Почему паровая машина невыгодна по сравнению с дизельным двигателем?

Общая масса паросиловой установки грузового паровоза серии Л при мощности 1470 кВт (или 2000 л.с.) составляет примерно 40 тонн (это без учёта воды в котле и угля в топке).

Тогда как дизель 14Д40 аналогичной мощности (без учета вспомогательного оборудования) - обладает массой около 16 тонн, т.е. в 2,5 раза меньше при одинаковой мощности.

При этом паросиловая установка паровоза серии Л требует для своего размещения площади свыше 50 м², а тепловозного дизеля 14Д40 всего около 12 м².
Если продолжить сравнение той же паросиловой установки паровоза серии Л с каким-нибудь ещё более мощным типом дизеля чем 14Д40, к примеру 5Д49 установленного на ТЭП70 (масса 18 тонн), который способен номинально выдавать 2942 кВт или 4000 л.с., то соотношение массы к ожидаемой на выходе мощности ещё больше увеличится:
40 тонн и 2000 л.с. паросиловой установки паровоза серии Л;
18 тонн и 4000 л.с. дизеля 5Д49 тепловоза ТЭП70.
Мы пришли к выводу о том, что масса дизеля тепловоза ТЭП70 в нашем случае в 2,2 раза ниже чем у паросиловой установки паровоза серии Л, а мощность при этом в два раза выше.

Компактность - одно из основных достоинств дизеля.

Водяной пар, совершив работы в паровой машине паровоза, выпускается в атмосферу. Но отработавший пар сможет уйти в атмосферу только в том случае, когда если его давление превысит атмосферное. Иначе он просто не выйдет из паровой машины.
Более того, давление отработавшего в машине пара должно быть достаточно высоким. Ведь в паровозах необходимая для интенсивного горения тяга осуществляется с помощью специальной вытяжной установки: струя выходящего из конуса пара увлекает окружающую её газовую среду и выбрасывает газы через дымовую трубу в атмосферу.

Чтобы паровая струя имела достаточную скорость, давление пара перед конусом, т.е. после расширения пара в паровой машине, должно быть выше атмосферного давления больше чем в полтора раза. При таком давлении температура отработавшего пара не может быть ниже 110-120 градусов Цельсия, поэтому он будет уносить с собой большое количество теплоты.

В 1 кг отработавшего пара содержится около 2724 кДж теплоты. Для сравнения укажем, что энтальпия (от греч. enthalpo - согреваю) при рабочем давлении 16 кгс/см² (с таким давлением пар поступает в паровую машину), составляет 3210 кДж. Следовательно только 486 кДж (3210 кДж - 2724 кДж), что пошли на образование 1 кг пара, превращается в работу, а остальная теплота бесполезно выбрасывается из паровой машины в атмосферу. В этой потере теплоты с выпускаемым паром, как в зеркале отражаются, ограниченные возможности повышения экономичности паровозов.

Из физики известно, что эффективность паросиловой установки тем выше, чем больше температура и давление пара, входящего в паровую машину, и меньше давление пара, выходящего из неё.
Почему же конструкторы не могли существенно повысить температуру и давление пара на входе в паровую машину, снизить давление отработавшего пара и были вынуждены прекратить постройку паровозов?
В стационарных тепловых установках используется пар с начальным давлением 300-450 кгс/см², а в паровозах только 14-16 кгс/см².

Оказывается, если давление пара повысить с 15 до 20 кгс/см², то доля тепла, которая может быть полезна использована, увеличится всего на 1,5%. При дальнейшем увеличении давления эта доля, приходящаяся на 1 кгс/см² повышения давления, снижается. Так, например, если повысить давления пара со 150 до 200 кгс/см², то долю используемого тепла удается повысить лишь на 0,4%. Следовательно физические свойства пара таковы, что повышение одного начального давления даёт незначительный выигрыш в экономичности процесса.
С другой стороны, давление пара в паровозных котлах нельзя существенно повышать из конструктивных соображений. Существующие котлы паровозов жаротрубные с плоскими стенками топки. Их запас прочности не позволяет поднять давление в котле выше 20-25 кгс/см².

Отсюда следует ещё один вывод - для повышения экономичности установки требуется повысить не только давление, но и первоначальную температуру пара.

Потому что и на этом пути повышения эффективности паровозов возникают серьезные трудности. Высокая температура - враг металлов, в особенности если они соприкасаются непрерывно с газом или паром, даже автолюбители это прекрасно знают. В таких условиях даже жаростойкий металл быстро теряет свою прочность. Не менее важно, что смазка, без которой невозможна нормальная работа цилиндро-поршневой группы, может устойчиво работать лишь при температуре не более 400-500 градусов Цельсия. Вывод - дальнейшее увеличение температуры пара тоже не может привести к повышению эффективности паросиловой установки.
Итак, низкий коэффициент полезного действия (КПД) паровоза является его органическим недостатком. Иначе говоря, сколько бы конструкторы не пытались бы и дальше улучшать конструкцию паровой машины, все равно сколь существенных результатов повышения экономичности паровозов не достигли бы. Нельзя получить КПД паровоза, близкий к КПД тепловоза.

Статья подготовлена на основе книги В.А. Дробинского и П.М. Егунова "Как работает и устроен тепловоз".