Циклы работы парового двигателя

212 лет паровому автомобилю! 7 мифов о паровой тяге

24 декабря 2013

Ровно 212 лет назад, 24 декабря 1801 года, в небольшом английском городе Камборне механик Ричард Тревитик продемонстрировал общественности первый автомобиль с паровым двигателем Dog Carts. Сегодня это событие можно было бы смело отнести в разряд хоть и примечательных, но несущественных, тем более что паровой двигатель был известен и ранее, и даже применялся на транспортных средствах (хотя назвать их автомобилями было бы очень большой натяжкой)… Но вот что интересно: именно сейчас технический прогресс породил ситуацию, поразительно напоминающую эпоху великой «битвы» пара и бензина в начале XIX века. Только бороться предстоит аккумуляторам, водороду и биотопливу. Хотите узнать, чем все закончится и кто победит? Не буду подсказывать. Намекну: технологии ни при чем…

1. Увлечение паровыми двигателями прошло, и наступило время двигателей внутреннего сгорания. Для пользы дела повторю: в 1801 году по улицам Камборна покатился четырёхколёсный экипаж, способный с относительным комфортом и небыстро перевозить восемь пассажиров. Автомобиль приводился в движение одноцилиндровым паровым двигателем, а топливом служил уголь. Созданием паровых транспортных средств занялись с энтузиазмом, и уже в 20-х годах XIX века пассажирские паровые омнибусы перевозили пассажиров со скоростью до 30 км/час, а средний межремонтный пробег достиг 2,5–3 тыс. км.

Теперь сопоставим эти сведения с другими. В том же 1801 году француз Филипп Лебон получил патент на конструкцию поршневого двигателя внутреннего сгорания, работавшего на светильном газе. Случилось так, что через три года Лебон погиб, и развивать предложенные им технические решения пришлось другим. Лишь в 1860 году бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар собрал газовый двигатель с зажиганием от электрической искры и довёл его конструкцию до степени пригодности к установке на транспортное средство.

Итак, автомобильные паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания — практически ровесники. КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%.

2. Паровая тяга — всего лишь краткий миг в истории прогресса. Начавшись в 1801 году, история парового транспорта активно продолжалась без малого 159 лет. В 1960-м (!) в США всё ещё строились автобусы и грузовики с паровыми двигателями. Паровые машины за это время усовершенствовались весьма значительно. В 1900 году в США 50% парка автомобилей были «на пару». Уже в те годы возникла конкуренция между паровыми, бензиновыми и — внимание! — электрическими экипажами. После рыночного успеха «Модели-Т» Форда и, казалось бы, поражения парового двигателя новый всплеск популярности паровых авто пришёлся на 20-е годы прошлого столетия: стоимость топлива для них (мазут, керосин) была значительно ниже стоимости бензина.

Фирма Stanley производила до 1927-го примерно 1 тыс. паровых автомобилей в год. В Англии паровые грузовики успешно конкурировали с бензиновыми до 1933 года и проиграли лишь по причине введения властями налога на тяжёлый грузовой транспорт и снижения тарифов на импорт жидких нефтепродуктов из США.

3. Паровая машина неэффективна и неэкономична. Да, когда-то это было именно так. «Классический» паровой двигатель, который выпускал отработанный пар в атмосферу, имеет КПД не более 8%. Однако паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 25–30%. Паровая турбина обеспечивает 30–42%. Парогазовые установки, где используются «в связке» газовые и паровые турбины, имеют КПД до 55–65%. Последнее обстоятельство подвигло инженеров компании BMW начать проработки вариантов использования этой схемы в автомобилях. К слову сказать, КПД современных бензиновых двигателей составляет 34%.

Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на перегретом (сухом) пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, составляет всего 40% от прежнего.

4. Паровой двигатель медленно запускается. И это было когда-то… Даже серийные автомобили фирмы Stanley «разводили пары» от 10 до 20 минут. Усовершенствование конструкции котла и внедрение каскадного режима нагрева позволило сократить время готовности до 40–60 секунд.

5. Паровой автомобиль слишком нетороплив. Это не так. Рекорд скорости 1906 года — 205,44 км/час — принадлежит паровому автомобилю. В те годы автомобили на бензиновых моторах так быстро ездить не умели. В 1985-м на паровом автомобиле разъезжали со скоростью 234,33 км/час. А в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид» с паровым приводом мощностью 360 л. с., который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде — 241,7 км/час.

6. Паровой автомобиль дымит, он неэстетичен. Рассматривая старинные рисунки, на которых изображены первые паровые экипажи, выбрасывающие из своих труб густые клубы дыма и огня (что, кстати, свидетельствует о несовершенстве топок первых «паровиков»), понимаешь, откуда взялась стойкая ассоциация паровой машины и копоти.

Что касается внешнего вида машин, дело тут, конечно, зависит от уровня дизайнера. Вряд ли кто-то скажет, что паровые автомобили Абнера Добля (США) некрасивы. Напротив, они элегантны даже по теперешним представлениям. И ездили к тому же бесшумно, плавно и быстро — до 130 км/час.

Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой… водяной пар.

7. Паровой двигатель капризен. Это неправда. Он конструктивно значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Однако этим дело не ограничивается. В силу принципов работы паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине транспортные средства на паровой тяге исключительно хорошо подходят для использования в высокогорье, на тяжёлых горных перевалах.

Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он, кстати, схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач — сами по себе весьма сложные и порой капризные механизмы.

Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Термодинамика и тепломассообмен

Термодинамические циклы

Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела.

3. Циклы паротурбинных установок

Рассмотрим установку, работающую по циклу Карно, где в качестве рабочего тела будет выступать не абстрактный газ, а водяной пар. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух изобар, следовательно такая установка должна включать в себя четыре обязательных элемента: паровой котел в котором подводится теплота (горячий источник), конденсатор для отвода теплоты (холодный источник), паровую турбину, в которой будет происходить расширение пара, а также устройство для повышения давления.

Такая установка работает следующим образом – в паровой котел поступает влажный водяной пар малой степени сухости $x$. За счет сгорания в топке котла топлива (уголь, мазут, природный газ и др.) к влажному пару подводится теплота, и степень сухости пара x повышается до значений, близких к единице. Процесс подвода теплоты в котле происходит при постоянном давлении $p_1$ и постоянной температуре $T_1$, т.е. изобарно-изотермический подвод тепла. Из котла пар поступает в паровую турбину. При расширении в турбине (адиабатный процесс) поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превращается в кинетическую энергию вращения рабочего колеса и затем в электроэнергию с помощью электрогенератора, вращаемого турбиной. На выходе из турбины влажный пар имеет давление $p_2$ и соответствующую этому давлению температуру $T_2$. Далее пар поступает в конденсатор – теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится теплота, пар конденсируется и, следовательно, степень сухости пара уменьшается. Процесс отвода теплоты от пара в конденсаторе осуществляется при постоянном давлении $p_2$ и постоянной температуре $T_2$, т.е. идет изобарно-изотермический отвод тепла. После конденсации влажный пар поступает в компрессор, в котором он сжимается (адиабатный процесс) до давления $p_1$. Затем влажный пар вновь поступает в котел, и цикл замыкается. Таким образом, на участке цикла от выхода из компрессора до входа в турбину давление рабочего тела равно $p_1$, а на участке цикла от выхода из турбины и до входа в компрессор давление рабочего тела равно $p_2$.

Читать еще:  Двигатель aar какое масло заливать

Описанный цикл изображен на $T-s$ диаграмме ниже.

Подвод теплоты $q_1$ к пару в котле осуществляется по изобаре-изотерме 4-1, процесс расширения в паровой турбине по адиабате 1-2, отвод теплоты $q_2$ в конденсаторе по изобаре-изотерме 2-3, сжатие пара в компрессоре по адиабате 3-4.

Термический КПД обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре, как и цикла Карно с любым другим рабочим телом, определяется уравнением:

Реальный цикл, осуществляемый во влажном паре и состоящий из двух изобар-изотерм и двух адиабат, условно изображен на рисунке ниже с учетом необратимых потерь на трение при расширении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре.

Здесь $S_2-S_1$ это увеличение энтропии пара в процессе адиабатного расширения, обусловленное трением, а $S_4-S_3$ это увеличение энтропии пара при его сжатии в компрессоре. С учетом условий работы теплосилового оборудования практическое осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщенного пара со взвешенными в нем капельками воды, условия работы проточных частей турбины и компрессоров оказываются тяжелыми, течения – газодинамически несовершенными и внутренний относительный КПД этих машин снижается. Другими словами, подавать на турбину влажный пар нецелесообразно, так как влажный пар имеет большую скорость, и содержащиеся в нем капельки воды бомбардируют турбину, приводя ее в негодность. Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весьма громоздкое неудобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается чрезмерно большое количество энергии. По этим причинам цикл Карно, осуществляемый во влажном паре, не нашел практического применения!

Цикл Ренкина. Перечисленные недостатки, присущие паросиловой установке, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного в конденсаторе пара производить до тех пор, пока весь пар полностью не сконденсируется. В этом случае сжатию с давления $p_2$ до давления $p_1$ подлежит не влажный пар малой плотности, а вода. По сравнению с объемом пароводяной смеси, объем воды весьма мал, и ее сжимаемость пренебрежимо мала по сравнению со сжимаемостью влажного пара. Для перемещения воды из конденсатора в котел с одновременным повышением ее давления применяются не компрессоры, а насосы. Они компактные и простые по устройству, и самое главное — они потребляют весьма мало энергии для своего привода.

На рисунке ниже изображен цикл Ренкина в $T-s$ диаграмме.

В отношении термического КПД цикл Ренкина представляется менее выгодным, чем обратимый цикл Карно, поскольку степень заполнения (ровно как и средняя температура подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем для цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления цикла и значительно меньшего влияния необратимости процесса сжатия воды по сравнению со сжатием влажного пара на общий КПД цикла экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно на влажном паре. Вместе с тем замена громоздкого компрессора для сжатия влажного пара компактным водяным насосом позволяет существенно снизить затраты на сооружение теплосиловой установки и упростить ее эксплуатацию.

Для того чтобы увеличить термический КПД цикла Ренкина, применяют так называемый перегрев пара. В специальном элементе котла – пароперегревателе пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении $p_1$.

Цикл Ренкина с перегревом пара показан на следующем рисунке. В этом случае средняя температура подвода теплоты увеличивается по сравнению с температурой подвода теплоты в цикле без перегрева, и, следовательно, термический КПД цикла возрастает.

Из данной диаграммы видно, что для цикла с перегревом процесс расширения пара в турбине $1-2$, осуществляемый до того же, что и раньше, давления $p_2$, заканчивается внутри двухфазной области в районе более высоких степеней сухости $x$, чем для цикла без перегрева. Благодаря этому условия работы проточной части турбины оказываются более легкими.

Перейдем к термическому КПД цикла. Общее уравнение для термического КПД цикла выглядит следующим образом:

Поскольку процессы подвода и отвода теплоты в цикле Ренкина осуществляются по изобарам, а в изобарном процессе количество подведенной и отведенной теплоты равно разности энтальпий рабочего тела в начале и в конце процесса, применительно к циклу Ренкина имеем:

Теперь подставим $q_1$ и $q_2$ в уравнение с КПД:

Раскроем скобки и перегруппируем:

Эти два уравнения равны, просто в первом случае в числителе представлена разность подведенной и отведенной теплоты $q_1$ и $q_2$, а во втором случае в числителе представлена разность работы, полученной в турбине $h_1-h_2$, и работы, затрачиваемой на привод насоса $h_4-h_3$.

Схема установки работающей по циклу Ренкина с перегревом пара представлена ниже.

Цикл Ренкина с регенеративным подогревом. Одним из способов повышения термического КПД цикла в паротурбинных теплосиловых установках, также, как и в газотурбинных установках, применяется регенерация теплоты. В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (регенеративный отбор).

Пар конденсируется в регенеративном смешивающем подогревателе, нагревая питательную воду, поступающую в котел. Конденсат греющего пара также поступает в котел или смешивается с основным потоком питательной воды. Цикл паросиловой установки с регенерацией, строго говоря, нельзя изобразить в плоской диаграмме, поскольку эта диаграмма строится для постоянного количества рабочего тела, тогда как в цикле установки с регенеративными подогревателями количество рабочего тела оказывается различным по длине проточной турбины. Поэтому, рассматривая изображение цикла этой установки в плоскости $T-s$ диаграммы, следует иметь в виду условность этого изображения.

На участке 1-3 цикла в $T-s$ диаграмме количество рабочего тела убывает с уменьшением давления, а на участке 4-7 количество рабочего тела возрастает с ростом давления (к питательной воде, поступающей из конденсатора, добавляется конденсат пара из отборов).

При применении смешивающих регенеративных подогревателей требуется несколько насосов, поскольку повышение давления воды должно быть ступенчатым – давление воды, поступающей в смешивающий подогреватель, должно быть равно давлению пара, отбираемого из турбины в этот подогреватель. В данной схеме число насосов на единицу больше числа отборов.

Рассмотрим более подробно цикл регенеративной установки с смешивающим подогревателем. Обозначим долю рабочего тела, отводимого в отборе, как $a$. Если расход пара, поступающего в турбину, обозначить $D$, то в подогреватель отбирается $a⋅D$ кг/ч пара. Следовательно, до точки, в которой осуществляется отбор, в турбине работает $D$ кг/ч пара, за точкой отбора $(1-a)⋅D$ кг/ч пара. Соответственно в конденсатор поступает $(1-a)⋅D$ кг/ч пара.

Если рассматривать КПД, то для нашего случая уравнение примет вид:

В циклах регенеративной установки наряду с смешивающими подогревателями также используются подогреватели поверхностного типа.

Увеличение числа ступеней регенеративного подогревателя воды приводит к повышению термического КПД цикла, ибо при этом регенерация в цикле приближается к предельной. Однако каждая последующая ступень регенеративного подогрева вносит все меньший и меньший вклад в рост КПД.

Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара. Как уже отмечалось, если в турбине течет пар, имеющий значительную влажность, то гидродинамический режим проточной части турбины резко ухудшается и вследствие этого снижается КПД турбины. Для современных турбин допустимое значение степени сухости пара на выходе из турбины должно быть не ниже $x=0.86$.

Одним из способов, позволяющих это реализовать, является перегрев пара. Перегрев пара приводит к увеличению термического КПД и одновременно сдвигает в $T-s$ диаграмме точку, соответствующую состоянию пара на выходе из турбины, вправо, в область более высоких степеней сухости. Конечно, можно заявить, что мы можем дальше увеличивать термический КПД за счет повышения температуры перегрева, однако надо понимать, что дальнейшее повышение температуры ограничивается свойствами конструкционных материалов; экономическая целесообразность этого мероприятия должна сообразовываться также с увеличивающимися капиталовложениями на сооружение такой установки.

В соответствии с выше сказанным одним из путей снижения конечной влажности пара является так называемый промежуточный перегрев пара, сущность которого состоит в следующем: после того как поток пара совершил работу в турбине, расширившись до некоторого давления (обозначим $p_<пп>$, причем $p_ <пп>> p_2$, где $p_2$ – это давление на входе в конденсатор), он выводится из турбины и направляется в дополнительный пароперегреватель, размещенный, например, в газоходе котла. Там температура пара повышается до величины $T_пп$, после чего пар вновь поступает в турбину, где расширяется до давления $p_2$. Конечная влажность пара снижается.

Читать еще:  Что происходит с двигателем при бедной смеси

Схема установки с промежуточным перегревом пара представлена на рисунке ниже. В случае применения промежуточного перегрева турбина выполняется в виде двухцилиндрического агрегата, состоящего по существу из двух отдельных турбин – высокого и низкого давлений. При этом обе турбины могут быть размещены на одном валу, соединенном с электрогенератором.

После того как к воде подвели тепло $q_1$ до состояния перегретого пара (точка 1), этот пар расширился не сразу до давления в конденсаторе $p_2$, а до некоторого давления $p_<пп>$ (точка 2), причем эта точка лежит в области перегретого пара. Далее мы снова подводим тепло к нашему пару $q_1’$ до некоторого состояния в точке 3, и пар вновь совершает работу до состояния точки 4.

Тогда КПД установки можно расчитать:

Если раскрыть скобки и перегруппировать получим:

Также следует обратить ваше внимание на то, что обычно после первичного расширения пара в турбине, вторичный перегрев совершают таким образом, чтобы нагреть пар до первоначальной температуры. Промежуточный перегрев пара, который в свое время вошел в энергетику главным образом как средство борьбы с высокой влажностью пара в последних ступенях турбины, является средством повышения термического КПД цикла. В современных паросиловых установках обычно применяется не только однократный, но и двухкратных промежуточный перегрев пара.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2021. All rights reserved.

Сравнение и оценка паропоршневых электростанций с паротурбинными и газопоршневыми

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2008»

Дубинин B.C., Глотов Н.В., Королевский колледж космического машиностроения и технологий, Королёв, Московской обл.,

Лаврухин К.М., Научная группа «Промтеплоэнергетика», Москва,

Хромченко П.А., Шкарупа С.О., МАИ, Москва,

Титов Д.П., Степанова Т.А., МГАУ им В.П. Горячкина, Москва,

Алханов Д.В., Погорельский Е.И., МЭИ, Москва,

Трохин И.С., Погорельский Е.И., ГНУВИЭСХ, Москва

В России более 1/7 части населения, то есть 22 млн. человек, проживают в районах автономного электроснабжения или ненадежного централизованного электроснабжения, занимающих более 70% территории России [1]. Поэтому задача создания источников электроэнергии работающих на дешевом местном топливе является актуальной. Это позволит исключить северный завоз и без того дорогого дизтоплива, а также повысит конкурентоспособность сельского хозяйства в условиях вступления России в ВТО. Это приведёт к повышению цен на природный газ до уровня близкого к мировым ценам к 2011 г. согласно постановлению Правительства РФ от 28 мая 2007 г. №333 [2]. Последнее означает рост тарифов на электроэнергию, так как основная ее часть вырабатывается в России на газовых электростанциях. Но ведь есть дешевое местное топливо — это, как правило, твердое топливо: дрова, отходы древесины, отходы сельхозпроизводства, бурый и каменный уголь. Для получения электроэнергии из такого топлива возможно несколько способов:

1. Получение горючего газа низкой калорийности в газогенераторе обращенного процесса с последующим использованием этого газа в газопоршневом двигателе приводящим электрогенератор.

2. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы паровой турбины, приводящей электрогенератор.

3. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы поршневого парового двигателя приводящего электрогенератор.

Такой двигатель может быть:

А) Классической паровой машиной;

Б) Паропоршневым двигателем (ПОД).

Далее проводится анализ и сравнение этих типов двигателей.

До середины 50-х годов широко применялись, как источники газообразного топлива для транспортных [3,4,5] и стационарных (привод электрогенератора) двигателей внутреннего сгорания слоевые газогенераторы на специально подготовленном топливе (высушенные чурки лиственных пород или древесный уголь). Низкая калорийность получаемого газа в таких газогенераторах объяснялась забалластированностью его азотом и углекислым газом, так как применялось воздушное дутье и азот воздуха переходил в генераторный газ. Кроме того, для уменьшения смолы в газе для работы на чурках применялся обращенный процесс [3,4,5], что дополнительно снижало калорийность газа примерно до 1000 ккал/куб.м.

Рассматривая использование генераторного газа, как топлива газопоршневых двигателей необходимо отметить, что падение мощности двигателя составляет 60 %. Это показано теоретически и подтверждено экспериментально в [3]. Там же говорится, что путём повышения степени сжатия можно снизить падение мощности до 35 %. Приведённые выше данные о падении мощности относились к довоенным двигателям с очень низкой степенью сжатия, например двигатель трактора «Фордзон» имел степень сжатия 3,94 [3]. Поэтому повышение степени сжатия до 7 давало заметный эффект [3]. Перевод серийно выпускаемых сейчас бензиновых и дизельных двигателей со степенью сжатия 7-15 на генераторный газ приведёт к падению мощности, которую уже нельзя компенсировать увеличением степени сжатия. Таким образом вывод, в работе [3], о тупиковое™ использования генераторного газа в серийных двигателях сейчас ещё более актуален, чем в 1934 г.

Если сопоставлять газопоршневой двигатель с паросиловой установкой использующей водяной пар, то по чисто термодинамическим причинам (цикл Карно) его экономичность будет выше, так как температура продуктов сгорания выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов котлов. Уже в 2000 г. зарубежные судовые дизели достигли КПД 58 % [6]. Однако, в работе газогенераторной установки горючий газ, имеющий высокую температуру, надо охлаждать перед подачей в поршневой двигатель. Это приводит к сбросу во внешнюю среду примерно 20 % теплоты сгорания твердого топлива и делает её не конкурентоспособной с паросиловой установкой на базе классической паровой машины с достаточно высокими параметрами пара. Достоинством паросиловых установок на базе классических паровых машин является практически постоянный удельный расход топлива при изменении нагрузки в широких пределах, в отличии от двигателей внутреннего сгорания при работе тех и других на синхронный электрогенератор, то есть при постоянной частоте вращения.

Это обеспечивает высокую экономичность электростанции при её работе автономно, так как электрическая нагрузка может меняться в очень широких пределах. Принципиальное отличие паросиловых установок от газовых двигателей является наличие накопителя значительной энергии в виде котла, выполняющего роль пароводяного аккумулятора, и стабильность рабочего тела. Это означает, что кратковременные нарушения в работе топки, например, при загрузке её топливом, не могут привести к остановке машины. Газогенераторный двигатель использует газ, состав которого меняется в процессе выгорания топлива или при загрузке газогенератора топливом, а это приводит к остановке двигателя. Прекращение выработки электроэнергии может привести к очень тяжелым последствиям. В [7]

указывается: «В отношении надежности газовая машина требует более тщательного ухода, чем паровая машина. По крайней мере, по данным профессора Mayer’a поршень газовой машины необходимо вынимать и чистить каждые полгода, а клапаны -притирать ежемесячно или через каждые два месяца».

Учитывая все вышесказанное, газопоршневые двигатели целесообразно применять для работы на высококалорийном газе в тех районах, где произведена газификация газом. Рассматривая же комбинированную выработку электро и тепловой энергии (когенерация) необходимо приводить технико-экономический анализ для каждого конкретного населенного пункта. Это обусловлено тем, что утилизировать тепловую энергию выхлопных газов газопоршневого двигателя гораздо сложнее, чем тепловую энергии выхлопного газа паровой машины. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стальной стенке в 10-100 раз выше, чем от выхлопных газов. Поэтому если для пара достаточно стандартного бойлера, то котел-утилизатор выхлопных газов должен иметь поверхность теплообменника в 10-100 раз большую и соответственно более высокую металлоемкость и сложность конструкции. Паровая машина или паропоршневой двигатель могут оказаться предпочтительней, если вне отопительного сезона максимальная электрическая мощность меньше чем произведение полного КПД паросиловой установки на сумму тепловой и электрической мощности. В этом случае весь пар будет полезно использован. Такой сравнительный технико-экономический анализ может провести научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика».

Сопоставим теперь паровые турбины с поршневыми паровыми двигателями. Понятие «Паропоршневые двигатели» (ППД) было впервые введено в научный оборот научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ в 2003 г. [8] и опубликовано в научном журнале в 2006 г. [9]. Это высокооборотные паровые машины с частотой вращения более 1000 об/мин при этом ход и диаметр поршня ППД в несколько раз меньше чем у паровых машин равного рабочего объема. Это позволяет иметь сопоставимую с паровыми машинами скорость поршня при большей частоте вращения, а необходимый рабочий объем набирается путем применения нескольких одинаковых по геометрии и рабочему процессу цилиндров, пар через которые проходит параллельно.

Паропоршневые двигатели для энергетики, как правило, создаются на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и являются паровыми машинами одностороннего действия. Использование изобретений сотрудников научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» позволяет сохранить практически всю конструкцию исходного двигателя, измению подлежит лишь механизм газораспределения. Это обеспечивает низкую стоимость в связи с тем, что исходные двигатели автомобилей и тракторов являются продукцией крупносерийного производства. С другой стороны такой подход сохраняет преемственность с паровыми машинами по рабочему процессу и дает возможность сравнивать параметры ППД с паровыми турбинами, опираясь на опубликованные результаты испытаний паровых машин.

Читать еще:  Ямаха джог априо какой двигатель

Сравнение поршневого двигателя и турбины (обои внешнего сгорания) впервые было проведено в работе [10]. Оптимальная частота вращения ППД в 160 раз меньше турбины, что позволяет приводить им электрогенератор промышленной частоты и промышленное оборудование напрямую, без использования редуктора. Давление на выходе из турбин близко к нулю, в то время как давление на выходе этого ППД

1,4 ат. То есть он может работать на водяном пару с противодавлением, осуществляя комбинированную выработку электроэнергии и тепловой энергии.

Сопоставляя в [11] удельный расход пара паровой машины постройки 1921 года и современных паровых турбин, составляющих в настоящее время основу энергетики России можно видеть, из таблицы 1, что они близки:

При автономной выработке электроэнергии, необходимо поддержание стабильной частоты тока 50 ± 0,2 Гц, то есть ± 0,4 % (ГОСТ 13109-9723). Для дизель-генераторы ГОСТ 13822-83 предусматривает отклонение частоты в установившихся режимах ± 1 %, а в переходных ± 5 %. В турбинах необходим автомат безопасности, так как при сбросе нагрузки они уходят в разнос. Паропоршневой двигатель может быть спроектирован так, чтобы «Разносная» частота вращения соответствовала максимальной частоте вращения исходного дизельного или бензинового двигателя. Одним из авторов статьи была предложена, возможность самостабилизации частоты вращения тепловых двигателей дискретного действия к которым относятся газопоршневые и паропоршневые двигатели [12, 13].

Вывод таков, что паропоршневые двигатели, работающие в составе паросиловой установки твердого топлива, имеют преимущества перед другими способами выработки электроэнергии из твердого топлива в значительном диапазоне параметров электропотребления.

ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Область применения: в энергетических, компрессорных, насосных, вентиляционных установках, транспортных машинах. Задача: повышение коэффициента использования теплоты сгорания топлива при одновременном получении электроэнергии и тепла, а также улучшение весогабаритных характеристик и экономических параметров парового двигателя. Технический результат: для более полного использования энергии сгорания топлива в парогенераторе благодаря одновременному получению электроэнергии или механической работы и тепла в качестве силовой расширительной машины применен серийный роторно-поршневой двигатель, а в качестве утилизатора тепла отработанного пара применен теплообменный аппарат — конденсатор.

Агрегатная мощность парового двигателя может увеличиваться за счет увеличения количества автономных парогенераторов, одновременно работающих в комбинации с одним паровым двигателем. Но, при работе парового двигателя с малыми нагрузками отдельные парогенераторы выключают, достигая в этом случае экономии топлива и ресурса и еще более высокой экономичности силового агрегата, т.к. работающие парогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме.

Паровой двигатель, состоящий из парогенератора, конденсатора, конденсатного насоса и расширительной машины, отличающийся тем, что в качестве расширительной машины применен роторно-поршневой двигатель.

Полезная модель относится к паровым машинам, в частности, к паровым двигателям.

Существуют различные типы паровых двигателей. Это поршневые паровые машины (паровозы, пароходы, локомобили), паротурбинные (ТЭЦ, корабли), паровые детандеры и др. В настоящее время в мире и России введутся исследования по применению паропоршневых машин на основе серийных двигателей внутреннего сгорания. (См. статью Дубинина B.C. и Лаврухина К.М. «К вопросу о применении паропоршневых машин», журнал Турбины и дизели №2 2006 г. с.16-19).

При работе парового двигателя под воздействием давления пара, полученного в парогенераторе или паровом котле, на поршни двигателя происходит получение полезной работы. При этом в двигателе происходит расширение пара.

Поршневая паровая машина является первым тепловым двигателем, получившим в свое время широкое промышленное применение. В 19 веке почти вся энергия, используемая человеком, производилась с помощью паровых машин, которые сыграли исключителью роль в прогрессе промышленности и транспорта *См. «Паровая машина», Советский энциклопедический словарь 1981 с. 981).

Даже первые автомобили были с паровыми двигателями.

С появлением паровых турбин паровые машины оказались невостребованными, особенно в электроэнергетике при централизованном энергоснабжении с разветвленными энергосетями. Однако в настоящее время надежность централизованного электроснабжения понизилась, а стоимость возросла. Поэтому автономное энергообеспечение становится востребованным.

В этой связи за рубежом вполне обоснованно осваивается производство современных паровых двигателей, позволяющих в автономных условиях, используя местное топливо, получать с меньшими затратами и не меньшей эффективностью электроэнергию и использовать отходящее тепло.

Отечественная промышленность производит паровые котлы малой мощности с топками для различных видов топлива, генераторы, эффективные теплообменные аппараты — не выпускаются только паровые машины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является поршневая паровая машина паровоза и локомобиля, содержащая общие признаки, присущие силовым расширительным машинам объемного типа.

Недостатками прототипа являются наличие поступательно движущихся поршней с остановками в мертвых точках, а также шатунов, кривошипов, без которых невозможно преобразование поступательного движения поршней во вращение.

Задачей предлагаемой полезной модели является более простое использование давления пара для получения вращения выходного вала парового двигателя объемного типа, без применения шатунов, кривошипов и поступательно движущихся поршней, а также для улучшения весогабаритных характеристик парового двигателя.

В результате использования предлагаемой полезной модели — работающего на паре роторно-поршневого двигателя (РПД), как наиболее совершенного из современных двигателей, повышается эффективность использования пара при одновременном получении электроэнергии и тепла, т.е. за счет когенерации энергии сгораемого топлива. Это легкий, компактный двигатель не имеет поршней, шатунов, коленчатого вала, клапанов, золотников и других деталей (всего на 40% меньше деталей паропоршневого двигателя), частота вращения достигает 10000 об/мин, а крутящий момент при работе на паре возрастает с уменьшением частоты вращения — как у поршневой паровой машины.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в качестве силовой паровой расширительной машины применен паровой РПД.

Таким образом, чтобы с нуля не создавать новый паровой двигатель, в качестве основного элемента полезной модели может быть использован, например, РПД, работающий совместно с парогенератором в составе автономной энергоустановки малой мощности (от 100 до 1000 кВт).

В таком паровом РПД происходит работа пара, получаемого в автономном парогенераторе или отводимого из паровой системы ТЭЦ, атомной энергетической установки корабля с преобразованием энергии пара в полезную механическую работу для привода различных механизмов — насосов, компрессоров, вентиляторов, генераторов, дымососов и т.д. Отработанный в паровом РПД пар может после конденсации возвращаться в пароводяную систему ТЭЦ или корабля.

Предлагаемый паровой двигатель объемного типа, а не лопаточного типа исключает потребность высокого расхода рабочего тела (пара) для получения одинаковой мощности.

В зависимости от величины давления пара на входе в паровой двигатель и необходимости его понижения в процессе работы до минимального давления цикла двигатель может иметь несколько ступеней понижения давления.

Выбор количества ступеней понижения давления пара в РПД будет определяться требованиями по мощности, весу, габаритам, крутящему моменту на выходном валу парового двигателя.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена общая схема парового двигателя. Паровой двигатель по схеме содержит парогенератор 1, силовой агрегат, преобразующий энергию пара для получения полезной работы, — роторно-поршневой двигатель 2, конденсатор 3, а также вспомогательные элементы: конденсатный насос 4 для подачи воды в парогенератор и электрический генератор 5 для обеспечения нагрузки на паровой двигатель.

Работает автономный паровой двигатель следующим образом.

Пар из парогенератора с рабочим давлением поступает в роторно-поршневой двигатель, где совершает полезную работу с получением мощности на приводном валу электрического генератора, во время работы двигателя понижается давление пара почти до атмосферного. Затем отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется.

Получаемая в конденсаторе вода конденсатным насосом подается в парогенератор и вновь превращается в пар от теплоты, получаемой от сгораемого в парогенераторе топлива. Замкнутый цикл повторяется.

При необходимости, несколько парогенераторов могут группироваться для обеспечения работы одного парового двигателя большой мощности большой мощности или для создания паровых двигателей различной мощности на основе нескольких одинаковых парогенераторов. Но, при работе с малыми нагрузками отдельные парогенераторы отключаются, обеспечивая повышенную экономию топлива и ресурса энергетической установки. В этом случае работающие парогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме, а остановленные парогенераторы не расходуют топливо и ресурс.

Важная особенность полезной модели — многотопливность (уголь, газ, мазут, торф, древесные отходы и др.).

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector