蒸汽機車的動力型式-王弘明撰

日前,穿越時空,在阿里山林業鐵路梨園寮車站,遇到蘇東坡,吟詩曰:

人皆養子望聰明,我被聰明誤一生。

惟願孩兒愚且魯,無災無難到公卿。

在現今社會中,「蘇東坡」型的父母可說是鳳毛鱗角,當牙牙學語孩兒,能背誦唐詩三百首,哪個父母不雀躍萬分?此時談「過早學習」、「智力是不能催熟」,絕對是忠言逆耳。

由於鐵路與生俱來的知識性,攜兒帶女搭乘阿里山火車的家長,對知性的殷盼更甚於浪漫,因而發生許多「解說慘劇」,底下是分享在阿里山林業鐵路及文化資產管理處志工群組的文章,對所有涉及鐵路的解說者,或稍有避免「慘劇」之助,分享如下:

飽和與過熱

是否曾被天真可愛的小小鐵道迷問過:為何台鐵的 CT273 蒸汽機車女王時速可高達 100 公里?阿里山的 28 噸卻只有十幾公里?若忍心以年齡優勢抹殺民族幼苗旺盛求知慾,那可不只是面子問題,更是對人性與理性的嚴苛考驗。

面對此問題,您若以齒輪傳動來回覆,仍不足以完美解釋兩種機車的性能差異,影響蒸汽機車動力輸出,最根本的因素是蒸汽壓力,火車的鍋爐有過熱式、飽和式這兩種不同的型式。

蒸汽機車的動力,來自鍋爐產生的水蒸汽,導入汽缸推動活塞,產生動力讓車輪運轉。鍋爐水轉換為蒸汽的燃燒過程,是在引擎外部發生,所以稱為外燃機,與汽油引擎或柴油引擎的內燃機不同。

燒開水時,沸騰的力量會讓茶壺蓋跳動,但足以推動機關車牽引列車嗎?當然不行,力量太小了,因為燒開水是開放空間,蒸氣的壓力頂多就是一大氣壓力,在平地100℃沸騰時的壓力是1033.6 g/cm2,這力量無法讓火車行進。水沸騰的溫度與壓力有關,海拔越高,大氣壓力越低,沸騰溫度就越低。例如在高山,若大氣壓力降到平地的三分之一時,不到75℃水就沸騰了,所以在山上用傳統鍋具,生米是煮不成熟飯的。相反,若是在密閉空間,當越多液體變成氣體,空間內壓力就越高,水的沸騰溫度也隨之升高。

火車的鍋爐即是密閉空間,隨蒸汽增加壓力會加大,鍋爐能產生多大的蒸氣壓力呢?首先要認識一個名詞「飽和蒸汽壓」,何謂飽和蒸汽壓?請看下圖說明:

王弘明繪製

飽和式蒸汽機車

依上圖說明,在密閉空間中,水的沸騰溫度越高,壓力也越大,不過可不是無上限的升高,溫度高到某一特定值以後,壓力上升的幅度就漸漸減小了,到最後即使猛加火力讓溫度上升,蒸氣壓力也難超越極限。以阿里山的 Shay 機車而言(其它飽和型機車也一樣),在 181.2℃ 時,可產生每平方公分 11.2 公斤左右的壓力,如果再持續提升溫度,壓力上升有限,與所花費的燃料相比很不划算,而且不管如何加熱,到 200.4℃ 就是極限了。

原檔來源:https://www.engineeringchoice.com/what-is-locomotive-boiler/   王弘明改製

這種以飽和蒸汽壓力運轉的機車,稱為飽和式蒸汽機車,飽和式蒸汽機車若想輸出更強力量,猛加燃料效果不大,只能以加大汽缸、活塞及相關設備來提升,但機械尺寸加大也是有限制的,且越大的機件問題越多,因此就有「過熱式」蒸汽機車出現。

過熱式蒸汽機車

過熱式的原理,是將達到飽和蒸汽壓力的蒸汽,再度加熱以提升其蒸汽壓力。方式很簡單,就是讓蒸汽再繞入火管內持續加熱,燃料的增加有限,卻可使蒸氣壓力提高到每平方公分 16 公斤以上,除較早期的型式外,多數的蒸汽機車都採用過熱式,速度可超過每小時 100 公里。

原檔來源:https://en.m.wikipedia.org/wiki/Firebox_(steam_engine)   王弘明改製

如何將上述的原理,化成簡單有趣,且容易理解的解說內容,就要考驗【解說員】的智慧了,畢竟人家花錢可不想只聽陳腔濫調,所有望子成龍的家長都期盼知性之旅,讓他們失望,就太欠缺職業道德了!

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