ибо заставить работать бесперебойно и безопасно паровую машину, в топке которой температура порой достигает 1800℃, а нагрузка в котлах паровозов повышенного давления доходит до 60 атм, при мощностях некоторых моделей до 8000 л.с., очень не просто! Паровозы, на протяжении всей своей истории, совершенствовались и модернизировались, для повышения надёжности конструкции и улучшения КПД, который так и не удалось поднять выше 9,22%, на сегодня, это лучший показатель, который был у советского паровоза ЛВ. Паровоз обслуживался бригадой из 3х человек — машинист, помощник и кочегар. В качестве топлива, в зависимости от модели, использовались, как твёрдое топливо — уголь, торф, древесина, так и нефтепродукты или газ.
Так как же устроен паровоз?
К 175и летию железных дорог в Щербинке в 2012 году был показан макет паровоза в рарезе.
Обратимся к Википедии, там есть удачная картинка с описанием:
Элементы конструкции паровоза типа 1-3-1: 1 — Тендер 2 — Будка машиниста 3 — Свисток 4 — Тяга от реверса к парораспределительному механизму 5 — Предохранительный клапан 6 — Турбогенератор 7 — Песочница 8 — Тяга регулятора 9 — Сухопарник 10 — Паровоздушный насос 11 — Дымовая коробка 12 — Паровпускные трубы 13 — Дверца дымовой коробки 14 — Поручень 15 — Поддерживающая тележка 16 — Площадка вокруг котла 17 — Рама экипажа 18 — Тормозная колодка 19 — Пескоподающая труба 20 — Сцепное дышло 21 — Парораспределительный механизм 22 — Тяговое дышло 23 — Шток 24 — Поршень 25 — Золотник 26 — Золотниковая коробка 27 — Топка 28 — Дымогарные трубы 29 — Цилиндрическая часть котла 30 — Жаровые трубы 31 — Регулятор/Дроссельная заслонка 32 — Коллектор пароперегревателя 33 — Дымовая труба 34 — Прожектор 35 — Рукав тормозной магистрали 36 — Ёмкость для воды 37 — Угольный ящик 38 — Колосниковая решётка 39 — Зольник 40 — Букса 41 — Рессорный балансир 42 — Рессора 43 — Движущие (сцепные) колеса 44 — Стойка рессоры/Шпинтон (?) 45 — Конус 46 — Бегунковая тележка 47 — Сцепное устройство
Описание работы паровоза в этом видео:
.
Интересный фильм о паровозах:
Ну и фрагмент статьи из журнала Популярная механика:
Вприхлопку: Как устроен паровоз
Машинисты паровозов всегда отличались богатырским здоровьем и хорошей зарплатой
Буквально какие-то 20 лет назад увидеть паровоз можно было запросто. Они стояли, заколоченные, на станциях. И вся инфраструктура тоже сохранялась на случай войны. Теперь все не так: нет ни паровозов (осталось, дай бог, штук триста на всю страну), ни машинистов — навыки уходят вместе с ветеранами. Как же функционирует стальная машина?
Растопка
Холодный паровоз доставляют в депо и ставят в стойло (термин, доставшейся чугунке в наследство от времен почтовых лошадей). Из котла вынимают мешочки с силикагелем — веществом, впитывающим влагу (его кладут в котел на время консервации паровоза). Отмывают соляркой детали от консервационной смазки. Доверху наполняют водой котел и тендер. Развешивают на колесах ведущие дышла и кулисные тяги. В топку сначала забрасывают негодные шпалы, дрова и доски, которые поджигают. Когда растопка запылает, осторожно бросают первые лопаты угля и ждут, когда он займется. Постепенно добрасывают еще и еще, пока вся колосниковая решетка не окажется охваченной ровным горящим слоем. Вода в котле закипит часа через три-четыре. Как только в котле создастся давление 34 атмосферы, паровоз делается вполне автономным: оживает сифон — устройство, создающее искусственную тягу в топке.
Начинается подготовка к рейсу. В тендер паровоза выливают порцию антинакипина. Один миллиметр толщины слоя накипи на трубах — это 600 кг (!) лишнего веса в котле. Раньше пробу воды снимали после каждого рейса: набирали воду в особый чайник из краника на котле, который так и называется — «водопробный», и сдавали в лабораторию. В лаборатории устанавливали необходимую дозу антинакипина, которая зависела от жесткости грунтовых вод на участке работы паровоза. До сих пор на тендерах паровозов можно встретить надпись: «Вода отравлена. Для питья непригодна». Впрочем, старики утверждают: «Сколько раз пили — и ничего».
Из масленок с длинными носами заливают масло в смазочные пресс-аппараты, турбинку и воздушный насос. На паровозе масло применяется разных сортов, важно его не перепутать и не залить, скажем, в паровой цилиндр масло, предназначенное для смазки букс. Сегодня настоящие паровозные масла — «вапор», «цилиндровое», «вискозин» — также стали музейными экспонатами, и все заменяются обычным дизельным маслом. А на самых первых паровозах для смазки использовали говяжье сало, олеонафт и растительное масло.
Помощник машиниста ручным винтовым прессом вгоняет смазку в подшипники машины. Машинист тем временем обстукивает молоточком гайки на дышлах, тягах и крейцкопфах. Проверяет, надежно ли они затянуты, готов ли к пути механизм. На паровозе, как в оркестре, все на слух.
Стрелка парового манометра приближается к красной черте предельного давления. Можно ехать. Машинист спускает реверс на передний ход на полную отсечку, дает полнозвучный свисток и плавно открывает регулятор, вслушиваясь в дыхание машины. Плавно, потому что при резком открытии регулятора воду может подхватить и бросить из котла в цилиндры. Последствия бросания бывали таковы, что 300килограммовое дышло, вращающее ведущие колеса, сгибало в дугу, как пластилиновое, а с цилиндров сшибало чугунную крышку, привинченную 20 болтами.
Искусство кидания
Управляет паровозом машинист, а вот топит не кочегар, как думает большинство непосвященных, а помощник машиниста. Отопление требует большого опыта, сообразительности, и слова «Бери больше — кидай дальше!» тут совершенно неприменимы.
Уголь забрасывают в топку вручную особой лопатой, сугубо паровозной, с длинным ковшом и коротким черенком. Угли бывают самые разные и сильно различаются как по размерам кусков, так и по свойствам: например, бурый подмосковный уголь паровозники звали «землей» — он почти не горел, приходилось заваливать им топку чуть не до потолка. А вот, скажем, донецкие антрациты горели очень жарко, но, если помощник упускал момент, плавились и заливали колосники, из-за чего прекращался доступ в топку воздуха — после этого паровоз оставалось лишь тушить и образовавшийся монолит разбивать отбойным молотком. Самые лучшие — так называемые газовые, длиннопламенные и паровично-жирные угли, сами названия которых, кажется, горят.
От того, насколько искусен помощник, зависит жизненно важный вопрос — хватит ли в пути пару? А кочегар на паровозе обычно выполняет лишь вспомогательные работы — смазывает буксы тендера, подгребает уголь в лоток, набирает воду из колонки и т. п. В старину кочегарами обычно были практиканты или пенсионеры.
Когда паровоз движется с работающей машиной, а не по инерции, топят «вприхлопку» — то есть помощник бросает уголь, а кочегар открывает дверцы топки только в момент броска лопаты и сразу же их закрывает, чтобы в топку не шел холодный воздух. Очень важно не переохлаждать котел: паровоз простужается как человек, но, увы, с куда более серьезными последствиями, вплоть до взрыва котла (мощностью с приличную фугасную бомбу), а иногда и улетания оного в небо, как ракеты, что в свое время случалось не так уж редко.
Работа на паровозе — нелегкий физический труд. Однако он всегда был высокооплачиваемым и очень престижным, овеян огромным уважением и почетом. Кроме того, по статистике паровозники были физически здоровее, чем их коллеги, работающие на тепловозах и электровозах. Когда машинист шел по улице в фуражке с особым белым кантом и поездочным «сундучком-шарманкой», встречные приветствовали его, снимая шапку.
ЗЫ: И в заключении рекомендую почитать Будни паровозной бригады, очень интересно!
ПАРОВОЗ XXI ВЕКА?
Давно искал эту статью (в детстве, к сожалению, изничтожил небольшой архив «Техники молодежи»). Стиль написания, конечно, в лучших традициях советского технократического романтизма :-), да и автор ярый приверженец паровой тяги, но идея все же интересная.
«Ах, какая чудная картина, когда по рельсам мчится паровоз!» Сейчас и песню эту мало кто помнит, и саму «чудную картину». А ведь было! Окутываясь клубами дыма, солидно покрикивая на переездах, паровозы везли по магистралям тяжелые составы.
В эпоху своего расцвета паровозы не без оснований считались шедеврами передовой инженерной мысли. Однако, пройдя более чем вековой путь развития, они уступили дорогу локомотивам с электрической тягой и тепловозам. 30 лет назад производство паровиков было прекращено, и вскоре они исчезли так же, как динозавры или мамонты. О былом величии паровой тяги свидетельствуют только отдельные музейные экземпляры.
Чем же они оказались плохи?
Критикуя какую-либо машину, обычно подчеркивают, что у нее КПД, как у паровоза. А какой он был? В монографии «Паровозы» (1949 г.) под редакцией академика С. П. Сыромятникова приведено значение 8,2%, достигнутое в опытном локомотиве Коломенского паровозостроительного завода.
У серийных паровозов КПД не превышал 7,8%. Это значит, что меньше десятой части энергии сгоревшего угля шло на полезную работу, остальная, в прямом и переносном смысле, вылетает в трубу. Хватает у паровоза и недостатков, связанных с эксплуатацией. Вспомним хотя бы тяжелейшую процедуру удаления накипи из котла. Тот, кто мучился, очищая вручную свой чайник, поймет, чего это стоило. И все же интерес к этим динозаврам технической эволюции пробудился вновь.
Какие же, ранее неведомые достоинства обнаружили у них специалисты? Может быть, мы и вправду скоро увидим мчащиеся по рельсам паровозы? Попробуем разобраться.
Достоинством обернулось то, что раньше считалось недостатком, – топление углем. О паровозе в Харьковском политехническом вспомнили как раз потому, что он работает на угле. В уникальном Канско-Ачинском бассейне наиболее дешевым, открытым способом можно добывать очень много этого топлива, но оно обладает довольно низкой теплотворной способностью, и его дальнейшая транспортировка к месту потребления нерентабельна. Вот тут-то, возможно, и окажется целесообразным применение паровозов. Расходуя местный низкосортный уголь, они могут повысить Эффективность транссибирских перевозок. В топке паровоза прекрасно сгорают и такие угли. Более того, при сжигании угольной пыли полнота сгорания топлива увеличивается почти до 95%. Одно это позволяет значительно уменьшить тепловые потери котла. За прошедшие годы этот способ усовершенствовали для электростанций. Его применение вполне возможно и на паровозе.
Итак, в пылеугольной топке энергия топлива почти полностью перешла в тепловую. Теперь ее надо «перекачать» в пар. Как это сделать наиболее эффективно? И опять ничего изобретать не надо, поскольку на тех же электростанциях прекрасно работают водотрубные котлы. Их конструкция рассчитана на высокое давление – это тоже вклад в повышение общего КПД паровоза. Перегрев пара, водо- и воздухоподогрев увеличивают КПД примерно на треть. Есть резервы и у самой паровой машины. Увеличить срок между чистками котла от накипи можно магнитной обработкой воды.
Как видите, резервы у обновленного паровоза есть. Именно их использовали сотрудники и студенты Харьковского политехнического института, разрабатывая новые паровые локомотивы. Проекты убедительно доказали, что возможно создание паровозов с КПД вдвое, а то и в трое большим, чем в прошлом.
Не вызывает сомнений, что современное состояние промышленности позволяет создать практически любой локомотив, например по одному из проектов ХПИ. Но от опытной машины до ее серийного производства путь не скор и не близок. А главное – он должен быть оправдан.
Теперь слово за экономикой. Паровоз, конечно, не альтернатива другим типам локомотивов. Но, кто знает, может быть, и ему найдется работа на железных дорогах XXI века.
КАКИМ ОН МОЖЕТ БЫТЬ?
Спроектированный в ХПИ паровоз трехсекционный. В нем 4 четырехосных экипажа, а на крайних секциях еще по двухосной бегунковой тележке. Поэтому осевая формула выгладит довольно замысловато: 2–4–0+(0–4–0+0–4–0)+0–4–2 (в скобках часть формулы, относящаяся к средней секции). Ее симметрия иллюстрирует одинаковую приспособленность локомотива к движению передним и задним ходом.
В бункере тендера 60 т специально приготовленной угольной пыли. Через 12 створок, каждая из которых имеет индивидуальный привод, он попадает в шнековый транспортер. Чтобы уголь не смерзался и не примерзал к стенкам, по всей наружной поверхности бункера расположены радиаторы обогрева. В морозы вентилятор будет закачивать туда отработанный горячий газ. Управлять подачей топлива – выбором степени и продолжительности открытия створок бункера, подбором скорости вращения шнека – будет, естественно, автоматика. Через форсунки топливо распыляется в факельной камере. Воздух для этого нагнетает центробежный вентилятор. Он прогоняет поток по специальным коробам, огибающим паровой котел. Нагретый воздух под давлением 0,3 атм и вдувает уголь. Горящая с температурой около 1500оС смесь отдает тепло трубкам водотрубного котла, затем пароперегревателя, и наконец, водоподогревателя. Остывшие до 200оС газы, очистив предварительно от золы, выбрасывают через дымовую трубу в атмосферу. Для очистки в поток газа впрыскивают воду. Водой же смывают и задержанную золу, которая накапливается в шлакосборном бункере. По предварительным оценкам, можно уловить до 95% пылеобразных шлаков, как раз и образовывавших традиционный дым. Так называемое мокрое шлакоудаление обеспечивает долговечность топки. Но самое главное – делает паровоз экологически чище.
В котле вода, нагреваясь, поднимается по трубкам, превращается в пар. Под давлением 32 атм он через 16 комплектов электроуправляемых клапанов подается в паровые машины. Когда машинист открывает регулятор, он направляет пар либо в 1, либо в 2, 3,…и, наконец, во все 8 блоков цилиндров. Таим образом, у локомотива 8 ступеней регулирования тяги. Так называемый мятый пар из машины идет в верхнюю часть пароконденсатора, где его принудительно охлаждают атмосферным воздухом. Из водосборника регенерированную воду через подогреватель закачивают в нижнюю часть котла.
Электроэнергией локомотив снабжают 2 генератора постоянного тока, один работает от паровой турбины, другой – только во время движения от бегунковой тележки пароконденсаторной секции. По расчетам, мощность его машин 8000 л. с., а КПД можно довести до 20–21%. Кроме того, за счет большого сцепного веса локомотив развивает тягу 65 тыс. кг.
ЧТО ДЕЛАЕТСЯ ЗА РУБЕЖОМ?
ПАРАМЕТРЫ ЛОКОМОТИВОВ С УГОЛЬНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ
Наименование параметра |
ХПИ Проект |
ACE 3000 (США) |
Длина по сцепкам, м |
66 |
34 |
Мощность максимальная, л. с. |
8000 |
3000 |
Высота, м |
4,3 |
4,3 |
Вес снаряженный, т |
420 |
|
порожний, т |
360 |
|
Количество движущих колесных пар |
12 |
4 |
Нагрузка на движущую колесную пару, т |
23 |
27 |
Котел: тип |
водотрубный |
огнетрубный |
давление, атм |
32 |
17 |
температура перегретого пара, оС |
500 |
430 |
Машина: тип |
однотактная |
компаунд |
количество ступеней расширения пара |
1 |
2 |
Запас топлива, т |
60 |
33 |
Паровозы проектируют и американские специалисты. Их на это побудил топливный кризис 70-х годов. Сейчас проходит испытания локомотив ACE 3000. Он оснащен огнетрубным котлом, пароперегревателем, водо- и воздухоподогревателями. Давление котлового пара достигает 17 атм, а температура перегретого пара 430оС. По этим показателям паровик мало отличается от своих предшественников тридцатилетней давности. И все же на испытаниях его КПД был около 18%.
Наиболее интересная новинка локомотива – топка, созданная аргентинцем Д. Порта. Процесс горения в ней протекает в две стадии. Сначала идет неполное сжигание угля, при этом образуется горючий газ с достаточно высокой температурой. Эта часть топки по принципу действия напоминает газогенератор. Тепло, выделенное при неполном сгорании угля, обогревает котел. Затем горючий газ очищают, пропуская сквозь распыленную воду, и смешивают с воздухом. Рабочая смесь сгорает в газовых каналах огнетрубного котла. Небольшая паровая турбина отсасывает продукты сгорания, прогоняет их сквозь многозвенный сепаратор (циклон), очищая от остатков золы. Так что вместо черного облака над локомотивом вьется лишь легкая дымка.
Замкнутая система циркуляции воды и пара позволяет эксплуатировать локомотив без промывки котла целый год. Напомним, что старые паровозы требовали этой довольно сложной операции каждые 40–60 суток.
В ACE 3000 есть и новинка в духе времени – это бортовой компьютер. Паровозная ЭВМ по своим задачам сродни автопилоту на самолете. Она тоже может управлять локомотивом, правда только после разгона поезда. Компьютер контролирует процесс горения топлива, следит за сцеплением колес с рельсами, выполняет другие функции, причем не только на самом паровозе, но и, например, на тепловозах, работающих вместе с ACE 3000 двойной тягой. Естественно, что тепловозы в этом случае должны быть оснащены аналогичными компьютерами.
Интересно, что, исследуя около 30 первичных двигателей и их модификаций для локомотивов, американские специалисты расположили их в зависимости от расходов на годовую эксплуатацию. Паровая машина в этом списке оказалась третьей, несколько уступив в рентабельности газовой турбине и двигателю Стирлинга. Дизель, кстати, был только 14-м. Правда, эта классификация очень зависит от цены на нефть, которая сильно колеблется, но все же показательна.
Специалисты считают, что пока паровоз требует более глубокой проработки. Только поездная работа опытного образца, а лучше нескольких машин, в реальных условиях на одной из крупнейших железных дорог раскроет все положительные и отрицательные свойства паровика нового поколения.
Олег КУРИХИН, кандидат технических наук
Журнал «Техника молодежи», 01-1987 г. (орфография и синтаксис сохранены)
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определен как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла.
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счет использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (. Средний температурный напор может быть уменьшен за счет применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.
КПД и мощность локомотива
Значение КПД
Одним из важных параметров, влияющих на выбор типа локомотива для обеспечения перевозок, является его коэффициент полезного действия (к.п.д). Первые локомотивы — паровозы, появившиеся в начале 19 века в Великобритании, на протяжении почти 100 лет были на железных дорогах единственным тяговым средством. Рост промышленности и торговли, повлёкший за собой увеличение объёма перевозок, потребовал интенсивного развития железнодорожного. транспорта, увеличения массы поездов и скорости их движения и соответственно совершенствования конструкции локомотива, повышения их мощности, силы тяги и экономичности. Наиболее совершенные паровозы, выпускавшиеся в начале 20 века, уже имели максимальный к.п.д 6—8%, а средне-эксплуатационный — на уровне 4% . На железных дорогах СССР самым мощным массовым паровозом, выпуск которого начался в 1931, был паровоз серии ФД (Феликс Дзержинский) типа 1-5-0 со сцепным весом 1040 кН, расчётной силой тяги 241,5 кН и конструкционной скоростью 90 км/ч. При расчётной скорости 23 км/ч он развивал мощность на ободе колеса 1513 кВт. Для сравнения — распространенный в 1980-х годах грузовой тепловоз 2ТЭ10М имел конструкционную скорость 100 км/ч, силу тяги в продолжительном режиме 245 кН на скорости 24,6 км/ч.
Конструкционная скорость пассажирского тепловоза ФДп (точнее паровоза ИС «Иосиф Сталин», стыдливо переименованного в годы борьбы с «культом личности») составила 115 км/ч; опытные паровозы типа 2-3-2 для скоростных пассажирских перевозок на испытаниях развивали скорость до 160—170 км/ч. Для сравнения: пассажирский тепловоз ТЭП70 имеет конструкционную скорость 160 км/ч.
В США были выпущены мощные сочленённые паровозы типа 1-5+5-1 (с двумя или несколькими самостоятельными экипажными частями), которые обеспечивали расчётную силу тяги до 660 кН. Отечественный магистральный грузовой паровоз последнего типа развивал мощность 1800 кВт, имел конструкционную скорость 80 км/ч; пассажирский паровоз — соответственно 1900 кВт и 125 км/ч. Первые магистральные тепловозы, появившиеся в 20-х гг. 20 в., имели в несколько раз более высокий, чем у паровозов, к.п.д, что явилось одной из решающих причин довольно быстрого их развития и совершенствования. В СССР была организована разработка проектов тепловозов для последующей постройки их на отечеств, заводах и за границей. Магистральный тепловоз ЩЭЛ-1 построен ленинградским заводам в 1924 году; тепловозы ЭЭЛ2 и ЭМХ3 были заказаны для отечественных железных дорогах в Германии в счёт поставок паровозов. В 1931 году Ашхабадская ж. д.первой на сети ж. д. Советского Союза перешла на тепловозную тягу. интенсивно в СССР Замена паровозной тяги на тепловозную и электровозную началась с конца 1940-х и особенно развернулась после 1950-х годов, когда был прекращён выпуск паровозов (1956 год).
Современные тепловозы в большом диапазоне реализации мощности имеют к.п.д около 30%, а среднеэксплуатационный к.п.д — около 25%. По сравнению с паровозами тепловозы помимо более высокой экономичности обладают рядом других положительных эксплуатационных характеристик: позволяют увеличить массу поезда, удлинить тяговые плечи, сократить простой в ремонте, повысить производительность труда. Серийные тепловозы ТЭ10 и 2ТЭ116 при мощности дизеля 2206 кВт имеют расчётную силу тяги 253 кН в секции и развивают мощность на колёсах 1612— 1668 кВт. Выпускаются 2-х, 3-х, 4-х секционные тепловозы ТЭ10. Тепловозы 2ТЭ121 при мощности дизеля 2941 кВт имеют силу тяги 300 кН в секции и развивают мощность на колёсах 2173 кВт. Конструкционная скорость грузовых тепловозов 100 км/ч, пассажирских — 160 км/ч. Созданы опытные образцы тепловозов с секционной мощностью (по дизелю) 4412 кВт.
Первые попытки использования электрической энергии для тяги поездов относятся к концу 19 века. Первый отечественный электровоз ВЛ19, выпущенный в 1932, имел 6 тяговых двигателей мощностью по 340 кВт каждый и развивал скорость до 90 км/ч.
Наиболее распространённые современные электровозы постоянного тока ВЛ10 имеют расчётную силу тяги 502 кН при расчётной скорости 45,8 км/ч, развивают мощность на колёсах 5280 кВт. Электровозы переменного тока ВЛ80 с расчётной силой тяги 512 кН при расчётной скорости 43,5 км/ч развивают мощность на колёсах 6350 кВт. Конструкционная скорость большинства грузовых электровозов — до 110 км/ч, а пассажирских электровозов ЧС2 и ЧС4 — 160 км/ч. С 1985 года для вождения тяжеловесных и длинносоставных поездов началось создание мощных грузовых электровозов нового поколения, развивающих мощность около 10 тысяч кВт. Грузовые электровозы постоянного тока ВЛ15 развивают мощность 9000 кВт при силе тяги 688 кН, а грузовые электровозы переменного тока ВЛ85 имеют мощность 10 000 кВт при силе тяги 720 кН; пасс.
Не остаются в стороне и локомотивы пассажирского парка. Электровозы постоянного тока ЧС7 имеют мощность 6160 кВт, а его «собратья» ЧС8, работающие на переменном токе — мощность 7200 кВт.
Собственный к.п.д электровозов достигает 88—90% при общем к.п.д электрической тяги (с учётом к.п.д ТЭЦ или ГЭС, тяговых подстанций, линий электропередачи и контактной сети) около 22—24%. Возврат энергии может достигать 25% расхода энергии на тягу.
Перспективно использование в качестве моторного топлива на тепловозах сжатого и сжиженного природного газа. Повышению экономичности могут способствовать совершенствование термодинамического цикла дизеля, освоение высокотемпературных топливных элементов. Достаточно высокой мощностью — до 6300 кВт — обладает газотурбовоз. Однако из-за сравнительно невысокого к.п.д (12—18%) и сложности изготовления этот локомотив ни как не выйдет из периода экспериментальных поездок. В мире он был выпущен малыми сериями за рубежом (Германия, США), единичные экземпляры построены в нашей стране.
Дальнейшее совершенствование электровозов и тепловозов будет направлено на повышение их надёжности и экономичности, улучшение тяговых качеств, снижение затрат на обслуживание и ремонт путём создания безремонтных конструкций узлов и агрегатов, применения бесколлекторного тягового привода, микропроцессорной техники в системах управления, регулирования, диагностики. Дальнейшее развитие локомотивостроения связано с увеличением единичной мощности и скорости движения. Возможно, получат свою реализацию проекты турбопоездов, в которых используется авиационная газовая турбина. Ведь уже сейчас скорость до 200 км/ч, для стран Европы и России воспринимается как обыкновенное техническое решение, а значит поезда будут стремиться закрепить свой рекорд скорости — почти 600 км/ч.
Урок физики по теме «Роль железной дороги в жизни города Белово. КПД теплового двигателя паровоза». 8-й класс
Тип урока: изучение нового материала.
Цели урока:
- Образовательная: знать исторические факты в развития города Белово; ввести понятие КПД тепловых двигателей; знать основные способы увеличения КПД тепловых двигателей; на примере паровоза рассчитать КПД; привить самостоятельность в поиске новых знаний. Привитие интереса к предмету; демонстрация применимости в жизни знаний; вовлечение каждого ученика в активный познавательный процесс; выработка предметных компетенций.
- Воспитательная: воспитание внимательного, доброжелательного отношения к ответам одноклассников.
- Развивающая: расширение кругозора; повышение эрудиции; развитие умений выступления перед аудиторией.
Интеграция предметов: физика, математика, экология.
Оборудование и средства обучения: компьютер, проектор, экран для демонстрации слайдов.
Ход урока
I. Организационный момент
Добрый день, ребята!
Мы с вами несколько уроков в подряд изучали пепловые двигатели (схема на доске с магнитами — Приложение 1).
Какие вы знаете тепловые двигатели?
Двигатели внутреннего сгорания, роторные, реактивные
Какие механизмы на этих двигателях работают?
- ДВС — автомобили
- роторные — паровые турбины
- реактивные — самолёты, ракеты
Все эти двигатели работают за счёт чего? — совершение паром работы.
Какой самый примитивный механизм, который работает на расширении пара? — паровоз. (Видео — Движение паровоза).
Запишите на рабочем листе тему урока (Приложение 3): паровоз
Значит, на уроке сегодня будем изучать:
ЧТО – паровоз
КАК
- Строение
- Принцип работы
- Физические характеристики
ЗАЧЕМ — Чтобы познавать окружающий мир, знать как работает, на чём мы ездим, расширить кругозор ……
III. Изучение нового материала
Начнём с истории
То есть, если бы через наше поселение не прошла бы железная дорога, то станции Белово и города Белово могло бы не быть.
Поэтому для нашего города ПАРОЗОЗ сыграл огромную роль.
Чтобы понять, как работает паровоз нужно знать его строение. (Анимация) — на рабочем листе заполните поле, просматривая анимацию.
(КОТЁЛ, КОЛЁСА, ПОРШЕНЬ, ЦИСТЕРНА)
Принцип работы можно записать схемой:
У вас в рабочем листе нарисован схематически паровоз, давайте подпишем на рисунке части схемы:
Что служит нагревателем? — ТОПКА
Что является рабочем телом? — ЦИСТЕРНА С ВОДОЙ
Что является холодильником? — ТРУБЫ, ВЫПУСКАЮЩИЕ ПАР
Работа любого механизма характеризуется физическими величинами.
Характеристикой этого устройства является КПД – коэффициент полезного действия.
(%) – КПД
Любой механизм чтобы работать должен что-то тратить.
Например:
- Печка чтобы грела нужно её топить углём или дровами
- машина чтобы ехала нужно заправлять бензином, соляркой…
Так КПД это сравнение полезной работы с затраченной, а при сравнении в математике вы делите эти величины др.на др., получаем
.
Записываем в листе:
Ап (Дж) – полезная работа
Аз (Дж) – затраченная работа
Давайте вернёмся к первой схеме к первой схеме и допишем на листе:
автомобилей =20-40%
паровых турбин = 30-40%
самолётов ракет ≈ 60% и более
IV. Закрепление
Задача: На привокзальной площади (в городе Белово) у нас памятник паровозу Черепанова: рассчитайте КПД паровоза Черепановых, который находится на привокзальной площади города Белово, если он был в пути 40 минут и израсходовал 0,3 тонн угля. Оставшиеся данные взять на табличке, которая находится у паровоза. (Фото таблички на рабочем листе)
V. Самооценивание
Механизм паровоза в жизни нам необходим до сих пор, и люди ещё не один десяток лет будут пользоваться машинами, паровозами, ракетами, самолётами …..
Давайте представим к награде учёных, которые внесли вклад в создание тепловых двигателей, из которых строят паровозы, машины, ракеты, самолёты…, или представим к награде себя, за то как мы работали на уроке ….. (Приложение 2)
Возьмите грамоты на столе напишите — кому и за что вы их хотите вручить (на магниты на доску у некоторых).
Итак, сегодня на уроке мы:
- изучали____________
- узнали, что _________________
- нам эта информация необходима для того, чтобы ______________
VI. Итоги урока
Домашнее задание: § 24, стр. 70 задание (тема 5).
Спасибо за работу!
До свидания!