Паровой двигатель против паровой турбины
В то время как паровой двигатель и паровая турбина используют большую скрытую теплоту испарения пара для выработки энергии, основное различие заключается в максимальном числе оборотов в минуту энергетических циклов, которые они могут обеспечить. Существует ограничение на количество циклов в минуту, которое может обеспечить поршневой поршень с паровым приводом, заложенный в его конструкции.
Паровые двигатели в локомотивах, как правило, имеют поршни двойного действия, которые работают с паром, накапливающимся поочередно с обеих сторон. Поршень поддерживается штоком поршня, соединенным с крестовиной. Крестовина дополнительно прикреплена к штоку управления клапаном с помощью рычажного механизма. Клапаны предназначены для подачи пара, а также для отвода отработанного пара. Мощность двигателя, генерируемая возвратно-поступательным поршнем, преобразуется во вращательное движение и передается на тяги привода и соединительные тяги, приводящие в движение колеса.
В турбинах используются лопатки из стали, обеспечивающие вращательное движение с потоком пара. Можно выделить три основных технологических достижения, которые делают паровые турбины более эффективными по сравнению с паровыми двигателями. Это направление потока пара, свойства стали, из которой изготавливаются лопатки турбины, и способ получения «сверхкритического пара».
Современная технология, используемая для определения направления и схемы потока пара, более сложна по сравнению со старой технологией периферийного потока. Введение прямого попадания пара лопатками под углом, который создает небольшое или почти полное отсутствие обратного сопротивления, обеспечивает максимальную энергию пара для вращательного движения лопаток турбины.
Сверхкритический пар производится путем повышения давления нормального пара таким образом, чтобы молекулы воды пара были доведены до такой степени, что он снова стал больше похож на жидкость, сохраняя при этом свойства газа; это имеет превосходную энергоэффективность по сравнению с обычным горячим паром.
Эти два технологических достижения были реализованы за счет использования высококачественной стали для производства лопаток. Таким образом, турбины можно было запускать на очень высоких скоростях, выдерживая высокое давление сверхкритического пара, с тем же количеством энергии, что и традиционная мощность пара, без поломки или даже повреждения лопастей.
Недостатками турбин являются: малый диапазон изменения, который приводит к ухудшению производительности при снижении давления или расхода пара, медленное время запуска, что позволяет избежать тепловых ударов в тонких стальных лопатках, большие капитальные затраты и высокие качество пара, требующее обработки питательной воды.
Основным недостатком паровой машины является ограничение скорости и низкий КПД. Нормальный КПД парового двигателя составляет около 10-15%, а новейшие двигатели могут работать с гораздо более высоким КПД, около 35% с введением компактных парогенераторов и за счет поддержания двигателя в безмасляном состоянии, что увеличивает срок службы жидкости.
Для небольших систем паровой двигатель предпочтительнее паровых турбин, поскольку эффективность турбин зависит от качества пара и высокой скорости. Выхлоп паровых турбин имеет очень высокую температуру и, следовательно, низкий тепловой КПД.
Благодаря высокой стоимости топлива, используемого для двигателей внутреннего сгорания, в настоящее время наблюдается возрождение паровых двигателей. Паровые двигатели очень хороши в улавливании отработанной энергии из многих источников, включая выхлоп паровых турбин. Отработанное тепло паровой турбины используется на электростанциях с комбинированным циклом. Кроме того, он позволяет выпускать отработанный пар в виде отработанных газов при очень низких температурах.
