Пароперегреватели в паровозах: технологические ограничения?

Нужна помощь зала.

Итак, что такое пароперегреватель?

Сначала краткое объяснение того, что представляет собой паровой котёл паровоза.

Паровой котёл паровоза — это цилиндрическая бочка, наполненная водой. Свободным остаётся немного пространства в верхней части, где, собственно, и собирается пар, который потом через сухопарник уходит к паровой машине. К котлу с задней стороны присобачена топка, откуда топочные газы поступают в большое количество длинных горизонтальных трубок (называемых жаровыми трубами), проходящими через весь котёл параллельно его оси и открывающихся на противоположном конце котла в дымовую коробку. Нагрев воды, собственно, и производится этими горячими газами, проходящими через трубы.

Теперь о пароперегревателях. Из всех моделей наиболее удачным считается пароперегреватель Шмидта. В чём его суть? Из сухопарника пар температурой около 200 градусов поступает в коллектор, расположенный в дымовой коробке паровоза (напоминаю, она присоединена к передней стенке котла). К коллектору присоединено большое количество трубок (обычно 28-32). Эти трубки входят в жаровые трубы, где тянутся практически через весь котёл, затем обратно, а потом опять в конец и обратно, то есть в пределах жаровой трубы располагаются четыре колена. За эти два прохода горячими топочными газами пар нагревается минимум на 100, а максимум на 250 градусов (то есть до 310-450 градусов) и становится перегретым. Температура самих газов на выходе в дымовую коробку становится равной примерно 450 градусов (точную температуру на входе сейчас не скажу, но вроде порядка 1000 градусов). Перегретый пар из трубок возвращается в коллектор, но в другую его камеру, не связанную с первой. После чего пар поступает к паровым машинам.

Казалось бы, всё просто. И над идеей перегретого пара думали и экспериментировали чуть ли не с первых паровозов. Однако что-то никак не залаживалось вплоть до господина Шмидта (патент 1895 года, первые локомотивы 1898 или 1901, триумф пароперегревателей — около 1910 г). Вот у меня и вопрос: не было ли здесь какого ограничения по жаростойкости материалов?

А что это со временем на форуме?

Чисто с точки зрения банальной эрудиции (tm), есть подозрение, что дело было даже не в жаропрочности, а в стойкости соединений.

Виталий пишет:

Чисто с точки зрения банальной эрудиции (tm), есть подозрение, что дело было даже не в жаропрочности, а в стойкости соединений.

Пожалуй, всё-таки, нет. Трубку пароперегревателя хоть и сложно, но возможно сделать цельной. Кроме того, возможен вариант исполнения "трубка в трубке". Когда в конец котла пар подается по внутренней трубе, а обратно возвращается по внешней. Эффективность будет пониже, но даже в таком случае игра стоит свеч. Что касается крепления к коллектору, то здесь делается обычное резьбовое соединение.

Вандал пишет:

Эффективность будет пониже, но даже в таком случае игра стоит свеч. Что касается крепления к коллектору, то здесь делается обычное резьбовое соединение.

Вандал, где-то, очень давно, ЕМНИП, ( ) я читал что именно с этими соединениями и были траблы.

Виталий пишет:

я читал что именно с этими соединениями и были траблы.

В смысле, крепление к коллектору? Ладно, будем считать, что практически убедили. А счастье было так близко! А что скажете насчёт пароперегревателя, размещённого в дымовой коробке? Это т.н. перегреватель Болдуина (американский локомотивный завод). Понимаю, что КПД существенно ниже, но в принципе, реализуемо? Схема:

Виталий пишет:

Вандал, где-то, очень давно, ЕМНИП, ( ) я читал что именно с этими соединениями и были траблы.

Из "Википедии":

Whilst the principle of superheating had been known for a very long time, no practical way had been found to make use of it. In the 1890's, Dr Schmidt began trials of his design of superheater, which was a form of "flame tube" superheater — a single, very large boiler tube of 17.5 inches (440 mm) across had a large number of steam pipes placed within it...

Two more designs were then produced; a type of smoke-box "superheater" which provided a very low superheat and a fire-tube superheater, in which mid-sized tubes were placed in the boiler and then the superheater elements placed within those. The first type (the one in the smoke box) turned out to be less than successful, and was eventually superseded by the second, which became standard on virtually all large steam locomotives until the very end of steam.

И ещё:

 * Superheated steam is a most erosive substance. This means the parts exposed to it are likely to wear out faster, unless made of higher tensile substances. While this meant the superheater and all of the piping and valving needs to be made of more expensive materials, the savings in fuel and water are such to more than compensate for the increased costs. Also, the better the materials, the lower the maintenance costs. 



 * It also requires special lubrication because of the increased heat. Given that the problem of adequate lubrication was only resolutely tackled right at the end of steam, the use of superheated steam meant this problem, which could be more-or-less ignored on saturated steam engines, became acute. 



 * Related to the above, saturated steam will provide lubrication for moving parts; superheated steam will not. 



 * The fitting of any new piece of equipment, such as a superheater, will require more maintenance. However the superheater will reduce the maintenance costs of the boiler, because the boiler is less stressed.

Так что все-таки, похоже, вполне могли изобрести нормальный паровозный пароперегреватель лет на 10 пораньше.

Ладно, модераторы, похоже, на свои обязанности в части размещения гостевых постов забили, поэтому поввторяю свой пост под постоянным логином (для модераторов: мой утренний пост считать недействительным).

По прошествии определенного времени сам нашел ответ на свой вопрос. Размещаю здесь на тот случай, вдруг кому понадобится.

Истинная причина — в отсутствии жаростойких смазок. Конструкция пароперегревателя, во многом аналогичная Шмидтовскому, была запатентована в 1849 и 1850 годах Jean de Montcheuil, менеджером дороги Монтре-Тройе. Эффект опытного применения был более чем впечатляющим — достигнута температура перегретого пара 370 градусов. Но такую температуру не держали тогдашние смазки и масла. Вероятно, патент был забыт, потому что параллельно или чуть позже Шмидта находились энтузиасты, пытавшиеся создать альтернативные конструкции пароперегревателей.

Теперь о пароперегревателе Болдуин. Аналогичные конструкции (с расположением пароперегревателя в дымовой коробке паровоза) также прорабатывались на заре паровозостроения, ещё до 1850 года. Но все они не давали серьезного эффекта, экономически оправдывавшего усложнение конструкции.

Так что получается: с одной стороны конструкция, которая дает слишком сильный эффект, не позволяющий его использовать. С другой — слишком слабый эффект, экономически неоправданный. Выходом было создание жаростойких масел и смазок и переход к первому варианту конструкции.

P.S. Источник — John H. White "American Locomotives : An Engineering History, 1830-1880". Все-таки, нам до Америки — как до Луны пока. Подробнейшее освещение проблематики создания железных дорог в США с технической и экономической точек зрения. Ничего подобного такой литературе в России/СССР я не встречал. Для альтисторика подобная литература — находка. Снимается большинство вопросов.

Вандал пишет:

По прошествии определенного времени сам нашел ответ на свой вопрос. Размещаю здесь на тот случай, вдруг кому понадобится.

Спасибо, интересно.