Паровой двигатель против паровой турбины
В то время как паровой двигатель и паровая турбина используют большую скрытую теплоту испарения пара для получения энергии, основное различие заключается в максимальном количестве оборотов в минуту энергетических циклов, которые оба могут обеспечить. Существует ограничение на количество циклов в минуту, которое может обеспечить возвратно-поступательный поршень с паровым приводом, заложенное в его конструкции.
Паровые двигатели в локомотивах обычно имеют поршни двойного действия, работающие с паром, аккумулируемым с обеих сторон попеременно. Поршень поддерживается поршневым штоком, соединенным с траверсой. Крестовина дополнительно прикреплена к штоку управления клапаном с помощью рычажного механизма. Клапаны предназначены для подачи пара, а также для выпуска использованного пара. Мощность двигателя, генерируемая возвратно-поступательным движением поршня, преобразуется во вращательное движение и передается на приводные тяги и соединительные тяги, приводящие в движение колеса.
В турбинах имеются конструкции лопаток 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 изготовлены лопатки турбины, и способ производства «сверхкритического пара».
Современная технология, используемая для направления потока пара и его схемы, является более сложной по сравнению со старой технологией периферийного потока. Введение прямого удара пара с лопаток под углом, создающим малое или почти полное обратное сопротивление, придает максимальную энергию пара вращательному движению лопаток турбины.
Сверхкритический пар производится путем повышения давления над обычным паром, так что молекулы воды в паре доводятся до такой степени, что он снова становится более похожим 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 высококачественных сталей для изготовления лопастей. Таким образом, можно было запускать турбины на гораздо более высоких скоростях, выдерживая высокое давление сверхкритического пара, с тем же количеством энергии, что и традиционная паровая энергия, не ломая и даже не повреждая лопасти..
Недостатками турбин являются: малые динамические диапазоны, которые приводят к ухудшению характеристик при снижении давления пара или расхода, медленное время пуска, позволяющее избежать термоударов в тонких стальных лопатках, большие капитальные затраты. стоимость и высокое качество пара требуют очистки питательной воды.
Главным недостатком паровой машины является ограничение скорости и низкий КПД. Обычный КПД парового двигателя составляет около 10–15 %, а новейшие двигатели способны работать с гораздо более высоким КПД, около 35 %, благодаря использованию компактных парогенераторов и сохранению двигателя в безмасляном состоянии, что увеличивает срок службы жидкости.
Для небольших систем паровые двигатели 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.
С учетом высокой стоимости топлива, используемого для двигателей внутреннего сгорания, в настоящее время заметно возрождение паровых двигателей. Паровые двигатели очень хорошо улавливают отработанную энергию из многих источников, включая выхлопные газы паровых турбин. Отработанное тепло паровой турбины используется в электростанциях с комбинированным циклом. Кроме того, это позволяет выпускать отработанный пар в виде выхлопных газов при гораздо более низких температурах.
