Борьба за коэффициент полезного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уральский государственный университет путей сообщения»

Курганский институт железнодорожного транспорта (филиал)

Борьба за коэффициент полезного действия

Давлетшин М.Ю. Соколов Е.А.

Аннотация

В своем докладе мы рассматриваем историю и причины развития КПД паровозов, лучшие достижения в улучшении КПД паровозов и способы улучшения.

Annotation

In our report, we consider the history and causes of the development of steam locomotive efficiency, the best achievements in improving the efficiency of locomotives and ways to improve.

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%.На протяжении своей истории в паровозостроении делались серьёзные попытки улучшить его эксплуатационные характеристики.

Так, тяжёлый и непроизводительный труд кочегара был облегчён благодаря применению шнековой системы подачи топлива -- стокером. В этом же направлении подействовал и перевод котлов на жидкое топливо -- мазут и другие тяжёлые фракции нефти. В богатых лесом районах неприхотливость парового котла к видам питающего их топлива делает использование паровоза вполне целесообразным.

Сцепление лучше посуху. Одной из технических характеристик паровозов являлась сила сцепления колеса с рельсом.

Сила сцепления создается за счет нагрузки на колеса паровоза, а также за счет веса самих колес. Чем больше нагрузка на колесо и чем больше у паровоза движущих осей, воспринимающих усилие от паровой машины, тем больше сила сцепления. Однако увеличивать нагрузку на колесо можно до определенного предела в зависимости от прочности пути (вспомним снижение веса сварного котла).

Сумма нагрузок от движущих осей паровоза на рельсы и составляет сцепной вес паровоза. Помимо того, что силу сцепления определяет величина нагрузки на колесо, она зависит также от состояния соприкасающихся поверхностей колеса и рельса. При сухих рельсах сила сцепления составляет приблизительно 0,2-0,3 нагрузки на колесо.

При влажных, покрытых водой, снежными осадками или маслом рельсах сила сцепления (коэффициент сцепления) снижается, что вызывает боксование паровоза, влекущее за собой повышенный износ колесных пар и перерасход топлива. сцепление паровоз высококалорийный топливо

Для достижения наиболее устойчивой силы сцепления колес с рельсами при унификации рекомендованы три режима подачи песка под колеса паровозов:

-- при трогании поезда с места;

-- при установившемся движении поезда на площадках и подъемах;

-- в зависимости от условий ведения поезда. На этом режиме песочница должна работать не более 15 % времени ее работы в зависимости от профиля пути.

Еще одним из направлений повышения экономичности паровозов было внедрение более высококалорийного или менее дорогостоящего топлива, а также снижение потерь тепла во время подачи топлива в топку.

Серьезной проблемой паровозов были потери тепла от механических углеподатчиков, без которых нельзя было обойтись на паровозах мощностью 2500-3000 л.с., т.к. кочегар уже физически не мог справляться с прожорливостью таких паровозов. При этом способе подачи потери тепла могли составлять до 30 %, что вело к резкому снижению экономичности паровоза.

И здесь рационализаторы-машинисты пытались внести свою лепту в борьбу за КПД. Так, например, машинист-инструктор Томской железной дороги Гисич в первой половине 50-х годов прошлого века предложил и испытал прибор в углеподатчике, позволивший экономить топливо до 5%. Его изобретение было принято заводами-изготовителями паровозов.

Оригинальным локомотивом является паровоз высокого давления, т. е. паровоз, который имеет давление пара в котле примерно в 10 раз больше, чем на обычных паровозах (до 140 атм. вместо обычных 15 атм.). КПД таких паровозов теоретически достигает 18-20 %.

К тому времени в стационарных теплосиловых установках уже было практически достигнуто понижение давления отработавшего пара до 0,03-0,04 атм. Однако получить такое понижение давления (глубокий вакуум) в условиях паровоза оказалось далеко не так просто. Для этого пришлось бы устанавливать специальные конденсаторы. Практически при ограниченных размерах и весе паровоза построить такую паровую машину невозможно.

Таким образом, увеличить разницу давлений свежего и отработавшего пара возможно только за счет повышения давления пара в котле. Однако и здесь дело осложняется конструктивными трудностями.

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. 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.

В 1917 г. наиболее мощными среди товарных паровозов русских железных дорог были паровозы типа 0-5-0 серии Э и типа 1-5-0 серии Е -- 1100 -- 1300 л. с, среди пассажирских -- паровозы типа 1-3-1 серии С и типа 2-3-1 серии Л -- 1000 -- 1200 л. с; получившие же широкое распространение на железных дорогах Советского Союза паровозы типа 1-5-1 серии ФД и типа 1-4-2 серии ИС развивали мощность 2600 -- 3000 л. с.

В СССР в 1928г. был принят первый план развития народного хозяйства СССР. Первая пятилетка требовала увеличение количества угля, возимого по железной дороге и это давало повод к увеличению КПД паровоза. За сорок лет советского периода развития железнодорожного транспорта мощность грузовых и пассажирских паровозов возросла больше, чем за весь предреволюционный период существования русских железных дорог.

Также большой прорыв был совершен в середине XX века в связи с военным положением стран. Великая Отечественная война, особенно ее первый период, поставила железные дороги в чрезвычайно тяжелые условия. Перед железнодорожниками стала труднейшая задача - к народнохозяйственным перевозкам прибавились перевозки для фронта. К середине 1941 г. на долю железных дорог приходилось свыше 85% общего грузооборота транспорта, что составляло 420,7 млрд тонно-километров. Из-за внезапного нападения врага пришлось осуществлять перевозки мобилизационные из пунктов сбора в воинские части и по средоточению войск, а так же по эвакуации населения и предприятий в тыловые районы страны. Такое использование паровозов позволило увеличить КПД паровоза до 15-16%.Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%

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.

Список использованной литературы

1. Википедия. Паровоз [электронный ресурс]/Википедия.- режим доступа: https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Паровоз

2. Локомотивы отечественных железных дорог. Смертельная схватка за КПД[электронный ресурс]/- режим доступа: http://trtrom.narod.ru/parovoz/kpd1.htm

3. Железнодорожный моделизм. Коэффициент полезного действия паровоза [электронный ресурс]/- режим доступа: http://www.modelzd.ru/podvizhnoj-sostav-zhd/parovoz/kpd.html

Размещено на Allbest.ru