Двигатель паровой прямоточный: Прямоточная паровая машина ( модель) — Паровые двигатели

Содержание

Прямоточная паровая машина ( модель) — Паровые двигатели

Для тех кто не в теме, попытаюсь объяснить суть: Впуск пара в цилиндр происходит вблизи верхней мёртвой точки, и продолжается как и у любой поршневой паровой машины (далее ПМ) при рабочем ходе поршня, в зависимости от конструкции машины, до момента называемого отсечкой, которая может быть как при частичном ходе поршня вниз ( ради экономии пара), так и у самой нижней мёртвой точки ( максимальная мощность, низкий КПД).

В обычной ПМ выпуск отработанного пара начинается вместе с движением поршня вверх, и продолжается весь ход поршня вверх, в результате чего остаточное давление пара минимально возможное. Пар при этом проходит обратно тем же путём до золотника, охлаждая верх цилиндра и паропровод, что плохо.

В цилиндре прямоточной ПМ, вблизи нижней мёртвой точки имеются отверстия, или как их ещё называют, окна, которые открываются после того, как поршень пройдёт 90% хода в низ, и в этот момент происходит выпуск пара, затем при обратном ходе поршня к ВМТ, окна им перекрываются, и начинается сжатие оставшегося пара. Прямоточная ПМ имеет степень сжатия ( отношение объема над поршнем в НМТ, к объёму над поршнем в ВМТ), на сжатие остатков пара конечно расходуется мощность, но она возвращается обратно при рабочем ходе, так как сжатый пар не пропадает, а снова совершит полезную работу. Теоретически плюсы у этой машины есть — пар выходит в низу цилиндра, и не охлаждает верхнюю его часть и паропроводы. Также давление пара при сжатии примерно равно давлению свежего пара, что немного разгружает клапанный механизм.

 

Вот картинка из сети которая поясняет работу , правда это машина двойного действия, а я делаю простого, но суть та же

 

Сделал пока нижнюю часть

Втулка с кулачком съёмная, надевается на вал между подшипников, при необходимости её можно поворачивать на валу и стачивать кулачёк заужая фазу впуска, в целях настройки

Цилиндр будет с бронзовой гильзой, поршень чугунный от холодильного компрессора, уж очень они мне нравятся!

ход поршня 33мм, Ф цилиндра 22,50мм

 

Продолжение следует…

Прямоточный паровой двигатель с ядерным источником тепла — Энергетика и промышленность России — № 09 (365) май 2019 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 09 (365) май 2019 года

В известных паровых установках для судов с химическим источником тепловой энергии или ядерным, осуществляется замкнутый цикл генерации водяного пара и многократный цикл преобразования его потенциальной энергии в механическую в паровой турбине, механической энергии паровой турбины – в электрическую в электрогенераторе, электрической электрогенератора – в механическую в электродвигателе, которая затем через понижающий редуктор используется для вращения винта, создающего пропульсивную энергию для движения судна.

Идея для торпеды

Многие специалисты считают, что подводные и надводные корабли с электродвижением, наиболее распространенные сегодня, в дальнейшем будут лишь совершенствоваться, особенно с учетом все более широкого применения винто-рулевых комплексов, при этом в будущем электродвижение на кораблях военно-морского флота во всех странах мира будет приобретать все больший размах, так как никакую другую энергетическую установку невозможно сделать менее шумной, чем установку с электродвигателем.

Возможность создания менее шумного и более эффективного судового двигателя прямой реакции без подвижных частей и многократного преобразования видов энергии впервые была высказана академиком А. Д. Сахаровым для торпеды: «…Я фантазировал, что можно разработать для такой торпеды прямоточный водопаровой атомный реактивный двигатель…»

Эта идея реализована в изобретенном бесконтурном, прямоточном паровом двигателе с ядерным источником тепловой энергии и может быть использована не только для торпеды, но и для подводных и надводных судов различного назначения.

Двигатель обеспечивает создание пропульсивной реактивной тяги без преобразования энергии одного вида в другой и без подвижных частей.

Он характеризуется простой конструкцией и содержит менее радиационно опасный упрощенный ядерный источник тепловой энергии – тепловыделяющую сборку (ТВС) с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ).

В качестве рабочего тела для генерации пара и создания реактивной силы в прямоточном паровом двигателе используется только забортная вода, в которой движется судно и которая в рабочем цикле лишь один раз меняет свое физическое состояние, поступая по каналу в парогенератор в жидком состоянии, в парогенераторе испаряется, образуя пар высокого давления, совершающий максимально эффективное объемное расширение и, контактируя с забортной водой, находящейся в канале после парогенератора, конденсируется, возвращаясь снова в жидкое состояние.

Используемый в двигателе ядерный источник тепловой энергии резко упрощен по конструкции и при меньшей вырабатываемой мощности, чем используемые на судах атомные энергетические установки с атомным реактором, обеспечивает создание требуемой тяги с максимальной эффективностью, так как при его работе отсутствуют этапы многократного преобразования энергии из одного вида в другой и сопровождающие их потери, снижающие эффективность пропульсивной тяги.

Принцип работы

Двигатель содержит заборник воды, канал подачи воды в парогенератор и сам парогенератор, выполненные соосно и расположенные ниже ватерлинии судна.

Прямоточный паровой двигатель для судов выполнен в виде двух сообщающихся труб круглого или прямоугольного сечения, разделенных между собой плоской стенкой, у которой установлен ядерный источник тепла – тепловыделяющая сборка (ТВС) и которая является поверхностью, на которой давлением пара создается реактивная тяга, двигающая судно.

Забортная вода, поступающая через заборник по каналу в полость парогенератора, испаряясь тепловой энергией ядерного источника тепла, переходит в состояние насыщенного пара и затем конденсируется.

При движении судна через двигатель проходит скоростной поток воды, при этом генерируемый в парогенераторе пар визуально воспринимается как стоп-кадр.

Преимущества

В прямоточном паровом двигателе отсутствуют источники вибрации и шума для появления их в гидростатическом поле, окружающем судно, что снижает вероятность его обнаружения, что особенно важно для атомных подводных лодок.

Для разворота судна на месте не требуются получившие распространение винто-рулевые комплексы (ВРК) с погруженным гребным двигателем, установленные вне корпуса судна и увеличивающие гидросопротивление при основном ходе.

Изменение направления движения судна – задний ход (реверс) или разворот на месте – обеспечиваются поворотом рулевой насадки с приводом или перекрытием главного осевого канала и переключением потока воды в ответвления – дополнительные боковые каналы, обеспечивающие движение судна в требуемом направлении при отталкивании водой, выходящей из двигателя, от забортной воды, – что более эффективно, чем создание усилия вращением винта.

Атомные подводные лодки с прямоточным паровым двигателем получат дополнительные возможности скрытности и более эффективного маневрирования – изменения курса, разворота на месте, погружения, подъема или всплытия, недоступные при создании пропульсивной тяги винтом.

Экологические нюансы

Вода является замедлителем нейтронов, кроме того, масса ядерного топлива, содержащегося в ТВС двигателя, минимальна, при этом количество нейтронов при делении ядра, поступающих в воду, проходящую через проточную часть двигателя при движении судна, также минимальна, что обеспечивает низкую степень ее радиационного загрязнения.

Для речных и озерных судов, перемещающихся в ограниченном по объему водном бассейне (реки, озера), двигатель выполняется с одноконтурным ядерным источником тепла, полностью исключающим радиационное загрязнение проходящей через двигатель воды.

Увеличится полезный объем двигателя, уменьшится водоизмещение – объем воды, вытесняемый корпусом при его погружении по конструктивной ватерлинии, – и уменьшится осадка и массовое (весовое) водоизмещение, что позволит проходить участки с меньшей глубиной.

Эффективность двигателя нетрудно проверить на простейших моделях, имеющихся в НИИ и КБ, производящих работы по совершенствованию судовых энергетических установок.

Энергия старого мира / Хабр

Введение

Эта статья является продолжением публикации

«Взгляд в прошлое. Технология 18 века»

.

В ней мы построили реально работающий паровой двигатель, который должен стать главной частью будущего парового мотоцикла, и даже провели пробные эксперименты по его запуску на воздухе.

Теперь нужно решить энергетический вопрос. И тут начинаются основные отличия от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В таких двигателях бензин, смешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр двигателя и при воспламенении этой воздушно-топливной смеси выделяется энергия. Расширившиеся продукты горения давят на поршень, производя работу. Но вот у паровых машин, энергия рождается не в двигателе. Она рождается в котле. Котёл производит пар, который в свою очередь и будет давить на поршень нашего двигателя. Эту древнюю энергию нам и требуется обуздать!

Устройство

Паровой котёл — котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках.

(Википедия)

Существует два основных типа котлов: классический и прямоточный. Первый тип чаще всего использовался для работы паровых машин. Его можно описать как железный резервуар, в который врезана топка. Топливо горит в топке, обогревая воду в резервуаре. Вода в нём начинает кипеть и создаётся пар под давлением. Такой тип использовался на паровозах и всех первых паровых машинах:

У классических котлов есть как преимущества, так и недостатки. Преимущества заключаются в том, что для создания давления пара не требуется каких — либо насосов, так как накопленная энергия воды может ещё долго снабжать двигатель паром даже при отсутствии огня. Такие котлы не очень требовательны к качеству воды. Паровозы заправляли самой обычной водой из речек, родников, колодцев и прочее.

Прямоточный котёл можно представить как длинную, компактно свёрнутую трубку, обтекаемую пламенем, в которую насосом закачивают воду. Такой тип котла обладает целым рядом преимуществ:

  1. Позволяет создавать пар большего давления при меньшей массе и небольшом объёме котла.
  2. Из-за того, что в трубке не так много носителя, такой котёл считается более безопасным (не запасается большое количество энергии).
  3. Быстрый выход на режим, так как не нужно прогревать большое количество воды.

Для лёгкого понимания работу такого котла можно представить в упрощённой форме:

Создание прямоточного котла

И, конечно, мне захотелось сделать именно прямоточный котёл.

Подобрав длинные нержавеющие трубки разного сечения, я сварил их вместе таким образом, чтобы сечение постепенно увеличивалось. Затем, весь этот 8 метровый «кишечник» был компактно свёрнут и уложен в раму мотоцикла. Внешние стенки, которые должны удерживать пламя и направлять его в нужную сторону, были сделаны из простой жести. Насос, закачивающий воду (носитель), изготовил из газового доводчика, который обычно придерживает капоты и багажники автомобилей. Конструктивно, «доводчик» — это готовое изделие. Мне необходимо было только приварить вход и выход для воды и приделать клапан, который не пускал бы закаченную воду обратно. Насос подвижно крепился одной своей частью к раме, а второй к кривошипу на валу колеса. С помощью гибкого шланга высокого давления (тормозной шланг от авто) вода под давлением закачивалась в котёл, а забиралась из отдельного бачка, располагавшегося выше насоса. Горелку сделал по типу «кровельных», такими рабочие греют рубероид на крышах зданий. Чтобы процент обтекания трубок был больше, горелки поставил сразу две.

Итог

Испытания парового мотоцикла, оснащённого прямоточным котлом, с самого начала пошли не так. Самой первой проблемой стало отсутствие «начального» давления в котле. Приходилось руками покручивать колесо, чтобы насос отправлял некое количество воды в трубопровод. Но, когда я открывал ручку газа (подавая пар на двигатель) давление пара мгновенно падало, не успевая закрутить колесо. Выход нашёлся не сразу. Был сделан небольшой воздушный ресивер после насоса. Он работал как пружина для воды. Запасал энергию сжатия от насоса и отдавал её обратно, когда насос был в мёртвой точке или в фазе всасывания

питательной

воды.

Двигатель заработал! Но проработал, около 10 секунд. Золотниковый клапан заклинил. При разборе двигателя, никаких проблем выявлено не было. Собрав его обратно и запустив снова, я столкнулся с той же проблемой. Она оказалась приходящей и уходящей сама собой. После изучения этой проблемы, нашлась ошибка в расчётах теплового расширения. Изначально, золотник представлял собой цельную деталь из фторопласта, а у него, как оказалось, очень большой коэффициент теплового расширения (22) и он при прогреве расширялся настолько, что его насмерть заклинивало в корпусе.
После подробных и тщательных расчётов тепловых расширений был выточен стальной золотник, оснащённый фторопластовыми кольцами, шириной 2 миллиметра.

Поскольку корпус алюминиевый, а золотник стальной, вся разница тепловых расширений была сведена практически к нулю.

Новое испытание показало, что золотник работает просто прекрасно и без замечаний. Вывешенное колесо крутилось, вода закачивалась, прямоточный котёл работал. Пришло время прокатиться. Но тут возникла новая проблема. Мне не удавалось на нём проехать больше нескольких метров. И опять я был сбит с толку. Всё же работало! На холостом ходу всё отлажено! Что ещё не так?
После долгого анализа других подобных паровых аппаратов,

Я понял, что у меня слишком маленький котёл (длина обогреваемой трубки), в следствие этого при увеличении производительности, вода просто не успевала испаряться и вылетала вместе с паром в двигатель. От такого эффекта пропадает КПД всей установки, так как расширение воды слишком мало или не происходит вовсе. Увеличить длину котловой трубки уже задача не такая простая. Но и на этом моё горе не закончилось.

Во время очередных испытаний, я мучил аппарат, заставляя его работать, но состояние двигателя начало резко ухудшаться и в какой-то момент он заклинил. На этот раз, просто остудить его снегом, не помогло. Снова понадобилась капитальная переборка. Результаты вскрытия показали, что расплавились все фторопластовые кольца и даже алюминиевый поршень от нагрева расширился настолько, что начал задирать цилиндр. И это оказалось фатальной проблемой. Дело в том, что при большом расходе, данный котёл не успевал производить должное количество пара, а при маленьком расходе, он создал пар такой энергии, что просто вышел из строя весь двигатель. И не удивительно. Ведь выходные трубки котла были раскалены докрасна. То есть пар, достигал температур, порядка 600-700 *С. Как мы знаем, фторопласт распадается при 400*С. Для меня, это и стало «последней каплей»! Мне уже хотелось получить работоспособный мотоцикл, а я погряз в каких-то бесконечных проблемах!

Нужно было переделывать в котле почти всё. И в этот-то момент я понял, что, несмотря на неоспоримые преимущества прямоточного котла, это изделие весьма не простое и требует тонкого расчёта, дополнительного регулирующего оборудования, да и насос съедал не малую часть вращательной энергии. Сложилось чёткое понимание, что, если бы я делал классический котёл, то ни одной из этих проблем просто не возникло бы!

Классический котёл

После всех тех бесконечных проблем с прямоточным котлом, создавая классический, я просто, можно сказать, отдыхал. Как уже говорил выше, это всего-то железная бочка, в которую врезана топка. Можно было совершенно не задумываться о температуре пара, ведь при лишнем давлении срабатывает предохранительный клапан и сбрасывает излишки, уменьшая температуру воды и поддерживая давление в заданных пределах. Не нужно было создавать начальное вращение колеса, чтобы нагнать первоначальное давление. Пар для «старта» был готов сразу и даже запасён с излишком. Всё, что требовалось — это придумать эффективную топку. Но тут пришлось хорошенько подумать, ведь места у нас не так много.

Изготовление

На металлоприёмке я нашёл какой-то ресивер или баллон из-под пропана с толщиной стенки 3-4 мм, так что габариты котла уже были заданы жёстко.

Если сильно заморачиваться с массивной и эффективной топкой, то останется мало места для самой воды (носителя). Если топка будет слишком маленькой, то у нас не будет достаточной энергии для более менее удовлетворительной крейсерской скорости, ну и сам процесс нагрева котла займёт слишком много времени.

И вот, что я придумал. Топка будет подвержена сдавливанию огромным давлением, поэтому решено было сделать её простой, сквозной и круглого сечения. Под это пошла обычная труба 100 мм. Для увеличения КПД нашей топки (

теплообменника

), были врезаны 12 поперечных сквозных трубок.

Я посчитал это очень выгодным, так как они обтекались бы пламенем и выхлопными газами под прямым углом,

а вода внутри них циркулировала бы под естественным эффектом конвекции. Это позволит сохранить максимальный объём воды в котле, а для нас это запас хода. И, как бонус, такую топку было легко врезать в резервуар. Следовало всего лишь сделать два отверстия по обоим краям.

Для контроля давления установил небольшой манометр. Температуру носителя контролировать не обязательно, так как она напрямую связана с давлением и явно не выходит за критическую отметку (400*С). Давление в котле решил сделать как у реальных паровозов 16 bar.
Предохранительный клапан настроил на 18 bar. Теперь осталось его опрессовать. Это своего рода проверка на прочность. Котёл наполняется доверху водой и накачивается повышенное давление. Сначала, я это делал оставшимся от предыдущей котловой системы, насосом из доводчика, но сжимать такой насос при давлении более 20 bar, оказалось не простой задачкой (очень хорошо, что мы теперь можем отказаться от такого узла, ведь он забирал уйму мощности на себя). Оказалось, что опрессовывать удобнее всего углекислотным огнетушителем. Им я без труда создал давление в котле в 25 bar (это был максимум моего манометра) и, выждав несколько минут, приступил к настройке предохранительного клапана.

Итог

Котёл получился на славу. Даже давление в 25 bar оказалось ему нипочём. Он даже не начал хрустеть. Предохранительный клапан (использовал от компрессоров) срабатывал чётко, хоть и ронял давление с 18 до 9. Этот для нас очень не выгодно, но он будет срабатывать только в тех случаях, когда сам за давлением не уследишь. Так что, до его срабатывания лучше не доводить. Это будет бессмысленное выбрасывание ресурсов.

Пламя

Теперь нужно решить вопрос с огнём. Конечно, было бы красиво и приятно топить подобный мотоцикл дровами. Это же ретроспектива в прошлое, стимпанк, классичность, но, как я уже говорил, у нас очень мало для этого места, ведь наша топка чуть больше локтя. Конечно, можно туда уместить шапку угля, но этого не хватит даже на то, чтобы просто прогреть котёл. Тут пришлось отступить от романтичности и изготовить газовую горелку. На самом деле это очень эффективное, мощное и удобное топливо. Газ жидкий, поэтому его легко запасать, легко подавать в горелку и он сразу идёт под давлением, что позволяет создавать скоростной горячий поток в топке, тем самым улучшая теплообменный процесс (не требуется поддув).

Изготовление

На металлоприёмке нашёл отличные, маленьких размеров, нержавеющие бачки. Судя по их форме и синей окраске, это кислородные баки от какого-то пассажирского самолёта. Я собрал несколько таких бачков в батарею и объединил магистралями подачи газа и заправки. Объём каждого бачка примерно 1.7 л, а значит, можно будет везти с собой запас топлива более 5л. жидкого газа. Согласитесь, не плохой запас энергии.

С горелкой не стал мудрить и просто скопировал систему с советской бензиновой паяльной лампы. Тут я должен кое-что пояснить. Паяльная лампа устроена таким образом, что бензин сначала попадает в некую полость, где должен испариться и уже в виде паров выпускается в зону горения. А пламя горелки обогревает эту самую «испарительную» камеру. То же самое потребуется и нам. Представьте, что будет, если жидкий газ начнёт вылетать из такой горелки… Процесс испарения газа относительно долгий, а ко всему прочему, ещё и сопровождается криогенным эффектом. Пламя из такой горелки будет длинным, не эффективным, не экономичным и даже пожароопасным.

Эксперимент (рис А)Пламя с не прогретой горелки (рис В)Правильный режим, прогретая горелка

Поэтому подавать газ, в нашу горелку следует плавно, чтобы она успела прогреться.

Испытания котла прошли как по маслу. Заправил примерно 35 л воды, горелку вывел на полную мощность и ждал. Через 14 минут вода закипела, и давление потихоньку начало подниматься. Примерно через такое же время в котле было 16 bar.

Для управления подачей пара я использовал простой водопроводный шаровой кран, который отлично справлялся и с температурой, и с давлением. В них используется тот же самый фторопласт, так что проблем, думаю, не будет.

Для интереса, я решил открыть кран на полную и посмотреть на нашу энергию. Струя пара долетала до соседних гаражей и создавала шум взлетающей ракеты. При этом я ощутил силу реактивной тяги, пришлось даже придерживать котёл, чтобы он не начал летать по всей улице. Я был очень доволен!

В котле подобного типа запасается огромное количество энергии. При выпускании пара в течение 5 секунд через отверстие ½ дюйма, давление в котле упало всего лишь наполовину. Дело в том, что при уменьшении давления смещается и точка кипения воды. То есть вода начинает кипеть и без подогрева, всего лишь от уменьшения давления. Этот эффект будет работать до тех пор, пока температура воды не упадёт до 100 *С. Это для нас приятная новость. Значит, можно будет долго ездить и с выключенной горелкой.

Но есть и один не совсем для меня понятный эффект. При активном выпускании пара при давлении менее 5 bar, начинает вылетать вода. Я предположил, что она кипит столь интенсивно, что в своём неистовом бурлении долетает до сухопарника и подхваченная потоком пара улетает наружу. Для эксперимента я слил часть воды, оставив уровень 20%. Эффект конечно уменьшился, но всё равно остался. Неужели вода подпрыгивает в котле на 30-40см? Если честно, с этим я пока так и не разобрался. Такая вот небольшая загадка.
Ну да ладно! Функционал готов, пора собрать наш аппарат!

Стиль

Во время конструирования нашего необычного мотоцикла, многие «учёные мужи» советовали мне сделать замкнутую систему воды. То есть, что бы из двигателя пар не вылетал на улицу, а попадал в конденсатор (охладитель) и получившаяся вода снова закачивалась бы в котёл с помощью маленького насоса. Это очень хорошая идея, я и сам постоянно об этом думал. Но цель нашего проекта не кругосветное путешествие на дровах, а рассмотреть технологию позапрошлого века, победить инженерный вызов и насладиться работой настоящего парового двигателя. Ну, а какой же паровой двигатель без этого легендарного «чух-чух». Кроме того, хочется наблюдать вылетающий пар, он будет многое рассказывать о режимах происходящих внутри двигателя. Ну и наконец, я просто нахожу очень красивым, когда от паровоза идут клубы пара, особенно если они подсвечены солнцем. Романтика паровозов, так сказать. Но, не смотря на это всё, для образа, я решил всё-таки сделать конденсатор, что бы было видно о наших замашках, и просто для стиля.

Большинство различных самоделок имеют стиль «Безумного макса» или «Постапокалиптического мира». Да, так проще всего. Особо то и делать ничего не нужно. Ржавые железки, приваренные гаечные ключи, немного висящих тряпок и стиль готов. Но этой простоты, или так сказать «ленивого стиля» в нашем мире очень много. Мне захотелось сделать что-то маленькое, милое и красивое. Сделать «конфетку», так сказать. И раз уж у нас древняя паровая технология, сам собой напрашивается «Стимпанк».

Стимпанк – это вымышленный мир. Такой, каким он стал бы, если человечество не изобрело электричество, ДВС и прочие технологии и существовала бы только энергия пара.
Я, конечно, не дизайнер, но при сборке мотоцикла, некоторые вещи всё же пришли на ум.

Испытание парового мотоцикла

«Гаражные» испытания полностью готового парового мотоцикла, оснащённого котлом классической конструкции, прошли на удивление гладко. Пока я его строил, в комментариях к видеороликам, люди рекомендовали много правильных и умных вещей. По ходу дела, некоторые из них я применял и в итоге они отлично себя показали. Так, например, при прогреве двигателя паром, в нём конденсируется много воды, которая блокирует поршень и может привести к гидроудару. Люди предложили сделать маленькое отверстие с резьбой, с помощью которого можно было бы выпускать пар и сливать сконденсировавшуюся воду, тем самым быстро его прогревать. Потом, заглушить его винтиком и спокойно сразу ехать.

На удивление, самая первая попытка проехать на полностью готовом мотоцикле, прошла без каких — либо проблем. Как говорится, «сел и поехал». Покатавшись немного перед гаражом, я понял, что для меня этого не достаточно и я хочу больше. Разумеется, чтобы замерить все параметры, увидеть слабые места, ощутить и понять этот аппарат, нужна прямая, пустая, бесконечная трасса. Поэтому пришлось вывезти мотоцикл за город и спокойненько со всем этим разобраться.

Об испытаниях:

В целом, я очень доволен результатами. Они даже превзошли мои ожидания. Видя, как ездят подобные паровые мотоциклы во всём мире, наша малютка оказалась далеко не на последнем месте.

Заключение

Когда задумывал строить этот паровой мотоцикл, я рассуждал так: вот сделаю его, как – нибудь это всё проедет и, удовлетворив все свои инженерные интересы, поставлю его дома напротив дивана в качестве эстетического элемента, навсегда. Но нет! Теперь это наоборот не даёт мне покоя. Я хочу его изучать, модернизировать, переделывать и побивать его же рекорды, хочу определить его максимум, понять всё, на что он способен! Конечно, в рамках этой концепции.

Первое с чего начну, это переделаю систему переключения пара на классическую. Мне стало интересно, какова будет разница. И ещё, при последующих испытаниях нужно будет «поиграть» с настройками. Добиться максимальной скорости, подобрав наиболее правильное опережение впуска пара. Ещё, хочу поэкспериментировать с разными видами топлива.

Видимо грядёт большая модернизация. Так что, если наш «паровоз» собирался уйти на пенсию и отсидеться где-нибудь в музее, тут я его сильно разочарую! У него впереди ещё длинное, тяжелое, но интереснейшее будущее!

Более подробно о создании и испытаниях в видео материалах:

Энергия пара покорилась!

Отличная идея или фиаско? Разбираемся с прямоточным котлом

Создание паровозного свистка, сборка аппарата

Испытания парового мотоцикла

Прямоточная паровая машина

 

Класс 14-а

Мо 1854

ПАТЕНТ HA ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ прямоточной паровой машины.

К патенту С. Т. Синицына, заявленному 28 сентября 1923 года (заяв. свил. М 77353).

0 выдаче патента опубликовано 30 ноября )926 года. Действие патента распространяется на )в ает от )й сентября )9″4 года.

Предлагаемая прямоточная (т.-е. I с постоянным направлением течения пара) паровая машина не имеет спе-, циального парораспределительного органа (так как таковым является поршень паровой машины) и предназначается для работы паром высокого, давления.

На фиг. 1 изображен перспективный вид машины, на фиг. 2 — ее продольный разрез, на фиг. 3 †поперечный разрез цилиндра через паровпуск-, ные отверстия и на фиг. 4 — попе- речный разрез поршня и цилиндра через крайнее паровпускное отверстие.

Паровпускное отверстие 1 находится на середине цилиндра, а длина поршня немного больше половины длины цилиндра. На некотором расстоянии от концов поршня. в тех ме-, стах, которые приходятся в мертвых (крайних) положениях поршня, против паровпускного отверстия 1, сде-, ланы два отверстия 2, соединенные внутри поршня трубкой (паропроходом) 3. Цилиндр на своих концах, (в местах, приходящихся при крайних положениях поршня над отверстиями 2) снабжен углублениями 4 (проходы в пространсгво между поршнем и крышкам)1 Цилиндра). Несколько по сторонам от середины цилиндра делаются два ряда паровыпускных отверстий 5 (на фиг. 2 паровыпускные отверстия. закрытые поршнем, ооозначены пунктиром). К фланцу б 1)pllвертывается труба, ведущая к конденсатору. При крайнем положении поршня пар, проходя через одно отверстие 2 и трубку 3, выходит через другое отверстие 2 и через ynyoëåние 4 в пространство между поршнем и крышкой цилиндра и. наполнив его, толкает поршень, который, двигаясь, закрывает отверстия 2. Пар давит на поршень и, расширяясь. производит работу, K концу хода гюршня откоываются паровы пуск ные отверстия э со стороны отработавшего пара, и пар выходит из цилиндра; в то же время отверстия 2 подходят к отверстию 1 и к углублению 4, и пар входит в цилиндр. затормаживает поршень и толкает его обратно. Ilp)) обратном ходе поршень закрывает впускные отверстия 2 и выпускные о.

Расширяясь, пар производит работу.

С другой стороны. остатки отработавшего пара сжимаются. В конце хода опять открываются отверстия 5, отработавший пар выходит, а в открывшиеся отверстия 2 проходит свежий пар и т. д. Отверстия 2 не должны быть очень большими, так: как иначе пар не будет давать поршню доходить до конца, а машина не будет работать. Пространства между поршнем и крышками цилиндра не должны быть очень малыми, так как тогда и отверстия 2 должны быть очень малы и, следовательно, рабо- тать будут малые количества пара (машина будет маломощна). Увеличивая несколько пространство между поршнем и крышкой цилиндра, можно увеличить ее отверстия 2 (увеличится, и мощность машины). Регулирование, производится дроссельным клапаном, соединенным с центробежным регулятором и находящимся в паропроводной трубе. Предлагаемая машина может быть очень быстроходной.

HPLÄÌ ET ПЛТГНТЛ.

Прямоточная паровая машина с выпуском пара через щели, открываемые и закрываемые поршнем. характеризующаяся тем, что цилиндр на концах своих снабжен углублениями 4, а поршень снабжен трубкой 3 с отверстиями 2, соединяющими близ мертвых положений поршня паровпускное отверстие 7 через углубления 4 с рабочей полостью цилиндра.

Типо-иитогра >па «Красный Печатник», Ленин рад, Хекдународный, 75.

   

Прямоточные котлы | Статьи «Альба парогенераторы» в Москве

Прямоточные паровые котлы используются в промышленном производстве для генерации пара в различных технологических целях. Их основной отличительной особенностью является отсутствие барабана. Принцип действия прямоточных котлов основан на полном испарении воды или другой жидкости в процессе ее прохождения через испарительную поверхность. Таким образом, не совершая движения по кругу, вода испаряется и превращается в пар в течение одного хода.

При такой конструкции жидкость поступает в экономайзер с помощью специального насоса, где происходит процесс ее подогрева до температуры насыщения. После этого вода попадает на испарительную поверхность. Испарительной поверхностью являются змеевики и подъемные трубы, в которых и происходит генерация пара и испарение водного остатка. Схема прямоточных котлов не предусматривает четкого разделения между экономайзерной, испарительной и пароперегревательной поверхностями. В процессе изменения характеристик воды, топлива и воздуха, соотношение площадей этих поверхностей изменяется. Конструкция большинства таких агрегатов подразумевает наличие промежуточного перегревателя, с помощью которого пар, поступающий из турбинной установки, проходит повторную процедуру нагревания.

По причине того, что прямоточный паровой котел не имеет барабана, он вырабатывает значительно меньшее количество объема рабочего тепла. Поэтому при его использовании на предприятии требуется максимально отлаженная подача воды, топлива и воздуха. Кроме того, применение такой конструкции становится экономически выгодным, так как нет необходимости в расходах на металл, из которого изготавливается барабан.

Использование прямоточных паровых котлов на заводах требует особенного внимания к качеству питательной воды. Вода имеет в своем составе различные соли и микроэлементы, которые оседают на стены труб и постепенно приводят к образованию накипи. Даже минимальное количество солевых образований способно значительно уменьшить производительность и в дальнейшем привести к неисправности всей конструкции. Поэтому в обязательном порядке необходимо проводить специальную водоподготовку, нейтрализующую воздействие негативных микроэлементов.


Модификациями промышленных котлов, не имеющих барабана, являются:
  • котлы с высоким давлением;
  • котлы со средним давлением;
  • котлы с низким давлением.

Для увеличения мощности и паропроизводительности, прямоточные котлы должны быть многовитковыми. Витки располагаются в виде змеевиков, поэтому им можно придать удобную форму для размещения агрегата в котельной. Кроме того, согласно правилам, помещение под такой тип котла не должно обладать какими-либо специально предусмотренными характеристиками. Требования по технадзору и эксплуатации значительно снижены, что создает дополнительное удобство при использовании таких котлов на заводах.

Преимущества прямоточных паровых котлов

Модель

Мощность

Габариты без

горелки
(Ш×Д×В)

Вес

Давление

Макс. Давление

пара

Макс. Температура

пара

Макс. Расход

газа

Мас. Расход

ДТ*

Противодавление

Электромощность

Производительность

пара

КПД

ГАЗ

Дизель

 

Гкал/ч

кВт

мм

т

мбар

бар

°C

М3

л/ч

мбар

кВт

Кг/ч

%

D05-500

0,3

348

1300 ×1800 ×2090

1,1

300

своб

12

191

39

31

1,7

1,42

500

92

D05-750

0,45

523

1510 ×2300 ×2190

1,8

300

своб

14

198

58

48

2,0

2,70

750

92

D05-1000

0,60

697

1530 ×2300 ×2190

1,9

300

своб

16

204

79

63

2,3

2,70

1000

92

D05-1500

0,90

1046

1650 ×2850 ×2460

2,5

300

своб

16

204

118

95

3,1

3,85

1500

92

D05-2000

1,20

1395

1650 ×2850 ×2460

2,8

300

своб

16

204

157

126

4,0

6,80

2000

92

D05-2500

1,50

1744

2175 ×3220 ×2640

3,1

300

своб

16

204

196

157

4,5

6,80

2500

92

D05-3000

1,80

2093

2100 ×3310 ×2640

4,1

300

своб

16

204

235

189

5,0

12,40

3000

92

D05-3500

2,10

2441

2305 ×3960 ×2640

4,5

300

своб

16

204

274

220

5,5

13,20

3500

92

D05-4000

2,40

2790

2340 ×3960 ×2700

5,3

300

своб

16

204

313

252

6,0

14,00

4000

92

D05-4500

2,70

3139

2730 ×4800 ×3000

5,5

300

своб

16

204

352

283

6,5

14,00

4500

92

D05-5000

3,00

3488

2930 ×4800 ×3000

S.8

300

своб

16

204

391

314

7,0

23,50

5000

92

Прямоточный паровой котел впервые был сконструирован в России профессором Л. К. Рамзиным. Его изобретение было призвано упростить конструкцию котлов, отказавшись от использования барабана. В настоящее время большинство заводов использует именно такую модификацию в целях экономии расходов и рабочего пространства.

В сравнении с парогенератором с принудительной циркуляцией, прямоточный парогенератор не только не требует высоких затрат на его производство, но и, имея довольно простую конструкцию, обеспечивает высокий коэффициент полезного действия.

Немаловажной особенностью такого агрегата является минимальное количество времени, затрачиваемое на приведение его в состояние работоспособности, а также уменьшенное время нагревания. Во время максимальных нагрузок или при выходе из строя основных применяемых аппаратов, использование прямоточных парогенераторов в качестве резервных установок крайне эффективно.

В случае простоя, как правило, котлы, не находящиеся в эксплуатации, имеют большие потери. При использовании генератора пара прямоточного типа этого не происходит, так как его конструкция допускает перерывы в производстве.

Таким образом, можно выделить несколько основных преимущественных особенностей рассматриваемого типа котлов:

  • максимальная производительность при минимальных затратах;
  • значительно более короткий временной промежуток от включения аппарата до начала процесса генерации пара;
  • объемная емкость исключена из конструкции, что гарантирует ее взрывобезопасность;
  • небольшая масса и удобная конструкция позволяет удобно разместить агрегат внутри котельной;
  • в зависимости от текущих задач и с учетом изменений возможна моментальная корректировка параметров выработки пара;
  • значительная экономия топлива;
  • полностью автоматизированное оборудование;
  • удобство и простота в эксплуатации;
  • при необходимости произведения даже сложных ремонтных работ, специальная конструкция змеевиков позволяет произвести все операции в кратчайший срок;
  • ремонтные работы не требуют сварки;
  • модульная поставка обеспечивает легкий монтаж;
  • низкие требования, предъявляемые к котельным для возможности установки агрегата;
  • невысокая стоимость котлов такого типа позволяет применять их даже на небольшом производстве.


Паровой двигатель . Статьи компании «Производство теплового оборудования»

Паровой двигатель в виде паровых турбин генерирует на сегодняшней день основной поток электричества в мире. Топлива при этом используются абсолютно разные, начиная от самого распространенного на земле угля и нефти, заканчивая атомной энергетикой.

Ключевая задача компании GRV разработать компактные паровые машины для генерации электроэнергии из угля, древесных отходов.

С 2015 года мы начали везти работы по изучению термодинамических циклов с использованием паровых котлов собственного производства, при этом котлы были самыми простыми прямоточного типа, без использования барана.

Первые опыты были проведены в небольшом помещении в г. Краснодаре на ул. Дзержинского. Удалось получить и подтвердить для себя результаты термодинамического цикла, проводились эксперименты по максимально возможному подогреву поступающей воды в котел (подпитки), влияние на температуру подпитки на охлаждение стенок парового котла.

Рис. 1 Эксперимент по изучению термодинамическому циклу работы паровой турбины

Из полученных результатов стало ясно что основной проблемой малогабаритных ТЭЦ является сложность и огромное количество дополнительных устройств. Сложность в производстве мы оставим на второй план, для этих целей была основана компания GRV и мы профессионально стали заниматься производством котельного оборудования, изучили и начали серийно производить автоматическую подачу топлива, добились высоких значений КПД всей системы.

После первых экспериментов с паровым циклом и паровой турбиной мы перешли к постройки элементарного парового двигателя с минимальным количество деталей. Такой паровой мотор может повторить каждый у себя в гараже.

Рис. 2 Паровой мотор бесклапанного типа, котел проточного типа на дровах

Устройство парового двигателя без использования клапанов подробно описано в патенте Дубинина. Такой мотор изготавливается из одно поршневого компрессора. В боковой поверхности просверливаются отверстия для выхода пара, в верхней части вместо клапанной крышки устанавливается сопло на определенном удалении от ВМТ.

Паровые моторы не лишены недостатков, можно выделить следующие:

1.       Большие затраты на очистку масла т.к. присутствует эмульсия в картере

2.       Отработанный пар выходит под избыточным давлением из парового мотора при этом использовании многоступенчатых паровых моторов затрудняет их производство

3.       Использование клапанов приводит к потерям давления и снижает общее КПД  системы

4.       Как и в любых паровых поршневых машинах в процессе расширения пара снижается его температура, что уменьшает температуру стенок цилиндра и поршня, при следующей подачи пара часть внутренней энергии затрачивается на нагрев стенок и поршня таким образом снижается действующее давление на поверхности.

5.       Конструкция парового поршневого мотора отличается по параметрам от существующих запасных частей, следовательно строить на базе производимых двигателей ДВС практически тупиковая ветвь. Использовать можно только часть элементов двигателя, остальное производить с нуля. При не массовом производстве это приведет к не окупаемости проекта

Все описанные выше проблемы можно разрешить, но по предварительной калькуляции стоимость парового мотора без котла превысит стоимость дизельного генератора в полной комплектации, что приводит под сомнения весь проект.

Мы  решили пойти по проверенному пути и вернулись к исследованиям в области паровых турбин малой мощности и низкого давления, с низкой частотой вращения.

Низкая частота вращения паровой турбине возможна при большом расходе пара через достаточно широкие сопла. Излишний расход пара можно компенсировать только наличием высокопроизводительно теплообменника, который подогревает воду подпитки, а так же к технологии парового котла с высокой пропускной способностью. Обычный котел с барабаном не подходит для таких задач.    

КОНТАКТЫ 

  • +79094663995 Анна Олеговна
  • +79181650301
  • +79654613474 Инженер-конструктор Груздев Василий

 

Паровой двигатель — это… Что такое Паровой двигатель?

Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Значение паровых машин

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами, электромоторами и атомными реакторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Эолипил

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии — это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином[1]. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка[2] для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Сейвери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом[3]. В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Проект Дени Папена для машины с поршнем и цилиндром, 1680.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Сейвери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Первые промышленные двигатели

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Сейвери в 1698 году. На своё устройство Сейвери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе, к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука, работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода — синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые — красным

Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме. К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 миль в час. Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.[4]

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить. В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.[1]

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:
1 — Поршень
2 — Шток поршня
3 — Ползун
4 — Шатун
5 — Коленчатый вал
6 — Эксцентрик для привода клапана
7 — Маховик
8 — Золотник
9 — Центробежный регулятор.
Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одинарного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

Парораспределение

Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм дает фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем.[5][6]

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку», замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.[7]

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нем пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

  • Перекрёстный компаунд — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
  • Тандемный компаунд — Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
  • Угловой компаунд — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.[8]

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Другие типы паровых двигателей

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот

Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

  • Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов, паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
  • Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровоз

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

  • Пароход
  • Сухопутные транспортные средства:
  • Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,
где
Wout — механическая работа, Дж;
Qin — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100°С.

Нетрадиционные машины

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Scrapheap Challenge» («Вызов со свалки»), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.

См. также

История паровых машин

Россия
Великобритания

Примечания

  1. Таги-аль-Дин(англ.)
  2. Джованни Бранка(англ.)
  3. Эдвард Сомерсет(англ.)
  4. Hulse David K (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1(англ.)
  5. Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, pp. 2-3; Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3(англ.)
  6. Carpenter, George W. & contributors (2000): La locomotive à vapeur: pp. 56-72; 120 et seq; Camden Miniature Steam Services, UK. ISBN 0 9536523 0 0(фр.)
  7. A.M. Bell Locomotives. — London: Virtue and Company. — С. pp61-63.(англ.)
  8. Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN No 0 906899 61 3 (англ.)

Литература

  • Паровые машины. История, описание и приложение их. 1838 г., СПб.: тип.Эдуарда Праца и Ко. — 234 с.
  • Брандт А. А. Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России, СПб., 1892.
  • Тонков Р. Р. К истории паровых машин в России. — «Горный журнал», № 6, 1902 г.
  • Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. Ленинград: «Время», 1933 г. — 198 с.
  • Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С.И. Вавилова. — М., Л.: Гос. изд-во техн.-теоретической лит-ры, 1948 г.
  • Конфедератов И. Я. Иван Иванович Ползунов. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1954 г. — 296 с.

Внешние ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Фред Лэндис, профессор машиностроения, университет Висконсин Милуоки.


В паровой машине допускается наличие пара высокого давления. в узел поршень-цилиндр, совершающий возвратно-поступательное движение. Когда пар расширяется до более низкого давления, часть тепловой энергии преобразуется в работу движение поршня.Это движение может быть переведен во вращательное движение коленчатым валом сборка аналогична применяемой в автомобилях. Расширенный пар затем может быть позволено уйти, или, для максимальной эффективности двигателя, пар может быть направлен в отдельный аппарат конденсатор при сравнительно низкая температура и давление. Там используется оставшееся тепло. чтобы нагреть воду, которая будет использоваться для получения большего количества пара. Пар обычно поставляется от котла, работающего на угле, масле или природном топливе. газ.

С начала 1900-х годов паровые турбины заменили большинство паровых машин на крупных электростанциях. Турбины эффективнее и мощнее паровых машин. В большинстве областей на смену паровозам пришли более надежные и экономичные тепловозы. Ранние паровые автомобили были вытеснены легковыми, удобными и прочими автомобилями. мощные бензиновые и дизельные двигатели. Из-за всего этого пар сегодня двигатели обычно считаются музейными экспонатами.Тем не менее, изобретение паровой машины сыграло важную роль в промышленном Революция путем создания общества, менее зависимого от животной силы, водяные колеса и ветряные мельницы.

Разработка парового двигателя

В 1690 году был разработан первый паровой поршневой двигатель. французского физика Дени Папена за перекачку воды. В этой сырой устройство небольшое количество воды было помещено в единственный баллон над огнем. Когда вода испарялась, давление пара заставляло поршень вверх.Затем источник тепла был удален, что позволило пар для охлаждения и конденсации. Это создало частичный вакуум (давление ниже атмосферы). Поскольку воздух, расположенный над поршень находился под более высоким давлением (при атмосферном давлении), он заставит поршень опустить вниз, выполняя работу. Более практичным устройства, приводимые в действие паром, — паровой насос, запатентованный в 1698 году. английского инженера Томаса Савери и так называемого атмосферного паровой двигатель впервые был построен в 1712 году Томасом Ньюкоменом и Джоном Калли.В двигателе Ньюкомена пар, произведенный в котле, подавался в цилиндр, расположенный непосредственно над котлом. Поршень вытащили к верхней части цилиндра противовесом. После цилиндра был заполнен паром, в него была закачана вода, в результате чего пар для конденсации. Это снизило давление внутри цилиндра. и позволил наружному воздуху толкнуть поршень обратно вниз. Цепная балка рычажная тяга была соединена со штоком насоса, который поднимал насос. поршень, когда поршень двигался вниз.Некоторые модифицированные двигатели Newcomen находились на вооружении еще в 1800 году.

Шотландский производитель инструментов Джеймс Ватт заметил что использование одной и той же камеры для чередования горячего пара и холодного конденсат привел к плохому использованию топлива. В 1765 году он разработал отдельная камера конденсатора с водяным охлаждением. Он был оборудован насос для поддержания частичного вакуума и периодически пар подается из баллона через клапан. Ватт и его деловой партнер, Мэтью Бултон продал эти двигатели из расчета, что одна треть экономии топлива должны быть выплачены им.Расходы на топливо для Ватта и двигатели Boulton были на 75 процентов меньше, чем у аналогичных Двигатель Ньюкомена. Среди множества других улучшений Ватта был коленчатый вал, который использовался для создания вращающей силы; использование поршней двойного действия, с помощью которых пар попеременно подавался в верхнюю и нижнюю части узла поршень-цилиндр, чтобы почти вдвое больше мощности данного двигателя; губернатор, который регулировал подачу пара к двигателю; и маховик, который сглаживал рывки цилиндров.Ватт также признал, что использование пара высокого давления в двигателе быть более экономичным, чем использование пара при внешнем атмосферном давлении. Однако из-за ограничений конструкции котла его двигатели никогда не работали при высоких давлениях.

Двигатели были усовершенствованы после разработки. котлов, которые могут работать при более высоком давлении. К концу 18 века два типа котлов высокого давления были в Использование: водотрубные котлы и жаротрубные котлы.Их снаряды были из железных пластин, скрепленных заклепками. В водяной трубе бойлеров, вода нагревалась в змеевиках или вертикальных трубах, которые бежали через топку и получил тепло от горячего горения газы. Пар собирался в верхней части котлов. Эти котлы были предшественниками современных котлов электростанций. В жаротрубные котлы, вода поддерживалась в нижней части большой раковины. Снаряд проходил по большим трубам через продукты горения переходили от колосниковых решеток к куча.Опять же, пар собирается наверху.

Благодаря усовершенствованной конструкции котла британский инженер Ричард Тревитик построил вагон с паровым приводом без конденсации. в 1801 г. и первый паровоз в 1803 г., хотя его котел позже взорвался. В 1829 году Джордж Стефенсон построил свой успешный Ракетный локомотив. Это способствовало быстрому расширению железных дорог. в Великобритании, а затем и в других странах.

Успешно опробованы паровые двигатели кораблей. в 1787 году американцем Джоном Фитчем, разместившим пароход на река Делавэр.В 1807 году американец Роберт Фултон построил Боковой пароход назывался Клермон. Оборудован Watt and Boulton Engine, Fulton’s Clermont, который был более экономичным успешнее, чем усилия Fitch, приехал из Нью-Йорка в Олбани, открывая эру пароходов.

Примерно в то же время двигатели без конденсации также разрабатывается американским изобретателем Оливером Эвансом. Во многом по инициативе Эванса пар высокого давления был внедрен в США гораздо охотнее, чем в Европе, хотя иногда с плачевными результатами.Произошло большое количество взрывов котлов. речное судоходство в Соединенных Штатах на протяжении большей части 1900-е гг.

Британский изобретатель Артур Вульф признал, что больше мощности можно было бы получить от стационарного двигателя путем смешивания то есть за счет частичного расширения пара в первом цилиндре а затем до давления ниже атмосферного во втором баллоне перед подачей в конденсатор. Поскольку давление пара продолжалось чтобы увеличить, такие составные двигатели со временем изменились с двухкомпонентных. на трех- и четырехкратную рецептуру.Самый известный двигатель 19 век был представлен двухцилиндровый двигатель Corliss. Джорджа Корлисса на выставке к столетию 1876 года в Филадельфии. Его цилиндры имели диаметр 40 дюймов (102 сантиметра). Его ход поршня, максимальное расстояние перемещения поршня, составляло 10 футов (3 метров), а его маховик имел диаметр 30 футов (9 метров). Превращение при 36 оборотах в минуту двигатель Corliss выдал 1400 лошадиных сил (1044 киловатта) для привода 8000 машин в машиностроении Зал.За десять лет судовой двигатель произвел более 10 000 лошадиных сил (7460 киловатт). Разработка парового двигателя продолжалась активно еще 50 лет.

В 1897 году первые автомобили, успешно управляемые паровые двигатели без конденсации были построены Фрэнсисом Э. и Фрилан О. Стэнли в Ньютоне, штат Массачусетс. Эти паровые автомобили были мощнее первых автомобилей с бензиновым двигателем. Они в конечном итоге использовались котлы с давлением до 1000 фунтов на квадратный метр. дюйм (6895 килопаскалей).Хотя конденсаторы были добавлены 1915 г., автомобили с паровым двигателем должны были вскоре оказаться на грани исчезновения. впоследствии, во многом из-за огромного веса двигателя, низкого КПД, и постоянная потребность во внимании.

До появления малых электродвигателей пар двигатели приводили в действие большинство заводов-производителей. Единый, централизованно расположенный двигатель передавал мощность на машины посредством валов, шкивы и ремни. Фермы в США использовали паровые двигатели. тракторы.Самоходные паровые молотилки переехали от фермы к ферме в течение сезона сбора урожая, пока они не были заменены агрегатами с бензиновым или дизельным двигателем.

Паровые машины со временем стали слишком большими, тяжелыми, и медленно удовлетворяет постоянно растущий спрос на большую мощность от единого блока. После успешного проектирования более мощная и компактная паровая турбина британского инженера Чарльза А. Парсонсом в 1884 г. и его применение к морской силовой установке в 1897 год: судьба больших пароходов была решена, хотя такие двигатели продолжали производиться в Соединенных Штатах через Вторая Мировая Война.Растущий спрос на электроэнергию также вызвал для больших паровых агрегатов на электростанциях. Здесь тоже пар турбины заменили паровые двигатели в начале 20-го века. век. Сегодня из одной паротурбинной установки можно производить более 1 миллиона киловатт электроэнергии.

Как пар производит работу

На примере можно показать, как пар производит работу. Если 1 фунт пара испаряется в котле при 450 F (232 C), чтобы полностью стать паром (насыщенным), затем его давление будет 422.6 фунтов на квадратный дюйм (2914 килопаскалей) в абсолютном выражении и его объем составит 1,099 кубических футов (0,031 кубометра). Если пар расширяется идеально, то есть без трения, охлаждения, или другие потери до атмосферного давления, это приведет к образованию смеси воды и пара, называемого влажным паром, при температуре 212 F (100 C) и позволяют 187 170 фут-фунтов (254 килоджоулей) работы быть извлеченным. Однако его объем почти увеличится. в двадцать раз. С другой стороны, если тот же фунт пара может быть расширенным ниже атмосферного давления до 2.0 фунтов на квадрат дюйма (13,8 килопаскалей) в абсолютном выражении, затем 269 760 фут-фунтов (366 килоджоулей) энергии. Конечная температура составляет 126 F (52 C), а конечный объем 129,8 кубических футов (3,65 кубических футов). метров). Хотя в последней ситуации получается больше работы, получение этой дополнительной работы с каждого фунта пара требует использование обоих конденсаторов, работающих при давлении ниже атмосферного и источник охлаждения, который заставляет пар конденсироваться обратно в жидкую форму.(Эта вода затем будет закачана обратно в котел.) Этот пример иллюстрирует идеальный случай. Фактически расширение пара, которое связано с охлаждением и другими потерями, сравнительно меньше работы может быть извлечено и несколько другое состояние выхлопа полученные результаты.

Паровые двигатели с конденсаторами более эффективны чем паровые машины без них. Например, в паровозах выброшенный наружу воздух тратится впустую. Более высокая эффективность также возможно, если пар расширяется до более низкой температуры и давления в двигателе.Самая эффективная производительность, лучшая производительность работы по отпущенному теплу обеспечивается с использованием низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар можно дополнительно нагреть, пропустив его через перегреватель. на пути от котла к двигателю. Обычный перегреватель представляет собой группу параллельных труб, поверхности которых подвергаются воздействию горячие газы в топке котла. Используя пароперегреватели, пар может нагреваться выше температуры, при которой он производится просто кипяток под давлением.

Работа парового двигателя

В типичном паровом двигателе пар движется в паровом двигателе двойного действия. цилиндр. Расход может регулироваться одностворчатым D-клапаном. Когда поршень находится в левой части цилиндра, высокое давление пар поступает из парового резервуара. В то же время расширенный пар с правой стороны цилиндра выходит через выпускной порт. При движении поршня вправо клапан скользит как по выпускным отверстиям, так и по портам, соединяющим пар грудь и цилиндр, предотвращая попадание большего количества пара в цилиндр.Затем пар высокого давления внутри цилиндра расширяется. Расширение пара толкает шток поршня, который обычно соединяется к кривошипу, чтобы производить вращательное движение. Когда клапан полностью влево, пар в левой части цилиндр выходит в виде выхлопа. При этом правая часть цилиндра заполнена свежим паром высокого давления из парового сундука. Этот пар перемещает поршень влево. Положение скользящего клапана D может быть изменено в зависимости от положение эксцентрикового кривошипа на маховике.

Зубчатая передача клапана играет важную роль в паровозе. потому что от двигателя требуется широкий диапазон усилий. Если нагрузка на двигатель увеличивается, двигатель будет замедляться вниз. Регулятор двигателя перемещает положение эксцентрика чтобы увеличить время, в течение которого пар допущен к баллону. По мере поступления большего количества пара двигатель выход увеличивается. Однако КПД двигателя снижается, потому что пар больше не может полностью расширяться.

Хотя D-золотниковый клапан представляет собой простой механизм, давление, оказываемое паром высокого давления на заднюю часть золотниковый клапан вызывает значительные потери на трение и износ. Этого можно избежать, если использовать отдельные цилиндрические подпружиненные золотниковые клапаны, заключенные в свою собственную камеру, как было впервые предложено Джорджа Корлисса в 1849 году.

Компоновки сложнее простого эксцентрика необходимы, если паровой двигатель должен работать с разными скоростями и загружает так же, как вперед и назад, как и паровоз.Это приводит к сложному расположению рычагов золотникового клапана, известного как как клапанный редуктор.

Составные двигатели

В простом паровом двигателе расширение пара происходит только в одном цилиндре. В составном двигателе есть два или более цилиндра увеличивающегося размера для большего расширения пара и более высокий КПД. Пар последовательно проходит через эти цилиндры. Первый и самый маленький поршень приводится в действие исходный пар высокого давления.Последующие поршни приводятся в действие паром более низкого давления, выпущенным из предыдущего цилиндра. В каждом цилиндре происходит частичное расширение и падение давления. Поскольку объем пара увеличивается с уменьшением давления, диаметр цилиндров низкого давления должны быть намного больше, если двигатель ход должен быть одинаковым для всех цилиндров. В обычном соединении двигатели различные цилиндры установлены бок о бок и приводят в движение такой же коленвал.

Паровые турбины

В основной работе паровых турбин задействованы два концепции, которые можно использовать как по отдельности, так и вместе.В в импульсной турбине пар расширяется через сопла так, что он достигает высокой скорости. Высокоскоростная струя низкого давления пара направляется на лопасти прялки, где кинетическая энергия пара извлекается при выполнении Работа. Из турбины выходит только низкоскоростной пар низкого давления.

В реакционной турбине пар расширяется через серия ступеней, каждая из которых имеет криволинейное неподвижное кольцо лопасти и кольцо изогнутых вращающихся лопастей.Во вращающейся секции пар частично расширяется, создавая реактивную силу в тангенциальное направление вращения турбинного колеса. Стационарный секции могут допускать некоторое расширение (и увеличение кинетической энергии), но используются в основном для перенаправления пара для входа в следующий вращающийся набор лопастей. В большинстве современных больших паровых турбин пар высокого давления сначала расширяется за счет серии импульсные ступени наборы форсунок, которые сразу понижают высокий начальное давление, чтобы корпус турбины не выдерживал высокое давление в котле.Затем следует многими последующими импульсами или стадиями реакции (20 или более), в каждый из которых пар продолжает расширяться.

Первая турбина реактивного типа была построена Герой. Александрии в 1 веке нашей эры. В его эолипиле пар был подается в сферу, которая вращается, когда пар расширяется через два тангенциально навесные форсунки. Эолипил не произвел никакой полезной работы. Лишь в XIX веке были попытки использовать пар. турбины для практических целей.В 1837 году вращающаяся паровая камера с выхлопными соплами был построен для привода хлопкоочистительных машин и циркулярных пилы. Одноступенчатая импульсная турбина была разработана шведской инженер Карл Густав де Лаваль в 1882 году. Более поздний американский дизайн. имел несколько импульсных колес, установленных на одном валу с соплом секции, расположенные между каждым колесом. Последующие достижения в конструкция паровых турбин и котлов допускает более высокие давления и температуры. Эти достижения привели к огромному и эффективному современные машины, способные переоборудовать более 40 процент энергии, доступной в топливе, в полезную работу.


Источник: Интерактивная энциклопедия Комптона.

Поток и работа паровой турбины

Паровые турбины — одна из старейших и наиболее универсальных технологий первичных двигателей, остающихся в общем использовании. Они приводят в движение бесчисленное количество машин и производят электроэнергию на многих заводах по всему миру. Паровые турбины использовались более 120 лет, когда они заменили поршневые паровые двигатели из-за их более высокой эффективности и более низкой стоимости. Мощность паровой турбины может варьироваться от 20 киловатт до нескольких сотен мегаватт (МВт) для больших водителей.

Паровая турбина используется для выработки максимального количества механической энергии с использованием минимального количества пара в компактном приводе, обычно в конфигурации с прямым приводом. Возможности изменения или регулировки скорости также важны для паровых турбин. В настоящее время паровые турбины широко используются в различных приложениях приводов для механических приводов и энергоблоков и производят почти 1 миллион (МВт) мощности по всему миру.

Ротор паровой турбины — это вращающийся элемент, к которому прикреплены колеса и лопасти.Лезвие — это компонент, который извлекает энергию из пара.

Конструкции и типы паровых турбин

Доступны два основных типа конструкций паровых турбин. Один из них — это импульсная конструкция, в которой ротор вращается в результате воздействия пара на лопасти. Другой является реактивной конструкцией, и он работает по принципу, согласно которому ротор получает вращающую силу от пара, покидающего лопасти.

Пар обычно входит в один конец, движется в одном направлении к другому концу секции и выходит из обсадной колонны для повторного нагрева или передачи в следующую секцию.Однако в двухпоточной паровой турбине пар входит в середину и течет в обоих направлениях к концам секции. Двухпоточные устройства были популярны много лет назад. За исключением особых обстоятельств, они не рекомендуются для современных приложений.

Конденсатор

Основным типом паровой турбины является конденсационная паровая турбина, которая использовалась для больших приводов с превышением определенного предела номинальной мощности (скажем, как очень грубое указание, выше 8 МВт).Эти паровые турбины выпускаются непосредственно в один или несколько конденсаторов, которые поддерживают условия вакуума на выходе из паровой турбины. Система трубок с охлаждающей водой конденсирует пар в воду (жидкость) в конденсаторе.

Вакуум в конденсаторе возникает, когда охлаждающая вода из окружающей среды конденсирует пар (выхлоп турбины) в конденсаторе. Поскольку известно, что небольшое количество воздуха просачивается в систему, когда давление ниже атмосферного, для удаления неконденсируемых газов из конденсатора обычно используется относительно небольшой компрессор.Неконденсирующиеся газы могут включать воздух, небольшое количество побочного продукта коррозии, вызванной реакцией вода-железо, и водород.

Процессы конденсационной паровой турбины производят максимальную механическую мощность и эффективность от подачи пара. Однако выходная мощность конденсационных паровых турбин чувствительна к температуре окружающей среды. Конденсационные паровые турбины дорогие, большие, сложные и менее пригодны для применения с механическим приводом. Паровые турбины, особенно для машин малого и среднего размера, пропускают пар вокруг рядов лопаток и через торцевые уплотнения.Когда конец находится под низким давлением, как в случае с конденсационными паровыми турбинами, воздух может просочиться в систему. Утечки вызывают меньшую мощность, чем ожидалось.

Противодавление

Другой тип паровой турбины — это паровая турбина с противодавлением, которая является наиболее подходящим оборудованием для приложений с механическим приводом, таких как приводы компрессоров или насосов. Термин противодавление относится к паровым турбинам, которые выпускают пар с давлением выше атмосферного.Давление нагнетания обычно определяется конкретным применением пара в установке. Более низкие давления часто используются в малых и больших приложениях низкого давления (НД), таких как системы отопления, а более высокие давления часто используются при подаче пара в промышленные процессы.

Промышленные процессы часто включают дальнейшее расширение для других меньших механических приводов с использованием небольших паровых турбин для привода вращающегося оборудования (например, насосов смазочного масла), которое непрерывно работает в течение длительных периодов времени.Значительная способность к выработке механической энергии приносится в жертву, когда пар используется при значительном давлении, а не расширяется до вакуума в конденсаторе. Выпуск пара в парораспределительную систему при избыточном давлении 10 бар (изб.) Может принести в жертву примерно половину мощности, которая могла бы быть произведена при условиях пара на входе около 50 бар изб. И 420 ° C, что типично для малых и средних паровых турбин.

Между выходной механической мощностью конденсационной паровой турбины и комбинацией мощности и пара паровой турбины с противодавлением может быть обеспечено практически любое соотношение выходной мощности к теплу.Паровые турбины с противодавлением могут иметь множество различных противодавлений, что дополнительно увеличивает изменчивость отношения мощности к теплу.

Добыча

Третий тип паровых турбин — это паровые турбины с отбором. Отборная турбина имеет одно или несколько отверстий в корпусе для отбора части пара при некотором промежуточном давлении. Отобранный пар можно использовать в технологических целях. Давление отбора пара может регулироваться или не регулироваться автоматически в зависимости от конструкции паровой турбины.

Регулируемый отбор позволяет лучше регулировать поток пара через паровую турбину для выработки дополнительной механической энергии в зависимости от рабочих сценариев. В некоторых специальных паровых турбинах могут быть предусмотрены несколько точек отбора, каждая из которых имеет разное давление, соответствующее разной температуре, при которой на установке необходимы услуги отопления (или другие услуги).

Конкретные потребности предприятия в паре и электроэнергии с течением времени определяют степень отбора пара.В больших, часто сложных установках, дополнительный пар может поступать (поступать в корпус и увеличивать поток в паровом тракте) к паровой турбине. Часто это происходит, когда несколько котлов и паропроизводящих систем используются при разном давлении из-за сложности установки и необходимости достижения максимальной тепловой эффективности или ее исторического существования (в сложных установках, которые подвергались нескольким реконструкциям и расширениям). Эти паровые турбины называются паровыми турбинами с впуском.Производители адаптировали запросы клиентов на дизайн, изменяя площадь проходного сечения на ступенях и степень, в которой пар извлекается (или удаляется из пути потока между ступенями) в соответствии со спецификациями. В местах отбора и впуска пара клапаны управления потоком пара обычно увеличивают стоимость пара и системы управления.

Когда пар расширяется за счет высокого отношения давления, как в больших паровых турбинах, пар может начать конденсироваться в турбине, когда температура пара падает ниже температуры насыщения при этом давлении.Если в паровой турбине образуются капли воды, может произойти эрозия лопаток, когда капли ударяют по лопаткам. На этом этапе расширения пар иногда возвращается в котел и повторно нагревается до высокой температуры, а затем возвращается в паровую турбину для дальнейшего (безопасного и надежного) расширения. В некоторых крупных паротурбинных установках сверхвысокого давления также могут быть установлены системы двойного перегрева.

Паровые турбины с отбором и впуском являются специальными машинами, и их следует использовать только в тех случаях, когда они действительно необходимы, поскольку их работа и управление всей системой сложны и иногда могут привести к эксплуатационным проблемам.Паровые турбины с отбором и впуском представляют собой сложные турбомашины со сложным управлением и эксплуатацией, которые должны одновременно управлять паровыми турбинами (часто с переменной нагрузкой) с различными регуляторами расхода пара в зависимости от других агрегатов и требований системы. Их следует использовать только в специальных крупных установках, в которых другие более простые паровые турбины не могут быть коммерчески конкурентоспособными по своим мощностям, тепловому КПД или другим соображениям. Обычно использование сложной паровой турбины с отбором и впуском не оправдано для работы с мощностью в несколько мегаватт и сложных схем работы паровой турбины с переменной нагрузкой и скоростью.

Расход пара, работа и конструкция

Пар сначала нагревается в системе генерации пара (например, в котлах или системах утилизации отходящего тепла), где он достигает высокой температуры, примерно от 400 ° C до 600 ° C. Первый клапан, с которым сталкивается пар, когда он движется из системы генерации пара в паровую турбину, — это главный запорный клапан (главный отключающий или отключающий клапан), который либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Этот клапан часто не контролирует поток пара, кроме как полностью его остановить.

Рис. 2. Показан еще один пример паровой турбины с внутренними устройствами, компонентами и подсистемами.

Регулирующие или дроссельные клапаны в различных устройствах и конфигурациях также используются для управления впуском пара. Также распространены комбинированные триггерные и дроссельные клапаны. Во многих паровых турбинах должны быть предусмотрены как минимум два независимых отключающих клапана для надлежащего резервирования. Эти клапаны расположены непосредственно перед паровой турбиной и предназначены для выдерживания полной температуры и давления пара.Эти клапаны необходимы, потому что в случае потери механической нагрузки паровая турбина быстро разгонится и разрушится. Это случается нечасто. Причиной этого может быть необычная первопричина, например, отказ муфты. Возможны и другие несчастные случаи, из-за которых требуется два или три независимых запорных клапана, которые обеспечивают безопасность и надежность, но увеличивают стоимость системы.

Паротурбинные приводы

оснащены дроссельными клапанами или регуляторами сопел для регулирования потока пара и обеспечения работы с регулируемой скоростью.Привод паровой турбины может выполнять ту же функцию, что и привод электродвигателя с регулируемой скоростью. Паровые турбины обычно могут работать в широком диапазоне скоростей и не выходят из строя при перегрузке. Они также создают высокий пусковой крутящий момент, необходимый для нагрузок с постоянным крутящим моментом, например, для поршневых насосов или компрессоров.

Пар ударяет по первому ряду лопастей при таком высоком давлении, что он может создавать крутящий момент с небольшой площадью поверхности. Воздействие пара заставляет ротор вращаться.Однако по мере продвижения ступеней паровой турбины пар теряет давление и энергию, поэтому требуются все более большие площади поверхности. По этой причине размеры лопастей увеличиваются с каждой ступенью. Когда пар выходит из турбины, его температура падает, и он теряет почти все свое повышенное давление. Некоторое падение давления также происходит на диафрагме, которая является компонентом между внешней стенкой и внутренней перемычкой. Перегородки диафрагмы направляют пар к вращающимся лопастям.

Пар должен ударить по лопастям под определенным углом, чтобы максимизировать полезную работу давления пара. Здесь в игру вступают сопла. Между лопастными колесами размещены неподвижные кольца форсунок, чтобы «повернуть» пар под оптимальным углом для удара лопастей. Упорный подшипник установлен на одном конце главного вала для сохранения его осевого положения и предотвращения столкновения движущихся частей с неподвижными частями. Опорный подшипник поддерживает главный вал и не позволяет ему выскакивать из корпуса на высоких скоростях.

Вытяжной колпак направляет пар из последней ступени паровой турбины, и он спроектирован так, чтобы минимизировать потерю давления, которая снизила бы тепловой КПД паровой турбины. После выхода из выхлопной секции пар поступает в конденсатор, где охлаждается до жидкого состояния. В процессе конденсации пара обычно создается вакуум, который затем вводит больше пара из паровой турбины. Вода возвращается в систему производства пара, повторно нагревается и используется повторно. Регулятор — это устройство, которое регулирует скорость турбины.Современные паровые турбины имеют электронный регулятор, который использует датчики для контроля скорости, проверяя зубья ротора.

Чтобы спроектировать более эффективную паровую турбину, следует использовать кожух с соответствующими соплами и лопатками для ограничения пара и клапаны для управления подачей пара к соплам. Толстостенные отливки, используемые для секций турбин, работающих под давлением, называются кожухами и обычно изготавливаются из материалов из легированной стали. Некоторые конструкции включают внутреннюю и внешнюю оболочки, которые служат для уравновешивания перепада давления и уменьшения толщины оболочки при тепловом напряжении, запуске и нагрузке.Многоступенчатые конструкции используются для повышения эффективности. Тип и количество ступеней турбины, а также форма и размер лопаток различаются. Они определяются на основе давления и температуры пара, давления выхлопных газов и скорости.

Когда ротор паровой турбины неподвижен, пар, проходящий через сопло, ударяет по лопаткам с полной силой, создавая наибольший крутящий момент. Однако, поскольку это происходит при остановленном роторе, выполняемая работа равна нулю.С другой стороны, если скорость ротора равна скорости пара, пар не будет иметь компоненты скорости относительно лопастей, и лопасти не будут вращаться. Следовательно, этот случай приводит к нулевому крутящему моменту и, опять же, нулевой работе. Максимальный КПД находится между этими двумя крайностями. Для достижения идеальных рабочих условий и максимальной эффективности необходимо провести надлежащую оптимизацию.

Из-за высокого давления, используемого в паровых турбинах, корпус достаточно толстый, и, следовательно, паровые турбины обладают большой тепловой инерцией.Их следует медленно нагревать и охлаждать, чтобы свести к минимуму дифференциальное расширение между вращающимися лопастями и неподвижными компонентами. Для разогрева больших паровых турбин может потребоваться от пяти до девяти часов. В то время как агрегаты меньшего размера имеют более быстрое время пуска, паровые турбины заметно отличаются от поршневых двигателей, которые запускаются быстро, и от газовых турбин, которые могут запускаться за умеренное время и с разумной скоростью следовать за нагрузкой.

Применения паровых турбин обычно работают непрерывно в течение продолжительных периодов времени, даже несмотря на то, что пар, подаваемый в агрегат, и передаваемая механическая мощность могут изменяться в течение таких периодов непрерывной работы.Поскольку большинство паровых турбин выбираются для применений с высокими коэффициентами нагрузки, характер их применения часто учитывает необходимость только медленных изменений температуры во время работы, и можно допустить длительное время запуска. Паровые котлы также имеют длительное время запуска.

Поток, износ и разрушение

Примеси в паре могут вызывать отложения, накипь и коррозию в паровых турбинах, что отрицательно влияет на их работу. Три наиболее важных механизма отказа в любой паровой турбине низкого давления, связанные с коррозией, — это точечная коррозия, коррозионная усталость и коррозионное растрескивание под напряжением.Местная паровая среда определяет, возникают ли эти механизмы повреждения на поверхностях лезвий и дисков.

Зона фазового перехода, где расширение и охлаждение пара приводит к конденсации, особенно важна. Ряд процессов, происходящих в этой зоне, таких как осаждение химических соединений из перегретого пара, осаждение, испарение и высыхание жидких пленок на горячих поверхностях, приводят к образованию потенциально коррозионных отложений на поверхности.

Чистота пара и условия отключения — два параметра, которые приводят к коррозионным повреждениям.Еще одним важным фактором могут быть условия окружающей среды, возникающие во время останова. Это условия, которые возникают во время незащищенного останова, когда насыщенные кислородом влажные и жидкие пленки образуются на поверхностях паропровода в результате гигроскопических эффектов. Эти пленки непосредственно вызваны ненадлежащими методами останова, принятыми группой по эксплуатации / техническому обслуживанию паровых турбин или всей командой. Они могут привести к питтингу, который чаще всего является предвестником механизмов коррозии.

Соответствующие свойства материала (такие как состав, структура и внутренние напряжения) и конструкция (температура, напряжения и щели) также играют важную роль.Точечная коррозия может также возникать во время работы в щелях, например, в местах крепления лезвий. Чистота пара контролирует большинство процессов коррозии и жизненно важна для надежности паровой турбины.

Возможны механические блокировки из-за отложений. Блокировки в чувствительных местах, хотя и встречаются редко, обычно имеют серьезные последствия. Например, даже небольшие отложения на штоке обратного клапана паровой турбины могут нарушить его работу. В случае отключения паровой турбины неисправный обратный клапан может привести к продолжению потока пара и некоторому повреждению турбины.Кроме того, отложения на неподвижных частях, если они достаточно толстые и сильные, могут препятствовать движению лезвия, представляя особый риск механического повреждения небольших лезвий.

Закупорка паропровода изменяет соотношение давлений в паровой турбине таким образом, что может вызвать осевое смещение вала. Это может привести к контакту между вращающимися и неподвижными частями, что может привести к серьезному повреждению. Такие условия часто обнаруживаются и избегаются путем контроля давления в паровой турбине.

Более частым, но менее значимым результатом блокировки потока пара является снижение пропускной способности (поглощающей способности) паровой турбины и изменение эффективного профиля потока пара на лопатках паровой турбины. Эти изменения приводят к уменьшению расхода пара, снижению выходной мощности и снижению эффективности турбины. Распространенными примерами являются отложения меди и алюминия в паровых турбинах высокого давления и отложения кремнезема в турбинах среднего и низкого давления.

Амин Алмаси — старший консультант по вращающемуся оборудованию в Австралии. Он является дипломированным профессиональным инженером Engineers Australia и IMechE и имеет степени бакалавра и магистра в области машиностроения и RPEQ. Он является активным членом Engineers Australia, IMechE, ASME и SPE и является автором более 100 документов и статей, посвященных вращающемуся оборудованию, мониторингу состояния, оффшорным и подводным проектам, а также надежности.

Паровые двигатели — обзор

Подобно тому, как угольные и паровые двигатели сыграли ключевую роль в развитии первой промышленной революции, сегодняшняя «зеленая» промышленная революция опирается на основные компоненты энергии.Вкратце, это следующие компоненты:

Возобновляемая энергия . Чистая, бесконечная энергия доступна по всей планете; существующие технологии просто необходимо применять системно. Люди использовали энергию воды и ветра в течение тысяч лет, и этих источников много, и энергию легко собрать. Солнце — самый энергоемкий объект в нашей галактике, и оно предлагает гораздо больше энергии, чем когда-либо понадобится человеку. Водород — еще один богатый источник энергии, как и приливы.Превращение отходов — органических и неорганических — в энергию — не сложный процесс, и его можно адаптировать практически для любого сообщества. Наиболее распространенными возобновляемыми источниками и их технологиями являются ветер, солнце, геотермальная энергия, биомасса и океанские волны. Не так распространенные возобновляемые источники включают клетки водорода, магнитную левитацию, водоросли, а также бактерии или микроби.

Накопитель энергии . Большинство возобновляемых источников энергии, особенно ветер и солнце, называются «прерывистыми», потому что солнце не всегда светит, а ветер не всегда дует.Для бесперебойной работы возобновляемых источников энергии критически важны устройства, которые могут накапливать энергию и выделять ее при необходимости. Эти накопительные устройства могут иметь естественную форму крупных солевых образований или искусственных, таких как батареи, топливные элементы или маховики. Инновации в области хранения энергии стремительно развиваются, включая использование гибридных автомобилей и автомобилей с подключаемым модулем. Экономичное хранение энергии — это святой Грааль динамики возобновляемых источников энергии.

Гибкое распределение энергии .Старые централизованные односторонние линии электропередач традиционной системы энергоснабжения должны быть изменены. Старые сети неэффективны и дисфункциональны. Интеллектуальные сети необходимы для максимального использования распределенной энергии из множества небольших источников. Эти сети, подобные Интернету, должны быть масштабируемыми и гибко распределять электроэнергию, передавая энергию по нескольким направлениям между пользователями. Идея состоит в том, что даже если вас нет дома, ваши солнечные батареи вырабатывают электроэнергию. Например, пока вас нет, ваш сосед редактирует видео в своем домашнем офисе, стирает одежду и варит кофе, а также заряжает свой автомобильный аккумулятор, и все это использует больше электронов, чем могут произвести его солнечные батареи.Интеллектуальная сеть может беспрепятственно перенаправить ему вашу избыточную мощность, отслеживать ее и выставлять счет.

Комплексные перевозки . Мобильность и транспорт — важнейшие функции, без которых невозможно обойтись в современном мире. Тем не менее, транспорт является источником огромного количества парниковых газов, которые необходимо устранить. Автомобили, автобусы и другие виды транспортных средств должны перейти с ископаемого топлива на экологически чистую и экологически безопасную энергию.Международная транспортная отрасль начала этот переход, и он будет только ускоряться, особенно если Китай будет продвигать свои автомобильные правила, не связанные с ископаемым топливом. Автопроизводители вынуждены увеличивать расход топлива в своих транспортных средствах, и результатом являются удивительно инновационные концепции и технологии, в том числе гибриды, электромобили, автобусы и автомобили, работающие на водороде. Новая программа под названием «автомобиль с возвратом денег» проходит испытания в Соединенных Штатах и ​​имеет большие перспективы. В небольшом масштабе эта новая программа подключает гибриды и подключаемые автомобили к локальной сети.Автомобили заряжаются по мере необходимости, а в противном случае они могут вернуть электричество в сеть. Система легко регулируется компьютером, который может отслеживать приходящие и уходящие киловатт-час. Система может подсчитать, сколько электроэнергии потребляет и откладывает каждый автомобиль, что делает их идеальными запоминающими устройствами. Концепция проста, эффективна и имеет огромный потенциал. Его можно масштабировать так, чтобы он составлял основную часть динамики накопления энергии. К тому же это добавляет еще один стимул к обладанию электромобилем.

Массовый расход пара — обзор

15.13.8 Случаи 21–24 (STIG) — Комбинированные циклы с впрыском пара в камеру сгорания при различных условиях окружающей среды, производственный газ 1

Производительность цикла нагнетания пара зависит от того, как пар производится через парогенератор-утилизатор (HRSG). В исследовании STIG смоделированы четыре случая с тремя соображениями: изменение температуры окружающей среды, использование максимального потенциала нагнетания пара и использование массового расхода пара, такого же, как массовый расход воды в тумане.

Ячейки 21 и 22 находятся при средней температуре (77 ° F) и влажности 90%.Ячейки 23 и 24 находятся при высокой температуре (90 ° F) и влажности 60%. Случаи 21 и 23 находятся в более низком TIT, где температура обжига поддерживается низкой, при этом максимизируется регенерация пара и, следовательно, увеличивается количество впрыскиваемого пара. Пониженный TIT составляет примерно 84–85% от расчетного максимального TIT, равного 1450 K (2150 ° F / 946 ° C). Случаи 22 и 24 моделируются при более высоком TIT с меньшим количеством рекуперированного пара, а массовый расход впрыскиваемого пара согласован с аналогичным массовым расходом туманообразователя. При одинаковых условиях окружающей среды случаи 21 и 22 сравниваются с случаями 14 и 18 соответственно, а случаи 23 и 24 сравниваются с случаями 16 и 19 соответственно.

Аналогичные условия окружающей среды в Варианте 14 (77 ° F, относительная влажность 90%) теперь моделируются с помощью впрыска пара (Варианты 21 и 22) в камеру сгорания для увеличения мощности при условии использования топлива LCV. Случай 21 исследует рабочие характеристики цикла путем максимизации массового расхода пара, нагнетаемого через тот же HRSG. В случае 22 количество впрыскиваемого пара соответствует тому же количеству воды, которое используется для охлаждения туманом в случае 18, в котором сравнивается эффект увеличения мощности между впрыском пара и охлаждением на входе тумана.В случаях 23 и 24 повторяется тот же метод моделирования, что и в случае 21 (максимальный массовый расход нагнетаемого пара) и в случае 22 (соответствие массового расхода воды в случае 19) с аналогичными условиями окружающей среды в случае 16 (90 ° F, относительная влажность 30%).

В таблице 15.19 приведены характеристики вариантов нагнетания пара 21–24 и их сравнение со случаем 10 ISO. Оба варианта 21 и 23 нагнетают максимальный массовый расход пара, который может быть создан ПГРТ при давлении, сравнимом с (или немного выше) чем) давление в камере сгорания.Когда пар отводится в камеру сгорания, паровая турбина работает с неэффективной частичной нагрузкой. Результаты случаев 21 и 23 показывают, что мощность ГТ увеличивается на 4–5%, а КПД ГТ увеличивается на 15%. Однако выходная мощность паровой турбины падает на 91%, а общая производительность установки страдает от 25% -ного снижения полезной выходной мощности и 20–22% -ной потери КПД. По сути, увеличения производительности ГТ недостаточно, чтобы компенсировать плохую производительность паровой турбины, и, как следствие, происходит потеря всей установки.

Таблица 15.19. Сводка характеристик закачки пара в комбинированном цикле для случаев 21–24

Закачка пара не помогает в случаях 22 и 24 достаточно, чтобы увеличить мощность по сравнению с условиями ISO; однако тепловой КПД для корпусов 22 и 24 повышен на 1,0%. Немного увеличенный тепловой КПД корпусов 22 и 24 может быть связан с использованием ПГРТ для рекуперации отработанного тепла для производства перегретого пара.

По сравнению с соответствующими случаями без STIG (случаи 14 и 16), соответственно, в условиях жаркого дня, показатели случаев 21 и 23 в равной степени хуже (см. Столбцы 1 и 3 в таблице 15.20). Это указывает на то, что максимальная закачка пара не является хорошей практикой для комбинированного цикла, разработанного с оптимизированным распределением нагрузки между функциями ГТ и ПТ.

Таблица 15.20. Сравнение производительности нагнетания пара в комбинированном цикле для случаев 21–24 с соответствующими случаями 14 и 16 для жаркого дня, а также случаев образования тумана 18 и 19

Сравнение охлаждения впускного тумана и впрыска пара с использованием одинакового количества массового расхода воды (случаи 22 против 18 и случаев 24 против 19 в таблице 15.20) указывает на то, что впрыск пара дает небольшое преимущество перед охлаждением на входе тумана в увеличении мощности как в сухих, так и в влажных условиях окружающей среды.Однако охлаждение на входе тумана показывает лучшую эффективность, чем впрыск пара (случаи 19 против 24) в условиях сухой окружающей среды (относительная влажность 30%). Понятно, что при высокой относительной влажности охлаждение туманом хуже, чем в случаях с впрыском пара. Таким образом, пар работает лучше при расширении в паровой турбине, чем при впрыске в камеру сгорания газовой турбины для системы с комбинированным циклом. Это особенно актуально для системы, сжигающей легкие коммерческие автомобили, поскольку компрессор уже нагружен более высоким противодавлением.Brun et al. (2005) специально обсуждали упрощенный метод оценки основных факторов, влияющих на аэродинамическую устойчивость осевого компрессора одновальной газовой турбины. Анализ Бруна и др. Показал, что при сочетании впрыска воды на входе и между ступенями с другими факторами, такими как топливо LCV и впрыск пара в камеру сгорания, вероятно возникнут проблемы с аэродинамической стабильностью компрессора газовой турбины, такие как вращающийся срыв и флаттер. Эти аэродинамические нестабильности могут быть напрямую связаны с многоцикловой усталостью лопаток и возможным катастрофическим отказом газовой турбины.Кроме того, любой впрыск воды в газовую турбину (впускной, межкаскадный или в камеру сгорания) сокращает срок службы деталей турбины с горячей секцией. Таким образом, при сжигании топлива LCV необходимо соблюдать осторожность при использовании охлаждения входящего тумана или впрыска пара в камеру сгорания.

№ 1686: Таинственное тепло

Сегодня рассказ о теории и практике. В Инженерный колледж Хьюстонского университета представляет эту серию о машинах, которые делают наша цивилизация бежит, а люди, чьи изобретательность создала их.

Изобретение пара двигатель начался в середине 1600-х годов, и он не нашел прочная основа вплоть до 1850 года. Джеймс Ватт огромный вклад в его развитие внесен справедливо в конце игры. Они начались в 1760-х годах.

Термодинамика, современная наука о тепле, была в значительной степени вызвано паровой машиной.Это начал принимать свою современную форму незадолго до 1700 года, и наконец, она обрела прочную основу после 1850 года. история термодинамики и паровой машины действительно рассказ о теории и практике наконец мирятся друг с другом.

Историк Ричард Хиллс помогает нам понять ситуация. Допустим, вы жили двести лет назад, и вы наткнулись на ранний паровой двигатель.Что бы Понимаете? Шатун, движущийся вверх и вниз в большой поршень, приводящий в движение коромысло. Дальний конец рука приводила в движение насос или вращала колесо.

Вы увидите эффекты давления. Вы бы увидели силы проявил. Вы увидите эффект струящегося пара. В качестве ваш ум потянулся за аналогиями, вы бы увидели что-то, что напомнило вам знакомое водяное колесо.Горящий уголь, обогревающий котел, был вне поля вашего зрения. Теплового потока не было что бы привлечь ваше внимание. Эта машина казалось, все дело в давлении и потоке.

Поэтому ученые изо всех сил пытались понять, что сделало эти странные машины работают, а практичные люди изо всех сил пытался построить лучшие двигатели.Самый ранний строители паровых двигателей также работали с водяные колеса. Как паровые машины, водяные колеса вращаются и повернись и сделай полезную работу. Водяные колеса привели наши умы вдали от жары и температуры.

Один изобретатель сделал научный интерес к теплу. Джеймс Ватт начинал как машинист в Университете Глазго.Он экспериментировал с тепла, пока он разговаривал с пионером термодинамики Джозеф Блэк. Величайшая паровая машина Ватта изобретением стал отдельный конденсатор . Какие это значительно уменьшило потери тепла.

В 1824 году молодой французский инженер Сади Карно сформулировал второй закон термодинамики. Это говорит, что двигатели никогда не могут приблизиться к стопроцентный КПД.Но Карно непонятое тепло. Он думал, что течет тепло через двигатель, снижая его потенциал для выполняя работу, так же, как вода течет через водяное колесо. Он думал, что осталось столько же тепла двигатель как в него вошел. Он не видел этого большая часть проходящего тепла преобразовал , чтобы создать механическую силу мощность двигателя.

Итак, двигатель был нашим учителем, но сбивающим с толку учитель — возможно, лучший учитель: Помните тот инструктор, который никогда не говорил вам прямо, что ты хотел знать? Тот, кто дразнил твой разум с противоречивыми фактами? Тот, кто заставил вас сделать сортировка?

Поскольку паровой двигатель научил нас термодинамике, он также предлагали урок учителям повсюду.Обучение не готовит к множественному выбору тесты. Обучение проходит через двусмысленность. Правда обучение находит свой путь к другим сторона очевидного.

Я Джон Линхард из Хьюстонского университета, где нас интересуют изобретательные умы Работа.

(Музыкальная тема)

Хиллз, Р.Л., Сила из Steam: История Стационарные паровые двигатели. Кембридж: Кембридж University Press, Глава 9. Моя благодарность Льюису Уиллер, Отдел машиностроения UH, для предоставляя этот источник.

Перегретый пар | Спиракс Сарко

Пример 2.3.2

Насколько больше тепла у перегретого пара с температурой 400 ° C и давлением 1?013 бар абс. (0 бар изб.), Чем насыщенный пар при таком же давлении?

Это может показаться полезным увеличением энергии, но на самом деле это усложнит жизнь инженеру, который хочет использовать пар для обогрева.

По показанной энергии перегрева можно определить удельную теплоемкость, разделив это значение на разницу температур между температурой насыщения (100 ° C) и температурой перегретого пара (400 ° C):

Однако, в отличие от удельной теплоемкости воды, удельная теплоемкость перегретого пара значительно зависит от давления и температуры и не может считаться постоянной.

Таким образом, приведенное выше значение 2,0 кДж / кг ° C является лишь средней удельной теплоемкостью в указанном диапазоне температур для этого давления.

Нет прямой зависимости между температурой, давлением и удельной теплоемкостью перегретого пара. Однако существует общая тенденция к увеличению удельной теплоемкости с увеличением давления при низких степенях перегрева, но это не всегда так.

Можно ли использовать перегретый пар в технологических теплообменниках и других процессах нагрева?

Хотя перегретый пар и не является идеальной средой для передачи тепла, он иногда используется для технологического нагрева на многих паровых установках по всему миру, особенно на предприятиях по переработке углеводородов (HPI), которые производят масла и нефтехимические продукты.Скорее всего, это связано с тем, что перегретый пар уже доступен на месте для выработки электроэнергии и является предпочтительным источником энергии для турбин, а не потому, что он имеет какое-либо преимущество перед насыщенным паром для целей отопления. Чтобы прояснить этот момент, в большинстве случаев для процессов теплопередачи следует использовать насыщенный пар, даже если для этого требуется охлаждение пара. HPI часто перегревают пар с точностью до десяти градусов перегрева. Этот небольшой перегрев легко устраняется в первой части поверхности нагрева.С большим перегревом труднее справиться, и его часто нерентабельно, и (в целях обогрева) его лучше избегать.

Существует несколько причин, по которым перегретый пар не так подходит для технологического нагрева, как насыщенный пар:

Перегретый пар должен охладиться до температуры насыщения, прежде чем он сможет сконденсироваться, чтобы высвободить скрытое тепло (энтальпию испарения). Количество тепла, отдаваемого перегретым паром при его охлаждении до температуры насыщения, относительно мало по сравнению с его энтальпией испарения.

Если пар имеет всего несколько градусов перегрева, это небольшое количество тепла быстро отдается, прежде чем он конденсируется. Однако, если пар имеет большую степень перегрева, для его охлаждения может потребоваться относительно много времени, в течение которого пар выделяет очень мало энергии.

В отличие от насыщенного пара температура перегретого пара неоднородна. Перегретый пар должен остыть, чтобы отдать тепло, в то время как насыщенный пар меняет фазу. Это означает, что температурные градиенты на поверхности теплопередачи могут возникать с перегретым паром.

В теплообменнике использование перегретого пара может привести к образованию зоны кипения с сухой стенкой рядом с трубной решеткой. Эта область сухой стенки может быстро покрыться окалиной или загрязниться, и, как следствие, высокая температура стенки трубы может вызвать ее выход из строя.

Это ясно показывает, что в системах теплопередачи пар с большой степенью перегрева малопригоден, потому что он:

  • Отдает немного тепла, пока не остынет до температуры насыщения.
  • Создает температурные градиенты по теплопередающей поверхности по мере ее охлаждения до температуры насыщения.
  • Обеспечивает более низкий уровень теплопередачи при перегреве пара.
  • Требуется большая площадь теплообмена.

Итак, перегретый пар не так эффективен, как насыщенный пар, для теплопередачи. Это может показаться странным, учитывая, что скорость теплопередачи через поверхность нагрева прямо пропорциональна разнице температур на ней. Если перегретый пар имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар при том же давлении, наверняка перегретый пар должен отдавать больше тепла? Ответ на это «нет».Теперь это будет рассмотрено более подробно.

Верно, что разница температур будет влиять на скорость теплопередачи через поверхность теплопередачи, как ясно показано в уравнении 2.5.3.

Уравнение 2.5.3 также показывает, что теплопередача будет зависеть от общего коэффициента теплопередачи «U» и площади теплопередачи «A».

Для любого отдельного применения площадь теплопередачи может быть фиксированной. Однако этого нельзя сказать о значении «U»; и это главное различие между насыщенным и перегретым паром.

Общее значение «U» для перегретого пара будет меняться в течение всего процесса, но всегда будет намного ниже, чем для насыщенного пара. Трудно предсказать значения «U» для перегретого пара, поскольку они будут зависеть от многих факторов, но, как правило, чем выше степень перегрева, тем ниже значение «U».

Обычно для горизонтального парового змеевика, окруженного водой, значения «U» могут составлять от 50 до 100 Вт / м² ° C для перегретого пара, но 1 200 Вт / м² ° C для насыщенного пара, как показано на рисунке 2.3.4.

Для применений пар-масло значение «U» может быть значительно меньше, возможно, всего лишь 20 Вт / м² ° C для перегретого пара и 150 Вт / м² ° C для насыщенного пара.

В кожухотрубном теплообменнике можно ожидать 100 Вт / м² ° C для перегретого пара и 500 Вт / м² ° C для насыщенного пара. Эти цифры типичны; фактические цифры могут отличаться из-за других конструктивных и эксплуатационных соображений.

Хотя температура перегретого пара всегда выше, чем у насыщенного пара при том же давлении, его способность передавать тепло намного ниже.Общий эффект заключается в том, что перегретый пар гораздо менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный пар при том же давлении. В следующем разделе «Обрастание» приводится более подробная информация.

Перегретый пар не только менее эффективен при передаче тепла, его очень трудно количественно определить с помощью уравнения 2.5.3, Q̇ = U A ΔT, поскольку температура пара будет падать, поскольку он отдает свое тепло при прохождении по поверхности нагрева.

Прогнозировать размер поверхностей теплопередачи, использующих перегретый пар, сложно и сложно.На практике основные данные, необходимые для выполнения таких расчетов, либо неизвестны, либо получены эмпирическим путем, что ставит под сомнение их надежность и точность.

Очевидно, что поскольку перегретый пар менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный пар, то любая область нагрева, использующая перегретый пар, должна быть больше, чем змеевик насыщенного пара, работающий при том же давлении, чтобы обеспечить такую ​​же скорость теплового потока.

Если нет другого выбора, кроме как использовать перегретый пар, невозможно поддерживать пар в его перегретом состоянии по всему нагревательному змеевику или теплообменнику, так как он отдает часть своего теплосодержания вторичной жидкости, он охлаждается до насыщения. температура.Количество тепла выше насыщения довольно мало по сравнению с большим количеством, доступным при конденсации.

При этом пар должен относительно быстро достичь насыщения; это позволяет пару конденсироваться, чтобы обеспечить более высокую скорость теплопередачи и привести к более высокому общему значению «U» для всего змеевика, см. рисунок 2.3.5.

Чтобы сделать это возможным, перегретый пар, используемый для теплопередачи, не должен выдерживать перегрева более 10 ° C.

Если это так, относительно легко и практично спроектировать теплообменник или змеевик с площадью поверхности нагрева на основе насыщенного пара при том же давлении, добавив определенную площадь поверхности, чтобы учесть перегрев.Согласно этому руководству, первая часть змеевика будет использоваться исключительно для понижения температуры перегретого пара до точки его насыщения. Остальная часть змеевика сможет использовать более высокую теплопередающую способность насыщенного пара. В результате общее значение «U» может быть не намного меньше, чем если бы насыщенный пар подавался в змеевик.

Из практического опыта, если дополнительная площадь нагрева, необходимая для перегретого пара, составляет 1% на 2 ° C перегрева, змеевик (или теплообменник) будет достаточно большим.Кажется, это работает до 10 ° C перегрева. Не рекомендуется использовать перегретый пар выше 10 ° C перегрева для целей нагрева из-за вероятного непропорционального и неэкономичного размера поверхности нагрева, склонности к загрязнению и возможности порчи продукта из-за сильного и неравномерного перегрева. температуры.

Практический пример

— Паровая электростанция Гэвин (Обновлено 30.03.09) Пример

— Паровая электростанция Гэвин (Обновлено 30.03.09) Пример из практики

— Генерал Джеймс М.Гэвин Паровая Электростанция

Справочная информация — Генерал Блоки 1 и 2 завода Джеймса М. Гэвина являются идентичные, каждый с генерирующей мощностью 1300 МВт. Блок 1 был завершено в 1974 году, а блок 2 — в следующем году. С общая генерирующая мощность составляет 2600 МВт, завод Гэвин считается крупнейшая генерирующая станция в штате Огайо. Он расположен вдоль реки Огайо в Чешире, штат Огайо, и в среднем ежедневно добывает уголь расход 25000 тонн при полной мощности.Уголь прибывает баржа и хранится на угольном складе завода. Конвейерные ленты несут уголь со двора на завод, где измельчители измельчают уголь в тонкую консистенцию, похожую на тальк. Порошковый уголь впрыскивается в парогенератор, где сжигается при высокой температура, обеспечивающая тепловую мощность , которая приводит в действие электростанцию.

Принципиальная схема для анализа — формальная принципиальная схема завода Гэвин чрезвычайно сложна. Всего шесть турбины на двух отдельных параллельных валах , каждый из них приводит в действие электрический генератор с водородным охлаждением, производящий 26000 вольт.Трансформаторы за пределами здания завода повышают это напряжение. до 765000 вольт, чтобы его можно было эффективно передавать через длинная дистанция. Высота турбина давления (л.с.) приводит в движение один вал вместе с турбинами низкого давления (LP) A и B, и турбина промежуточного давления (Reheat) приводит в движение второй вал вместе с турбинами низкого давления C и D. упрощенная принципиальная схема для целей первоначального анализ системы. Некоторые из показанных значений состояния не были доступны и представляют оценки со стороны вашего инструктора в чтобы сделать возможным полный анализ.

Обратите внимание, что питательная вода насос приводится в действие отдельной турбиной мощностью 65000 л.с. (FPT) который отбирает часть пара из выпускного отверстия подогрев турбины, возвращая пар в горячий колодец конденсатора. В насос питательной воды нагнетает воду до 30 МПа, однако давление на входе в турбину ВД падает до 25 МПа, так как пар должен был пройти 350 миль трубопровода в парогенераторе. Поток регулирующий клапан вместе с регулятором скорости насоса питательной воды позволяет контролировать выходную мощность в соответствии с потребностями.

Система имеет четыре низконапорных, один открытый нагреватель питательной воды / деаэратор , и три высокого давления подогреватели закрытой питательной воды .

Как всегда, перед анализом мы всегда первый набросок полного цикла на P-h диаграмма по данным приведено на схеме системы. Это приводит к следующей диаграмме:

Обратите внимание на диаграмму P-h , как три высоких закрытые под давлением нагреватели питательной воды постепенно нагревают пар от состояние (10) в состояние (11), поэтому парогенератор требуется только для нагрева пара из состояния (11) в состояние (1), что приводит к увеличению по тепловому КПД.Аналогичным образом закрылись четыре клапана низкого давления. нагреватели питательной воды постепенно повышают температуру жидкости из состояния (7) в состояние (8), тем самым уменьшая дробное количество требуется пар (y 5 ) для повышения температуры жидкость из состояния (8) в состояние (9). Это правда, что когда мы рисуем отвод пара от турбин на все подогреватели, снижаем мощность мощности соответственно, однако чистый эффект этого процесса состоит в том, чтобы увеличить общий тепловой КПД системы.

Одним из важных моментов является выбор состояние (5) на выходе из турбин низкого давления. Качество (x = 0,93), показанная на блок-схеме, не является измеряемой величиной, и одинаковые условия давления и температуры во всем регион качества. Единственное руководство, которое у нас есть, — это знание того, что адиабатический КПД паровой турбины варьируется от 85% до 90%, таким образом чтобы гарантировать, что мы выбираем разумные государственные ценности, мы участок всех трех турбин на спутнике ч-с диаграмма , показывающая как изоэнтропические, а также реальные процессы на диаграмме:

Таким образом, из диаграммы мы определили, что выбор качества x = 0.93 привел нас в правильный диапазон эффективности. Это крайне ответственный выбор, поскольку, выбирая качественный слишком низкий уровень может привести к эрозии лопаток турбины и снижение производительности. Один пример последствий этой эрозии можно увидеть на концах лезвий последней ступени Gavin Турбина низкого давления . В течение 2000 г. все четыре LP турбины необходимо было заменить из-за снижения производительности в результате этой эрозии. (См .: Тур электростанции Гэвин — фев.2000 )

Теперь мы проводим инвентаризацию энтальпии известного состояния. очков в цикле с использованием Steam Таблицы или более удобно прямо из NIST Chemistry WebBook (устранение необходимости в интерполяция), что приводит к следующей таблице:

Государственный

Позиция

Энтальпия ч [кДж / кг]

1

Впуск турбины HP

ч 1 = h 25 МПа, 550 ° C = 3330 [кДж / кг]

2

Выход турбины ВД

ч 2 = h 5 МПа, 300 ° C = 2926 [кДж / кг]

3

Впускной канал промежуточной турбины

ч 3 = h 4.5 МПа, 550 ° C = 3556 [кДж / кг]

4

Вход турбины низкого давления

ч 4 = ч 800 кПа, 350 ° C = 3162 [кДж / кг]

5

Выход турбины НД
(область качества)

ч 5 = h 10 кПа, качество X = 0,93 = h f + X.(h g -h f )
h f = 192 [кДж / кг], h g = 2584 [кДж / кг] => h 5 = 2417 [кДж / кг]

6

Выход из Hotwell
(переохлажденная жидкость)

ч 6 = h f при 40 ° C = 168 [кДж / кг]

7

Выход конденсатного насоса

ч 7 = ч 6 = 168 [кДж / кг]

9

Открытый нагреватель питательной воды (насыщенная жидкость)

T 9 = T нас. @ 800 кПа = 170 ° C
h 9 = h f @ 800 кПа = 721 [кДж / кг]

10

Выход насоса питательной воды (сжатая жидкость)

T 10 = T 9 + 5 ° C = 175 ° C
ч 10 = h 30 МПа, 175 ° C = 756 [кДж / кг] (сжатая жидкость)

Примечание: Пункты состояния (8) и (11) являются результатом, соответственно, замкнутой системы низкого и высокого давления. подогреватели питательной воды и оцениваются ниже.Обратите внимание, что температура T 10 составляет На 5 ° C выше, чем температура T 9 . Обычно мы считаем жидкую воду несжимаемой, поэтому перекачиваем его к более высокому давлению не приводит к увеличению его температура. Однако во время недавнего посещения электростанции Гэвин мы обнаружил, что при давлении 30 МПа и более 100 ° C вода не дольше несжимаемый, и сжатие всегда будет приводить к повышение температуры до 7 ° C. Мы не можем использовать простые формула несжимаемой жидкости для определения работы насоса, однако необходимо оценить разницу в энтальпии с Compressed Столы Liquid Water , ведущие к энтальпия ч 10 показано в таблице.

Наконец, не забывайте, что все значения энтальпии полученное, следует проверить на соответствие указанному выше P-h и h-s диаграмм.

Анализ — Нам нужно определить массовые доли всех нагревателей питательной воды y i , а также отводимой для насоса питательной воды турбина, чтобы оценить подвод тепла и общую мощность вывод системы. Считаем удобным разделить систему в секцию высокого давления, включая турбины высокого давления и промежуточного нагрева, и секция низкого давления, включающая две турбины НД.С использованием методы баланса энтальпии на открытой и закрытой питательной воде обогреватели, разработанные в главе 8b , получаем уравнения массовой доли секции высокого давления, как показано на следующей диаграмме.

Для оценки энтальпии при различные точки состояния на диаграмме, мы оценили различные промежуточные значения температуры на отводах турбины из указанных выше Диаграммы P-h и h-s . Закрытые подогреватели питательной воды все типа противоточных теплообменников, и мы делаем предположение что температура на выходе равна температуре насыщения соответствующий кран турбины, и что температура слива на 5 ° C выше значение температуры на входе.Результирующий запас энтальпии промежуточные состояния следующие:

Государственный

Позиция

Энтальпия ч [кДж / кг]

т 8

Кран турбинный

л.с.

ч t8 = h 8 МПа, 350 ° C = 2988 [кДж / кг]

11

Закрытый выход нагревателя питательной воды №8

Т 11 = T нас. @ 8 МПа = 295 ° C
ч 11 = h 30 МПа, 295 ° C = 1304 [кДж / кг]

ф 7

Закрытый выход нагревателя питательной воды №7

Т f7 = T нас. @ 5 МПа = 264 ° C
ч f7 = h 30 МПа, 264 ° C = 1154 [кДж / кг]

д 8

Закрытый дренаж подогревателя питательной воды №8

T d8 = T f7 + 5 ° C = 269 ° C
h d8 = h 8 МПа, 269 ° C = 1179 [кДж / кг]

ф 6

Закрытый выход нагревателя питательной воды №6

Т f6 = T нас. @ 2 МПа = 212 ° C
ч f6 = h 30 МПа, 212 ° C = 918 [кДж / кг]

д 7

Закрытый дренаж подогревателя питательной воды №7

T d7 = T f6 + 5 ° C = 217 ° C
ч d7 = h 5 МПа, 217 ° C = 931 [кДж / кг]

т 6

Отвод турбины повторного нагрева

ч t6 = h 2 МПа, 450 ° C = 3358 [кДж / кг]

д 6

Закрытый дренаж подогревателя питательной воды №6

Т d6 = Т 10 + 5 ° С = 180 ° C
ч d6 = h 2 МПа, 180 ° C = 764 [кДж / кг]

Результирующий относительный массовый расход до максимума секция теплообменника под давлением:

Массовый расход

Государственные условия

Дробный массовый расход

Отвод турбины ВД t 8 к закрытой питательной воде Нагреватель №8

8 МПа, 350 ° C

y 8 = 0.083

Выход турбины ВД 2 к закрытой питательной воде Нагреватель №7

5 МПа, 300 ° C

и 7 = 0,108

Отвод турбины повторного нагрева t 6 к закрытому нагревателю питательной воды № 6

2 МПа, 450 ° C

и 6 = 0,050

Промежуточный выход турбины 4 к открытой питательной воде Нагреватель №5

800 кПа, 350 ° C

и 5 = 0.025

Аналогично секции высокого давления выше, мы получаем уравнения массовой доли для секции низкого давления в виде показано на следующей диаграмме:

Инвентарь энтальпии промежуточного состояния точки, указанные на диаграмме выше:

Государственный

Позиция

Энтальпия ч [кДж / кг]

т 4

LP A&C Кран турбинный

ч t4 = h 450 кПа, 280 ° C = 3025 [кДж / кг]

8

Закрытый выход нагревателя питательной воды №4

Т 8 = T нас. @ 450 кПа = 148 ° C
ч 8 = h 800 кПа, 148 ° C = 624 [кДж / кг]

т 3

LP B&D Кран турбинный

ч t3 = h 250 кПа, 220 ° C = 2909 [кДж / кг]

ф 3

Закрытый выход нагревателя питательной воды №3

Т f3 = T нас. @ 250 кПа = 127 ° C
ч f3 = h 800 кПа, 127 ° C = 534 [кДж / кг]

д 4

Закрытый дренаж нагревателя питательной воды №4

T d4 = T f3 + 5 ° C = 132 ° C
h d4 = h 450 кПа, 132 ° C = 555 [кДж / кг]

т 2

LP A&C Кран турбинный

ч t2 = h 100 кПа, 120 ° C = 2717 [кДж / кг]

ф 2

Закрытый выход нагревателя питательной воды №2

Т f2 = T нас. @ 100 кПа = 100 ° C
ч f2 = h 800 кПа, 100 ° C = 420 [кДж / кг]

д 3

Закрытый дренаж нагревателя питательной воды №3

T d3 = T f2 + 5 ° C = 105 ° C
ч d7 = h 250 кПа, 105 ° C = 440 [кДж / кг]

т 1

LP B&D Кран турбинный

h t1 = h 40 кПа, качество X = 0.98 = h f + X. (h fg )
h f = 318 [кДж / кг], h fg = 2319 [кДж / кг] => h t1 = 2590 [кДж / кг]

ф 1

Закрытый выход нагревателя питательной воды №1

Т f1 = T нас. При 40 кПа = 76 ° C
ч f1 = h 800 кПа, 76 ° C = 319 [кДж / кг]

д 2

Закрытый дренаж нагревателя питательной воды №2

Т d2 = T f1 + 5 ° C = 81 ° C
ч d2 = h 100 кПа, 81 ° C = 339 [кДж / кг]

д 1

Закрытый дренаж нагревателя питательной воды №1

Т d1 = Т 6 + 5 ° С = 45 ° C
ч d1 = h 40 кПа, 45 ° C = h f @ 45 ° C = 188 [кДж / кг]

Результирующий относительный массовый расход до низкого секция теплообменника под давлением:

Массовый расход

Государственные условия

Дробный массовый расход

Промежуточный выход турбины 4 к насосу питательной воды Турбина (массовая доля 65,4 [кг / с] / 1234 [кг / с])

800 кПа, 350 ° C

y FPT = 0.053

Турбина НД A&C кран t 4 to Нагреватель №4

450 кПа, 280 ° C

y 4 = 0,027

Турбина НД B&D кран t 3 to Нагреватель №3

250 кПа, 220 ° C

и 3 = 0,033

Турбина НД A&C кран t 2 to Нагреватель №2

100 кПа, 120 ° C

y 2 = 0.029

Турбина низкого давления B&D tap t 1 to Нагреватель №1

40 кПа, качество X = 0,98

и 1 = 0,041

Из приведенных выше диаграмм уравнение баланса энергии на различных компонентах системы приводит к следующему уравнения для полной выходной мощности турбины (w T кДж / кг), полного тепловложения в парогенератор (q в кДж / кг) и теплового КПД .

Результаты производительности — Наконец у нас есть все данные и уравнения, необходимые для определения производительность со следующими результатами:

  • Тепловой КПД системы. До сейчас мы не рассматривали КПД котла. Это зависит от многих факторов, включая марку используемого угля, теплопередачу и механизмы теплопотерь в котле и так далее. Типовой дизайн значение КПД котла для крупной электростанции составляет 88%.

Примечание: Всегда хорошо идея проверить свои расчеты путем оценки теплового эффективность использования только тепла, подаваемого в парогенератор, и что отклонено конденсатором.


Это — то же значение эффективности, что и полученное прямым методом, таким образом проверка метода.

Обсуждение — Мы были очень доволен тем, что такая сложная система, как электростанция Гэвин поддается этому упрощенному анализу.Обратите внимание, что как бы сложная система, мы можем легко построить всю систему на P-h диаграмму, чтобы сразу получить интуитивно понятный понимание и оценка работы системы. Диаграмма также служит полезной проверкой действительности, сравнивая каждое значение энтальпия, рассчитанная по значениям на оси энтальпии P-h диаграмма.

Аналитическая выходная мощность (1455 МВт) выше фактическая выходная мощность 1300 МВт в основном из-за значительного электроэнергия, необходимая для работы электростанции, а также тепла и потери давления, присущие большой сложной системе.Чтобы обосновать сложность семи закрытых подогревателей питательной воды мы проанализировали две более простые системы для сравнения. Во всех случаях мы использовали тот же массовый расход пара 1234 кг / с и такой же насос питательной воды турбинная система, как указано выше. Обратите внимание, что открытый нагреватель питательной воды также действует как деаэратор и резервуар для хранения, и поэтому является необходимым компонент системы.

  • Нет закрытой питательной воды обогреватели в системе. Это позволяет направить весь пар. к турбинам, что дает гораздо более высокую выходную мощность — 1652 МВт, однако со снижением теплового КПД с 46% до 41%.

  • Используя только три закрытых высокого давления подогреватели питательной воды, а не четыре замкнутых питателя низкого давления обогреватели. Это требует значительного увеличения количества отводимого пара. от выхода турбины промежуточного перегрева направить к открытому подогреватель питательной воды, что приводит к снижению выходной мощности на 1397 МВт с тепловой КПД 45%.

Таким образом, использование семи закрытых подогревателей питательной воды оправдано, что приводит к максимальному тепловому КПД вместе с удовлетворительная выходная мощность,

_______________________________________________________________________


Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *