Höyryvetureiden kattiloiden vesi- ja höyrytilavuus

[Jaakko Mäkilä]

En ole löytänyt mistään Hr 1, Tv1, ja Hv: vetureiden pannujen vesi ja höyrytilavuuksia. Olisiko jollakulla tietoa.

// otsikko korjattu

[Ilkka Hovi]

Vaikea kysymys koska kattilan vesitilavuutta ei yleensä anneta, tämän tiedon tarve on vähäinen. Kattilan tehon määräämiseksi on tulipinnan ja tulistinpinnan määrittäminen tärkeää. Jos vesitilavuustieto on tärkeä arvioisin seuraavasti: Taulukkotietona on veturin työpaino työkunnossa sekä kattila ja säiliöt tyhjinä. Taasen tiedetään kattilan vesitilavuuden olevan 60 % - 75 %  kattilan tilavuudesta voidaan kattilan tilavuus arvioida jollaisella tarkkuudella.
Arvaan seuraavasti.
Hv1, paino työkunnossa 55,2 t - tyhjäpaino  50,0 t = 5,2 t vettä (onko miehistön ja työkalujen paino mukana työpainossa, ei ole tiedossani. Tästä virhettä).  Kattilan tilavuus olisi (5,2 t / 1t/m3 vettä) / 0.7 (hiharvio isolle kattilalle näin iltasella) = 7,4 m3 josta höyrytilaa 2,2 m3 noin suuntaa antavasti.

Tulipa tehtyä virheitä. Koska arkkitehti korjaa virheensä muraatilla voi kirjoittelija korjata virheensä ”Delete”-näppäimellä.
Ensinnäkin pitää muistaa peruste, ettei veden tilavuus pienene paineen noustessa kun keskustellaan normaalista tuliputki veturikattilasta ja laatujen pitäisi olla oikeinpäin.
Toiseksi kattilan tilavuutta mitattaessa on veden lämpötila todennäköisesti vesijohtoveden lämpöinen. Kattilan vesimäärää tarvitaan tarkistus mitattaessa veturin painoa, mutta veturi tuskin on tällöin lämpimänä. (Jos kattilaa täytetään vedellä, on hyvä täyttää samalla kokonaan koeponnistusta varten.)
Kolmanneksi todetaan, että laskelmat yksinkertaistuvat ja alemmassa sanomassa oleva taulukko antaa tilavuudet vesilasin puoliväliin. Maksimi veden tilavuus ollee ”ylämutterissa”. Höyryveturin jäähtyessä vesi hupsahtaa vesilasissa helposti vesilasin alapuolelle, siksi jäähtymään jäävän veturin kattilan vedenpinta on hyvä olla aivan vesilasin yläosassa. Ollakseen varma missä hävinnyt vedenpinta on, joutuu miehistö lisäämään vettä kunnes vedenpinta näkyy vesilasissa.

Alla olevassa tiedostoliitteessä annetaan Hv1 (H8) veturin kattilan tilavuudeksi 6,2 m3 (yllä 7,4 m3) ja vesitilaksi 4,6 m3 ja höyrytilaksi 1.6 m3 (yllä arvioitu 2,2 m3).

Muut arvioni olivat:
Hr1 93,0 t - 83 t = 10 t  / 0.7 = 14 m3 koko kattila  > 4 m3 höyryä.  
Löysin seuraavia tietoja:  Hr1 kattilan tilavuus  11,5 m3, Vesitilavuus 8,1 m3 ja Höyrytilavuus 3,4 m3

Tv1 61,5 t - 55,6 = 5,9 t / 0.7 = 8,4 m3 koko kattila > 2.5 m3 höyryä
Löysin tietoja: Tv1 kattila 7,13 m3

Lopuksi on hyvä muistaa, kun tutkitaan vanhoja laskutikulla suoritettuja laskelmia, jotka on tehty ennen 4 desimaalia näyttäviä laskimia, että laskelmia on pyöristetty. Samalla tavalla pyöristin H8 (Hv1) veturin litralukuja yllä olevassa vertailussa arvaus/tietoliite.
 

[Juha Vuorinen]

Tällainen (ks. liite) löytyy sidottuna Airaksen väliin.

[Ilkka Hovi]

Hyvä painos Airaksesta. Laskelmista voisi sanoa "close enough"   

[Jaakko Mäkilä]

Ominaispainoissa taisi mennä yksiköt väärin päin t/m3 -> m3/t, tilavuudet oikein.

Sitten kaipaisin itsekin kommentteja kun termodynamiikka ei ole kovin hyvin hanskassa. Ihannekaasun tilayhtälöt p2=(V1/V2)exp1,3xp1  ja  T2=(V1/V2)exp0,3xT1  Näistä KelvinExelöimällä taulukot:

täytös     paisunta   lähtölämpöt.  loppulämpöt alkupaine loppupaine

0,2          5               347,7           110              12            0,60
0,3          3,33          276,6           110              12            1,72
0,4          2,5            231,2           110              12            2,95
0,5          2               198,5           110              12            4,28
0,6          1,67          173,4           110              12            5,69
0,7          1,42          152,5           110              12            7,18
0,8          1,25          136,5           110              12            8,73
0,9          1,11          122,3           110              12            10,34
1,0          1               110              110              12            12

Alkulämpötila laskettu niin että höyry jäähtyisi 110 asteeseen lähtiessään sylinteristä. Loppupaine eri täytöksillä Jumpon tapauksessa. Menivätkö oikein?

Taulukosta voisi päätellä että ilman tulistusta Jumpon täytös pitäisi olla yli 50% ilman että lauhtumista tapahtuisi. Loppupaine voisi vastata jollain tavalla hyvinkin Ivalon kirjan arvoa 0,2bar vetopuhaltimessa tietenkin tulistetulla höyryllä.

Yhtälöt ovat tietenkin ihannekaasun tilayhtälöitä ja lämpöhäviöt ja kuristus kanavissa ym. vaikuttavat arvoihin.

[Jaakko Mäkilä]

Tarkennus edelliseen, täytös 20% kattilapaine 12bar ->loppupaine 0,6bar tulistetulla höyryllä (vetopuhallin 0,2bar).

Minua on kiinnostanut kuinka paljon kattilan veteen on sitoutunut lämpöä (liittyen myös netissä aikanaan käytyyn keskusteluun veturien kiihtyvyyksistä).

Olen korjannut höyrypesureita joissa pannuun mahtuu n. 5kg vettä ja paine on 5...7bar. Laitteen päällä on 3/8 tuuman palloventtiili täyttöä varten. Jos antaa veden kuumentua loppupaineeseen ja sen jälkeen avaa täyttöventiilin, puhaltaa laitteesta arviolta pari minuuttia höyryä venttiili täysin auki.

Tv1:n pannuun sitoutunut lämpömäärä nostettuna työpaineeseen (20 -> 191,61 astetta) on n.3173MJ eli 880kWh. Omakotilalon n. 2,5 viikon keskim. lämmöntarve???

Tv 1:n kulkemaksi matkaksi veteen sitoutuneella lämpöenergialla kun kattilan paine laskee 12bar...1bar sain seuraavat tulokset:

1km  märkä höyry (täytöstä nostetaan paineen laskiessa niin että loppulämpötila on   
        110astetta (täytös 54...92%).

15km tulistettu höyry 350 astetta, täytös aina 20%

478m tulistettu höyry 350 astetta, täytös aina 100% paine laskee 12..10bar

Nämä siis pelkästään veteen sitoutuneella energialla (+tulistus). Hyvällä tulella veturia voisi varmaankin ajaa reilusti yli kilometrin paineen paljoa laskematta 100%:n täytöksellä ja teoriassa.

Menivätköhän laskuni oikein ja entä käytännössä? Miten Tv1:n tulistuslämpötila laskee eri kulutuksilla käytännössä?? Kuljettajien kommentteja??

[Ilkka Hovi]

Hankalia kysymyksiä. Tartun tuohon kysymykseen veturin kulkemasta matkasta. Ensimmäisenä tulee mieleen, että höyryveturikattilat on tehty keittämään höyryä tulipesästä saatavalla lämpöenergialla. Siis veturi on tarkoitettu vetämään junaa koko ajan. Jos ajatellaan, että tuli olisi sammutettu ja halutaan tutkia kuinka pitkälle veturi voi kulkea ilman junaa, on kysymyksessä lähinnä höyrysäiliöveturia vastaava tapaus. Käytännössä veturin kulkemista kokeiltaessa pitää jarrujärjestelmän olla ilman ilmaa, sillä ilmapumppu lopettaa toiminnan noin 4 bar paineessa (saa korjata en tarkistanut), jolloin jarrut menevät päälle ja koe keskeytyy.
Höyrysäiliöveturin kulkemalle matkalle on annettu kaava Toijalan Veturimuseon kirjassa "Raskas Sekajuna" ISBN 952-90-8754-3, Toijala 1997. (Muutos tekstiin.) Kaavioon kaksi on merkitty 1000 kg kuumavesimäärän kehittämän höyrynmäärä kun alkupaine on 20 kg/cm2 ja loppupaine on  9 kg/cm2. Sittenhän kaaviota voidaan käyttää millaista paine-eroa lukija haluaa tutkia ja arvioida tuota 1000 kg kuumavesimäärän kehittämää höyrymäärää.

Muutin tekstiä paremmin ymmärrettäväksi ?

[Jaakko Mäkilä]

Lähinnä mietin että miten kattilan veteen sitoutunut lämpömäärä vaikuttaa (auttaa) veturia kiihdytettäessä kun tehontarve ja täytös on suuri. Kattilatehohan ei riitä jos veturia jatkuvasti ajetaan isolla täytöksellä vaan paine pikkuhiljaa laskee.

Tietoa näköjään löytyy jos vain osaisi hakea oikeista paikoista.

Omissa laskuissani käytin tilavuuden perusteella laskettuja kg-arvoja työpaineen lämpötilassa. Kun kaavassa on monta muuttujaa ja vastaavia funktioita ei ollut käytettävissä laskin 1 bar:n välein saatavan höyrymäärän excel-taulukossa 12..11..10bar.. jne, jolloin tulos ei ole varmasti tarkka. Ketkä hallitsevat integroinnin voivat laskea tarkemmin.

Veden höyrystymislämpö, paino, ja ominaislämpökin muuttuvat koko ajan kun paine laskee. Lisäksi höyryn mukana lähtee vettä pisaroina ja osa höyrystä lauhtuu (tulistus on tärkeää) joten laskemalla ei tarkkoja arvoja varmasti saakaan. Ja kun kaavat lisäksi ovat ihannekaasuille.

Kun kattilassa oleva reservi tiedetään ja kattilan höyrystyskyky hyvällä tulella (tulistus?), voidaan arvioida millaisia matkoja voidaan kiihdyttämiseen käyttää ja vastaavatko käytännössä. Olisi mielenkiintoista laittaa paineanturi kattilaan ja vetokoukkuun painoanturi ja katsoa miten  ko. asiat ovat käytännössä.

No ehkä meni turhan teoreettiseksi!!

[Eljas Pölhö]

JM ja IH: ei mennyt liian teoreettiseksi. Nyt vasta alkoi mennä kiinnostavaksi. Jatkakaa, olkaa hyvät!

[[Tunnus poistettu]]

Tuollaista koetta voisi hieman vaikeuttaa sekin ettei veturin tehosta pysty liikkeellelähdössä käyttämään kaikkea koska pyöristä loppuu pito. Esim. Dr14 lisäpainoilla varustettuna alkaa lyödä ympäri kuivallakin kelillä 8-9 ajoportaalla, Dv12 sietää 11-12 porrasta. Moottorin antamasta tehosta ei ole käytössä vielä puoltakaan. Vähäisen höyryveturin ajokokemukseni mukaan höyrykone on vielä herkempi lyömään ympäri, joten kokeesta tulisi teoreettinen. Tehon laskemiseksi on kaava joka ei ole muistissani, se oli vek. kurssilla liitutaululle esitettynä n. 2,5 metriä pitkä. Tuolla kaavalla laskettuna saadaan aika todellinen teho. Kaavassa on otettu mukaan junan kulkuvastus ym. seikat. Täytyy selata vanhoja arkistoja jos kaava jostakin löytyy. Tai ehkä se sattuisi olemaan jollakin muistissa aivorasiassa?

[Ilkka Hovi]

Höyryveturi on siitä vekkuli laitos, että mitä enempi höyryn kulutusta sen paremmin laite myös kehittää höyryä. Voisi vaikka kutsua itse säätäväksi. Suunnittelussa kattilan kokoa määräsi paljonko höyryä piti keittää ja siihen tuottoon piti saada riittävä tulipinta sekä arina (tai öljypoltin). Tuo tehontarve kaava on saatavilla kirjoista helposti.
Pitänee kaivaa esille tai jos joku laittaisi sen tänne vaikka nopeammin.

[Jaakko Mäkilä]

Se ympärilyönti onkin hieman asioita sekoittava... Veturin täytöstäkään ei kannata nostaa 100%:iin koska kiertokanki männän päätyasennoissa on epäedullisessa asennossa ja mäntävoima välittyy pyörille vain osin.

Missäköhän nopeudessa Pekan tai Jumpon saa vielä lyömään ympäri. Englantilainen A1 Tornado löi vielä 110 km/h nopeudessakin ja ei varmaankaan täydellä täytöksellä, teho kylläkin ukkopekkaa isompi. Jumpon ja Ukkopekan sylinterin koko on karkeasti aika samaa luokkaa mutta höyrykanavat Pekassa huomattavasti suuremmat. Jumpon poistosola varsinkin on pieni niin että höyry lähtiessään luistihäkistä pääsee vapaasti vain toiselta puolelta häkkiä poistosolaan.

Mutta höyrynkulutusta arvioitaessa se tulistus vaikuttaa saatavan höyryn tilavuuteen, Pystyykö Pekan tai Jumpon tulistin pitämään lämpötilan korkealla.

[Ilkka Hovi]

Vetopyörien alkaminen luistaa on kitkasta kiinni. Turvallinen arvo veturille on hankauspaino / vetovoima = 4.0 Jos tämän alle on veturi herkkä luistamaan jos yli vaatii luistaminen kitkan pienentämistä esim sadetta, jäätä tai lehtiä kiskoilla. Ivalo tosin antaa hankauspainon arvoiksi 5-7 kertaa vetovoima pyöränkehällä. Ivalossa todetaan myös että parhaimmillaan (hiekoitetulla raiteella) päästään vetovoimaksi 25% hankauspainosta.
Ulkomailla annetaan minimiarvoksi hankauspainoksi 4.3  vetovoima ja kolmi- tai nelisylinterisille kaksoisvetureille voidaan mennä alas arvoon 3.5. Nyt on kuitenkin otettava huomioon, että ulkomaalaiset laskentakaavat käyttävät vetovoiman laskemiselle kertoimena 0.8 tai 0.75 kun VR käyttää 0.65. Voidaan todeta hyvän nyrkkisäännön olevan hankauspaino per konevoima on 4.
Lähelle menee Tv1 on 4,6 (12 kg/cm2 kattila) tai 4,2 ( 13 kg/cm2 kattila), VR:n 0.65:llä
(lisätään vielä hankauspaino kg, vetovoima kg)

[Jaakko Mäkilä]

Oliko Pekan kattilateho 1600hv / 1176,8kW? Katselin Ivalon kirjaa 2.painos s.163 jossa ukkopekalle ilmoitettu höyrytysmäärä olisi n. 2400kg/h/arina m2. Eli 2400kg/h x 3,54m2 = 8496kg höyryä/h! Mitä kattilateholla oikeastaan tarkoitetaan? Tuleeko tulistinteho kattilatehon päälle vai lasketaanko tulistinteho kattilatehoon? Laskekaahan kuinka suuri teho tuon 8,5t keittämiseen /h vaaditaan ja paljonko 1600 hv:llä keittyy/h. Höyrystymislämpö 15bar normaalipaineessa on 1933,2 kJ/kg ja 0bar paineessa 2257,9.

Kuinka kauan (h) Pekan tenderillisellä ajaa linja-ajoa noin hyvin suurinpiirtein?

[Ilkka Hovi]

VR laski tehon laskennallisen tehon Ni  kaavalla (H x b ) / q jossa H on tulenkoskettama tulipinta m2,
b =  57 kg/m2h (niin kutsuttu kattilan tehoraja, kun tulipinta lasketaan tulenkoskettamana eli sisäisenä tulipintana),
q = vakio 7 kg/hv h ( kaksoistulistin veturi).
Normaalilaskuissa voitiin käyttää myös Ni = 8,14 H (tulistajaveturit), jolloin saadaan sama 1591 hv.
Märkähöyryvetureille oli käytössä kaava Ni = 5,18 H.

Hr1 hiilitila riittää Hki-Tpe-Hki ajoon keskiraskaalla junalla. Vettä piti ottaa Tampereella. Ilmeisesti sama Kouvolaan.

[Jaakko Mäkilä]

Ok! Sitten lisää teoreettista pohdintaa ja vertailua hiili-Tv1:n ja Hr1:n välillä. Laskukaavalla saadaan Tv1:n (käytettävissä olevaksi indikoiduksi kone)tehoksi 1008hv ja Hr1:n tuo 1591hv. Muistin Tv1:n tehoksi 1150hv.

Kun kaava ei huomioi paineen vaikutusta eri kattiloita verratessa, meneeköhän metsään jos laskenkin Ivalon taulukon s.568 mukaan vakion q arvolla 6,45kg/hvh jolloin Hr1:n (kattila)tehoksi tulisi 1727hv? Ehkä vielä hieman isompikin pienemmästä höyrystymislämmöstä johtuen (b muuttuisi myös).

Koska Tv1:n ja Hr1:n arinapinnan ja tulipinnan suhde on suunnilleen sama 1/54 ja 1/55 ja Jumpolle muistamani teho on 14% laskettua suurempi. Nyt kysymys kuuluu, voidaanko Pekan kattilasta saada samalla tavalla likemmäs 2000hv?  Onkohan huomioitu myös lämmittäjän jaksaminen?

Selittääkö eron kankikoneiston hyötysuhde? Olettaen Jumpon höyrykanavat kuristavimmiksi kuin Pekan, ei Jumpon konetehon pitäisi olla mainittu 1150hv.

[Jaakko Mäkilä]

Ja heti perään korjausta: Tv1:n 13bar kattilalla laskettu teho olisi 1038hv ja vastaavasti Hr1:n 10,8% suurempi eli 1914hv.