Как работает паровоз на угле?

Уже к середине 20 столетия начали появляться электровозы и тепловозы. Они более производительные и экономичные относительно тех, что работают на угле. Но от старого решения не отказались, его берегут как минимум в качестве альтернативного подхода.

Устройство и принцип работы паровоза

Разработано множество конструкций, данный транспорт претерпевал многократные изменения. Но основу современных паровозов, как и их предшественников, составляют три слагаемых:

• котел;
• паровая машина;
• экипаж.

Паровой котел поставляет энергию, он вырабатывает пар. Сам котел — это первичный источник энергии, пар — используемое рабочее тело. В агрегате происходит возвратно-поступательное движение поршня, затем при помощи специального механизма оно преобразуется во вращательное, что необходимо для вращения колес. Пар заставляет работать насос и паротурбогенератор, за счет него работает свисток. Экипаж представлен ходовой частью, это подвижное основание. Все три составляющие незаменимые. К таким составам часто прицепляют дополнительный вагон, в котором хранится твердое топливо и вода.

Паровой котел

Это главная составляющая всей системы, поэтому целесообразно начинать изучение именно с нее. Котел должен быть очень надежным и безопасным, выдерживать сверхвысокие нагрузки. Давление пара внутри доходит до показателя 20 атмосфер, в некоторых случаях даже выше, в работающем виде его можно сравнить со взрывчатым механизмом.

Не менее важные критерии — проста управления, обслуживания и ремонта. Хорошо, если котел может работать не только на угле, но и на других видах топлива. Это делает его универсальным и выгодным.

Топка

Это составляющая котла, месте, где твердое топливо сжигается для получения энергии. Предусмотрен углеподатчик для удобства. У механизмов на жидком топливе есть форсунки, горячее поступает через них. В ходе сгорания выделяются газы, их температура очень высокая. Они отдают свое тепло воде, отделенной стенками огненной коробки. Газы отдают большую часть тепла воде, чтобы та закипела и образовала пар, они же нагревают этот насыщенный пар, после чего покидают атмосферу через искрогаситель и дымовую трубу.

Выработанный пар накапливается в верхней части, там находится сухопарник, он выполнен в виде колпака. Когда набирается давление более 105 Па, открывается клапан-предохранитель, избыток выходит в атмосферу, чтобы не допустить аварийной ситуации. Нагретый до высокой температуры пар идет по трубам и доходит до цилиндров паровой машины. Нагнетается давление, он давит на поршень, который в свою очередь запускает шатунно-кривошипный механизм, ведущая ось приходит во вращение. Отработанный пар направляется в дымовую трубу, разреживается в дымовой коробке, это позволяет увеличить поступление воздуха в топку.

Схема

На схеме принцип работы паровоза кажется предельно простым.

И в этом действительно нет ничего сложного. Вода нагревается до состояния пара, при этом увеличивается в объеме, нагнетая давление. При достижении нужных значений пар начинает приводить в движение поршни, чтобы те запустили вращение оси. Предохранительный клапан выбрасывает из системы излишки пара, чтобы отрегулировать давление. У этой системы есть как преимущества, так и недостатки.

Преимущества

Паровозы не зря продолжают использовать в ряде стран, у них есть ряд плюсов:

• простая конструкция. Котел и паровая машина устроены очень просто, наладить их производство несложно и выгодно для любой страны;
• надежность. Ввиду своей простоты конструкция надежна. Ломаться практически нечему, поэтому такие системы исправно служат по сто лет и даже дольше;
• создание сильной тяги при трогании с места;
• можно использовать разные виды топлива.

Последний пункт заслуживает отдельного внимания. Раньше использовали термин “всеядность”. Паровозы, к которым он был применен, могли работать на мазуте, торфе, древесине. Это удобно при наличии производственных отходов: отработанных смазочных материалов, зерновой шелухи, опилок и щепок. Производительность становилась ниже, чем на угле, но так как это побочные продукты, получалась неплохая экономия.

Недостатки

Несмотря на все перечисленные плюсы, принцип работы парового двигателя паровоза нельзя считать идеальным. У него есть ряд минусов:

• невысокий КПД. Даже на самых современных и высокотехнологичных локомотивах КПД составляет не более 5-9%. Это предельные показатели, так как КПД самой паровой машины не превышает 20%. Так происходит из-за больших теплопотерь, неполного сгорания топлива;
• нужно возить с собой огромный запас воды и топлива. Особенно проблематично добываться воду в пустынной засушливой местности. Чтобы решить проблему, были разработаны паровозы с конденсацией отработанного пара. Но проблему это решало не полностью, а лишь частично;
• высокий риск возгорания. Такого недостатка нет на паровозах бестопочного типа, но они не могут ездить на большие расстояния;
• вред для экологии. В атмосферу выбрасывается много дыма и копоти. Это очень актуальная проблема при перемещении по населенным пунктам и для экологии в целом;
• непростые условия труда для персонала, обслуживающего состав;
• трудоемкость в процессе ремонта. Поломки случаются редко, но если что-то все же поломается, то на починку придется потратить много времени и денег.

Недостатки существенные, но все равно паровозы продолжают использоваться. В свое время их появление стало новым витком в развитии промышленности и экономики. Двигатели внутреннего сгорания более производительные и современные, но и они обладают своими недостатками. Паровозы на угле — это классика железнодорожного транспорта, именно они дали старт этот огромной индустрии, без которой мы не представляем своей жизни.

Чем пассажирские отличаются от грузовых?

Легко заметить внешние отличия, но более интересно будет изучить разницу в устройстве. Пассажирским составам не требуется большой сцепной вес, что позволяет снизить число движущихся колес. Для сцепления с рельсой в данном случае достаточно силы трения. Пассажирские поезда должны ехать быстрее, чтобы этого добиться, увеличили диаметр сцепных колес, а перед ними установили колеса меньшего размера. Это небольшие колеса называют бегунковыми, они помогают вписаться в кривые, подготавливая путь для основных колес.

Что касается принципа работы паровоза на угле, он одинаковых для любого локомотива. Разница лишь в том, что грузовые составы весят больше, и для их перемещения необходимо тратить больше энергии.