Коэффициент полезного действия (КПД) паровоза - величина, с помощью которой можно оценить эффективность использования в паровозе тепла, полученного в результате сжигания топлива. КПД паровоза - это отношение тепла, затраченного на работу по перемещению паровоза к максимальному количеству тепла, которое это топливо может выработать.
Первые паровозы появились в Великобритании в начале XIX столетия. Их коэффициент полезного действия был очень низок. С течением времени паровозы совершенствовались, но на коэффициент это практически не влияло. Максимальный КПД самых совершенных паровозов, выпускавшихся в начале XX века, не превышал 6-8%, средний - 4%. Модернизация паровозов этот вопрос практически не решала - их КПД почти не превышал 7%.
Настоящим прорывом в решении данного вопроса стало применение перегретого пара. Это позволило увеличить мощность и скорость. Произошло это в начале XX века. Однако, использование перегретого пара позволило увеличить мощность более, чем в 100 раз, скорость - в 15 раз, а КПД - только в 2 раза.
Так почему же так сложно повысить коэффициент полезного действия паровоза? Много своих работ изучению этого вопроса посвятил академик С. П. Сыромятников. Он связывал увеличение коэффициента с уменьшением массы парового котла и установкой различных устройств для повышения мощности и экономичности. Сыромятников считал, что передняя часть труб внутри парового котла вырабатывает не более 15% от общего количества пара. По проекту академика был создан паровоз с изменениями в паровом котле: укороченной передней трубной частью и установленным в специальной камере выносным перекрестночным пароперегревателем. Кроме того, по мнению Сыромятникова, увеличению КПД должно было способствовать сжигание угля в измельченном виде. Однако, в связи с этим появлялась проблема - загрязнение задней трубной решетки шлаком и золой. Для решения этой проблемы было предложено увеличить объем топки за счет отказа от зольника. Угольная пыль должна была сгорать в месте нахождения зольника, а не перед трубной решеткой.
Проблема низкого коэффициента полезного действия паровоза связана с тем, что пар, покидая машину, уносит с собой значительную часть полученной тепловой энергии. Температура уходящего пара составляет 120-180 градусов, давление - около 1,5 атмосфер. Теплосодержание этого пара равно примерно 650 килокалорий. Это довольно значительная потеря, которая составляет около 40%. Кроме этой, существуют еще другие потери: от неполного расширения пара, утечка его через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня. Все эти потери значительно снижают КПД паровоза. К ним еще добавляется потери на преодоление сил трения при движении. Поэтому КПД паровоза в процентах не превышает 12-14.
Подводя итог, можно сказать, что низкий КПД паровоза связан со значительной потерей энергии из-за выброса пара и невозможностью использовать эту энергию из-за движения. В стационарных же установках такая энергия используется, например, на отопление или горячее водоснабжение.
