Об отоплении паровозов
Для начала эры железных дорог, в качестве топлива для паровозов, было естественным
применение древесины – она была доступна в подавляющем большинстве географических
зон. К тому же, развитие сельского хозяйства, в общем, и увеличение посевных площадей
за счет расчистки лесных территорий, в частности, создавало древесину, как дешевый
побочный продукт этого процесса. Особенно характерно это было для Северной Америки
и Российской Империи. Однако процесс вырубки не мог продолжаться бесконечно – и
с течением времени и увеличением протяженности дорог, паровозы постепенно удалялись
от лесных массивов – это было и при освоении прерий Среднего Запада США, это было
и при освоении поволжских степей в России. Тем не менее, вплоть до 1950х годов паровозы
с дровяным отоплением можно было встретить на некоторых малонагруженных ветках и,
еще более часто – на лесовозных дорогах – например, во Флориде.
Древесина
Помимо дешевизны и доступности, характерной для 19 и первой половины 20 веков, другим
плюсом использования древесины в качестве топлива была ее чистота сгорания и относительно
малое количество продуктов горения – то есть золы. При этом, однако, возникала иная
проблема – большое количество искр, что требовало применения искрогасителей достаточно
сложных конструкций – именно поэтому дымовые трубы паровозов, отапливаемых древесиной
(особенно ранних конструкции), имели такие заметные размеры и весьма вычурные формы.
Помимо этого, ручная погрузка дров в тендер и непостоянный режим горения (связанный
с разными породами и разной влажностью древесины) требовали и дополнительных издержек
при экипировке паровозов, и постоянного внимания кочегара к процессу горения. От
этих же характеристик зависела и теплотворная способность древесины, как топлива.
В пропорции объем/тепло древесина была весьма «габаритным» топливом – 2 тонны дров
по количеству тепла были примерно эквивалентны 800 килограммам угля. Мало того,
средний по характеристикам паровоз 4-4-0 выпуска 1860х годов при дровяном отоплении
имел мощность около 400 лошадиных сил, а при отоплении битумными углями – около
500. И поэтому, с ростом объемов перевозок, снижением доступности древесины и повышением
добычи угля, процесс перевода железных дорог на паровозы с угольным отоплением,
начиная с 1870х годов, стремительно двинулся с юга на север – в регионы с традиционно
используемой для этого древесиной.
Уголь
Это то, о чем все думают, когда вспоминают про паровые локомотивы. Хотя это не так
просто, как кажется. Вы не можете порыть лопатой землю и закидать это в тендер.
При угольном отоплении появляются дополнительные требования к его качеству – он
должен иметь вполне определенную фракцию – в интервале примерно 2-10 сантиметров,
он не должен содержать камней, пустой породы и других примесей. Помимо всего, угли
бывают разных видов, и каждый такой вид требует своего подхода в конструкции топки
паровоза.
Антрацит
Высший сорт угля, обладающий наилучшим теплотворным качеством и наименьшей влажностью
(углерода > 91%, влага < 1,5%). Казалось бы, лучшего топлива невозможно придумать,
однако, есть проблема – антрацит горит «медленно» и пламя горения - короткое. К
тому же, узкие и глубокие топки локомотивов середины 19го века, ориентированные
на использование дров, мало подходили для такого угля; он требовал площади колосниковой
решетки в 2-3 раза большей, чем обычно, при этом была необходима широкая топочная
дверца, так как возможности кочегара по «закидыванию» угля лопатой были ограничены.
Такая конструкция топки на американских паровозах впервые была применена Джоном
Уттеном (John E.Wootten, 1822-1898), управляющим дороги Philadelphia & Reading
в 1877 году. С течением времени антрацит завоевал популярность как наилучшее топливо
для отопления зданий и, с увеличением спроса и стоимости, его доступность в качестве
паровозного топлива стала падать. Для отопления зданий уголь дробился и приводился
к более-менее однородной по фракции массе – и в результате процесса дробления и
отсева оставалась угольная мелочь или антрацитовый штыб, которая тоже нашла применение
в качестве топлива на паровозах – но она тоже требовала широкой топки Уттена.
Битумные и суб-битумные угли
(В российской классификации – каменные) Это две предшествующие антрациту стадии
«развития» угля, характеризуемые высоким содержанием углерода (78-91%) и низкой
влажностью (1,5-7%) для битумных углей и средним содержанием углерода (71-77%) и
средней влажностью (7-10%) для суб-битумных. В силу своего широчайшего распространения
– а их запасы в общих запасах угля оцениваются в 51 и 28% соответственно, эти угли
быстро нашли свое применение на паровозах, особенно после того, как железные дороги
пришли ближе к местам их залегания (а эти угли обычно залегают в более южных климатических
зонах, нежели антрациты). Однако, многие дороги продолжали использовать антрацит
и смеси антрацита и битумных углей для получения топлива с нужной теплотворной способностью
для получения соответствия видов перевозок и профилей железных дорог. К примеру,
на дороге Central Railroad of New Jersey, угольное депо в Джерси имело отдельные
бункера и желоба для битумных углей паровозов Baltimore & Ohio и для антрацитовых
паровозов как собственных, так и дороги Reading.
Лигнит, или бурый уголь
Первая ступень после «родоначальника» угля – торфа. Характеризуется низким содержанием
углерода – 60-75% сухого веса, высокой влажностью – 30-70% и высоким содержанием
кислорода – до 30%. Из-за своей, относительно низкой плотности, он мог легко быть
подан в топку паровоза «осыпью», но это требовало специальной конструкции топочной
дверцы. Помимо этого, высокое искрообразование требовало наличия дополнительных
искрогасителей, что требовало более длинной дымовой коробки; зольник так же должен
был быть оснащен искроулавливающей сеткой. Дороги, которые использовали бурые угли
в качестве топлива, такие как Burlington или Chicago & North Western на ее линиях
в Омахе, делали это потому, что бурый уголь в тех местах был «под руками». Фраза
«жгли то, что возили» («burned what they hauled»), часто используют в качестве причины,
в силу которой некоторые дороги позже других начали использовать дизельную тягу.
Однако, более точным было бы сказать «жгли то, что было под руками». Поскольку стоимость
топлива входит в стоимость транспортировки, то те железные дороги, которые были
вынуждены завозить уголь издалека – например, в Новой Англии – оказались первыми
в рядах наступления дизельной эры. Еще одним аспектом, затруднившим применение углей
на паровозах, стало повышение мощности машин и, как следствие, повышение удельного
расхода угля. Так, по расчетам производительности труда, один кочегар не в состоянии
обеспечить подачу более трех тонн угля в час. Однако, несмотря на то, что первые
попытки механизации этого процесса были предприняты еще в 1889 году в США, широкое
применение такие механизмы, называемые стокерами, нашли только в 1930х годах.
Торф
Экзотический, по мировым масштабам применения, вид топлива, однако в России его
использование было оправдано его большими запасами в центральном и северо-западном
регионах, где была сосредоточена значительная часть производств, населения и, как
следствие, грузопотоков и отсутствия – там же – значительных запасов угля. Первыми
опытами применения можно считать опыты Нижегородской дороги по отоплению паровозов
торфом, а затем и открытие Министерством Путей Сообщения торфопредприятия и начало
использования торфа для отопления паровозов Николаевской дороги – события, имевшие
место в 1860х годах. Основная проблема применения – торф перед применением должен
быть просушен, для чего, собственно и нужно было торфопредприятие.
Нефть
Сырая (неочищенная) нефть пришла, в качестве паровозного топлива, на железные дороги
в конце 19 века. Она обладала рядом несомненных достоинств – она не давала золы,
она легко транспортировалась и она
имела более высокую калорийность, чем уголь.
Проблема заключалась в том, как ее сжечь? Ранние эксперименты по ее испарению и
распылению оказались безуспешными, вплоть до 1880х годов, когда шотландец Томас
Уркухарт (Thomas Urquhart), суперинтендант Грязи-Царицинской дороги не нашел выхода
из ситуации – и к 1886 году эта дорога имела в парке 143 паровоза, отапливаемых
нефтью. Успех Уркухарта был основан на трех изобретениях: он использовал пар для
распыления нефти и впрыскивания ее в топку; он расположил форсунки так, что они
не могли закупориваться под действием тепла; он использовал огнеупорный кирпич для
формирования камеры сгорания, который дополнительно служил тепловым аккумулятором.
В 1894 году на заводе Baldwin, в демонстрационных целях, был переоборудован компаунд
системы Воклэйна 4-6-0 на отопление нефтью по системе Уркухарта. Он имел длинную,
узкую и неглубокую топку, что было неидеально для эксперимента. После теста на дороге
Reading, во время которого тяжелый состав был доставлен из Ридинга в Балтимор (92
мили), на что было истрачено 905 галлонов (2,6 тонны) нефти и 8867 галлонов (3,5
тонны) воды. После серии дополнительных тестов на этой же дороге заводом было сделано
заключение, что нефть может быть использована в качестве паровозного топлива. Помимо
простой альтернативы углю, преимущество нефти заключалось и в отсутствии искр, что
делало это топливо привлекательным для дорог, проходящих по лесным массивам. Помимо
того, нефть позволяла осуществлять более протяженные рейсы без бункеровки, что делало
ее привлекательной для дальних скоростных пассажирских перевозок – дорогами Milwaukee
(для маршрута Hiawatha) и Chicago & North Western было переоборудовано более
400 локомотивов класса Atlantic.
Таблица 1. Удельная теплота сгорания топлив
|
Вещество |
Удельная теплота сгорания, MДж/кг |
|
Торф
|
8,1 |
|
Древесина (береза, сосна)
|
10,2 |
|
Древесный уголь |
31,0 |
|
Бурый уголь |
15,0 |
|
Каменный уголь |
29,3 |
|
Антрацит
|
27,0 |
|
Нефть
|
41,0 |
|
Мазут
|
39,2 |
М.А.Комаров. 05.08.2009