Получил письмо с рассказом об изобретении. Письмо чуть странное, чуть трогательное. Пока переписывались, автор так и не назвал своего имени. Зато получилась небольшое сообщение. Ну, пусть, истинное творчество должно быть анонимным. Правда, нет и описания решения, но это как раз и не страшно – противоречия есть и основные ходы указаны – кто хочет, тот дальше восстановит сам.
Успехов автору!
Редактор
Рассказ о том, как я с помощью ТРИЗ изобретал идеальный паровой двигатель
А зачем и кому это надо?
Большинство людей воспринимают паровые машины как нечто устаревшее. Но большая часть электроэнергии производится с помощью паровых машин. Даже на атомных станциях. Ведь АЭС — это атомный реактор плюс паровая машина. Вот только на транспорте в качестве двигателей безраздельно властвует ДВС. Пока.
Пока что?
Пока нефть не кончилась, вот что.
На наш век хватит.
Большинство людей, живущих сегодня на земле, доживут до момента, когда нефть иссякнет. Нефть не исчезнет сразу. Просто постепенно сильно подорожает и будет дорожать дальше. Автомобиль из средства передвижения превратится в роскошь.
Далее я привожу записи своих рассуждений в процессе поиска технического решения над изобретением нового типа паровой машины. Созданию изобретения предшествовало длительное изучение проблематики паровых машин.
Должен извиниться за купюры в тексте. Изобретение пока не запатентовано. Приходится прятать НОУ-ХАУ. Почему вообще рассказываю о не запатентованном изобретении? Ответ на этот вопрос в конце статьи. Надеюсь, что и в таком виде статья представляет интерес. Обещаю, что после получения патента опубликую полный текст.
Шаг 1. Выявление технических противоречий в работе паровой турбины и поршневой паровой машины.
В результате долгих размышлений мне удалось сформулировать 2 противоречия:
Противоречие № 1:
Пар должен иметь высокую температуру и давление для достижения высокого КПД паровой машины.
Пар должен иметь низкую температуру и давление для достижения высокого КПД парового котла.
Пояснение:
Паровая двигательная установка состоит из двух основных частей: парового котла и собственно паровой машины. Поэтому КПД паровой двигательной установки зависит от КПД обеих этих частей.
Паровой котёл готовит «пищу» для паровой машины — пар. Теплоёмкость пара состоит из двух основных частей:
а) теплоты парообразования (конденсации)
б) теплоты перегрева пара
Если говорить в кулинарных терминах, то для паровой машины теплота перегрева пара является полезной легкоусвояемой пищей, а теплота парообразования (конденсации) - пища тяжёлая, плохо перевариваемая.
Паровая турбина способна использовать всю теплоту перегрева пара и примерно 1/8...1/5 часть теплоты парообразования (конденсации).
Поршневая паровая машина «переваривает» теплоту парообразования (конденсации) ещё хуже. Возьму на себя смелость утверждать, что именно из-за этого «хуже» поршневые машины были в своё время вытеснены паровыми турбинами. Существует понятие «мятый пар». Это пар, прошедший паровую турбину, из которого вычерпана вся теплота перегрева пара и 1/8...1/5 часть теплоты парообразования (конденсации). Остающаяся там теплота огромна, но может быть использована в лучшем случае для нагрева горячей воды в целях отопления и горячего водоснабжения. Основной путь для повышения КПД паровой турбины: повышение температуры и давления пара с целью увеличения доли теплоты перегрева пара в общей теплоёмкости пара. Действительно, КПД паровой турбины при этом возрастает. Но вот незадача, КПД парового котла при этом падает. Больше тепла уносится в атмосферу газообразными продуктами сгорания топлива. Ведь температура этих газообразных продуктов сгорания не может быть ниже температуры вырабатываемого котлом пара. Общий рост КПД всей паровой двигательной установки получается меньше желаемого.
Противоречие № 2:
Водяной пар, при совершении работы внутри паровой машины, должен перейти в жидкое состояние, для обеспечения высокого КПД.
Водяной пар, при совершении работы внутри паровой машины, должен остаться в газообразном состоянии, чтобы не нарушалась работоспособность машины.
Пояснение:
Если пар отдаст в процессе совершения полезной механической работы всю содержащуюся в нём теплоту перегрева пара и теплоту парообразования (конденсации), то неизбежно превратится в жидкость. При этом КПД процесса будет максимальным.
Если пар останется в газообразном состоянии, в нём останется теплота парообразования (конденсации) и не будет использована для совершения полезной механической работы. КПД процесса будет «как всегда».
История создания и совершенствования поршневой паровой машины — это история борьбы с каплеобразованием в поршневой полости. Капризный пар всё время норовил превратиться в капли воды и начать скапливаться в поршневой полости, нарушая работу машины.
Работе паровых турбин капле образование также вредит. В последних ступенях паровых турбин, работающих на влажном паре, капли воды в потоке пара создают дополнительное трение, снижая КПД. Они также вызывают разрушение поверхностных слоев металла лопаток и корпусных деталей в результате ударного воздействия, называемое эрозией.
Шаг 2. Здесь я попробовал сформулировать ИКР:
Паровая машина, использующая пар низкого давления и температуры, не теряющая работоспособность при переходе пара внутри машины в жидкое состояние.
Вопрос самому себе: «Что способствует образованию пара?»
Нужно попробовать мой любимый принцип: «Попробуй сделать наоборот!».
Как добиться конденсации пара в жидкость внутри паровой машины ?
Тут всё просто: пар, расширяясь и одновременно совершая механическую работу, охлаждается и конденсируется. Всё дело только в геометрической степени расширения. То есть, во сколько раз увеличился первоначальный объём пара. Если повысить температуру и давление пара — повысится требуемая степень расширения.
Конечный результат одинаков. Пар превращается в воду. Почти весь. Очень малая часть останется в виде насыщенного пара. Если есть жидкая вода, есть и пар над её поверхностью, независимо от температуры. Даже над поверхностью снега и льда всегда есть небольшое количество водяного пара.
Шаг 3. Тогда я решил переформулировать ИКР:
Паровая машина, способная избавляться от конденсата пара, чтобы не терять работоспособность. Имеющая высокую степень геометрического расширения пара.
Неплохой вариант, только как это сделать?
Шаг 4. Решил использовать Метод Маленьких Человечков.
Нарисовал во весь лист паровой цилиндр с поршнем. Отверстие для впуска и выпуска пара нарисовал с глухого торца цилиндра. С системой клапанов разберёмся позже. Их рисовать не стал. Маленькие кружочки по всей полости цилиндра — молекулы водяного пара. И маленькие человечки. Тоже по всей полости. Можно по человечку на каждую молекулу посадить. Будет как барон Мюнхаузен на пушечном ядре. Нет, пусть у меня лучше будет Метод Маленьких Осьминогов. Не человечков, а осьминогов, чтобы было побольше конечностей. Рук там или ног. Создаём сетку, сотканную из маленьких осьминогов, сцепившихся друг в друга, каждый несколькими конечностями. А ещё несколько конечностей у каждого пусть будут свободными, чтобы ими молекулы воды двигать.
Начинаем фазу впуска.
Подаём в полость под поршнем свежий горячий пар. Молекулы пара заполняют весь свободный объём. Ага, сразу проблема. Стенки цилиндра имеют низкую температуру после предыдущего рабочего цикла. Известная проблема. Молекулы воды могут быстро охладиться о стенки цилиндра и часть тепловой энергии пара на это будет израсходована. Нам такие тепло потери не выгодны.
Выстраиваем вдоль стенок Маленьких осьминогов. Плотными рядами. Их задача — не допустить передачи тепла от молекул пара стенкам цилиндра. Просто сплошной осьминожий барьер между паром и материалом стенок цилиндра. Так, хорошо. Молекулы горячего пара совершают броуновское движение, ударяются друг о друга и о стенки цилиндра и поршня, создавая давление на поршень. Поршень двигается, объём полости увеличивается. Пар продолжает поступать. В определённом положении происходит отсечка заполнения. Порция пара получена и заперта в герметичном объёме.
Начинаем фазу расширения.
Поршень движется, объём полости растёт. Пар постепенно остывает. Скорость броуновского движения молекул падает. Теплота перегрева пара преобразуется в механическую работу. Вот теплота перегрева пара вся израсходована. Пар перестал быть сухим, появилась влажность. Дальше процесс расширения идёт при постоянной температуре, постоянно падающем уровне энтальпии и растущей влажности пара. Молекулы пара уже не всегда отскакивают при соударениях. Некоторые стали слипаться в пока ещё микроскопические капли жидкой воды. Пора их толкать в сторону выпускного клапана.
Осьминоги свободными конечностями толкают микрокапли воды в сторону выпускного клапана. Микрокапли растут в размере. Надо, чтобы осьминоги в первую очередь толкали наиболее крупные капли. Ого, некоторые микрокапли соприкасаются со стенками цилиндра. Что будет? Ясно что, прилипнут. Это плохо. Микрокапля, свободно плавающая в пространстве гораздо лучше той, что уже прилипла к стенке. Сила смачивания будет удерживать прилипшую каплю на поверхности. Ставим на стенки цилиндра ещё один слой осьминогов. Их задача: отталкивать микрокапли от стенок цилиндра, не позволяя прилипать. Те микрокапли, которые свободно плавают, подхватывают осьминоги, висящие в объёме, и толкают в сторону выпускного отверстия. Желательно, чтобы крупные капли толкали в первую очередь. Придётся, видимо, выпускное отверстие делать размером побольше, во всю торцевую стенку цилиндра.
Объём пара достиг максимума.
Начинаем фазу выхлопа.
Клапан снаружи цилиндра открывается и выпускает пар наружу. Остаточное давление пара невелико, слабовато выносит наружу микрокапли воды. Осьминогам приходится помогать, толкая микрокапли всё в том-же направлении. Нужно вытолкать их все в выпускное отверстие.
Начинаем фазу впуска.
Цикл замкнулся. Требуется провести анализ того, что получилось.
1. Поверхности, соприкасающиеся с паром, следует покрыть двумя слоями. Один слой теплоизолирующий, второй (фраза удалена). Ну, с этим ясно. Может, даже (фраза удалена). Это было бы хорошо. (удалён большой кусок текста)
2. А что нам будет толкать капли воды на протяжении почти всего цикла в сторону выхлопного отверстия? Какое-то поле или физический эффект требуется применить. Чтобы действовало на капли в зависимости от их размера. На крупные сильнее. Но толкать всё время требуется только в одну сторону. Это облегчает задачу. А что, сила гравитации пожалуй, подойдёт. Действует всегда в одну сторону, на крупные объекты действует сильнее. Разворачиваю свою картинку выпускным отверстием вниз. До этого всё время горизонтально держал. Да, определённо подойдёт. Но тут-же возникли сомнения. Не слабовато-ли будет. Капли то ведь микроскопические, вес у них мизерный. Какую-нибудь силу по мощнее бы, чем сила тяжести.
А что там у паровых машин в конструкции, может что есть, какое свойство или поле. Чтобы использовать, не вводя ничего нового. Есть, определённо есть мощная сила, сходная по природе с силой гравитации. Центробежная сила. Раз вал паровой машины вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту, центробежная сила там приличная. Только как её использовать?
Ну, если цилиндр с поршнем будут вращаться, чтобы внутри образовалась центробежная сила, следовательно, коленчатый вал стоит на месте. Да это-же мой любимый принцип: «Попробуй сделать наоборот!» Уже хорошо. Обычно, когда используешь этот принцип, получается хорошо. Правда, непонятно, как будут работать клапана, ну да разберёмся.
Сразу вспомнилось: были популярны в СССР до Великой отечественной войны двигатели для самолётов воздушного охлаждения звездообразной компоновки. Там в середине колен вал, а вокруг по диаметру равномерно размещены несколько цилиндров с поршнями. Вот бы нечто с такой компоновкой заставить вращаться вокруг колен вала! Правда, опять непонятно, как устроить работу клапанов и коллекторов подачи и выхлопа пара. Вспомнил ещё про двигатель Венкеля. А потом решил поискать среди существующих конструкций подобное. Ведь часто бывает, придумаешь что-то новое, а оказывается, такое уже есть, кто-то до тебя уже придумал. Надо в интернете поискать. Как раз всплыло в голове откуда-то словосочетание «с вращающимися поршнями». Где-то что-то такое читал или слышал. Стал искать в интернете. Информации вылезло — просто тьма.
Вот, например, цитата: Двигатель Гнома (Gnome) был один из нескольких популярных роторных двигателей военных самолетов времен Первой Мировой войны. Коленчатый вал этого двигателя крепился к корпусу самолета, в то время как картер и цилиндры вращались вместе с пропеллером.
Оказывается, всяких двигателей с вращающимися цилиндрами, поршнями и прочими полостями неопределённой формы изобретено полно. Нужно только подобрать подходящий прототип для паровой машины.
Некоторое время я перебирал варианты. Основная сложность с клапанами. Желательно иметь выпускной клапан там, куда центробежная сила гонит микрокапли воды. Желательно также, чтобы размер выпускного отверстия был большой. В идеале — во всю дальнюю от центра вращения стенку цилиндра (или уж не знаю, какой-то формы полости, в которой пар расширяется).
Перебирал существующие варианты двигателей и прочих механизмов, работающий по принципу объёмного расширения, пытаясь приспособить под паровой двигатель. Бумаги извёл много. Наконец, остановился на (фраза удалена) механизме, известном в качестве (фраза удалена).
Достоинства: простая конструкция, отсутствует (фраза удалена)
Недостаток: довольно маленький срок службы (фраза удалена). В условиях интенсивной работы потребуется частый ремонт. Но так и так придётся (фраза удалена), контактирующие с паром, (фраза удалена). А у (фраза удалена) коэффициент трения. (фраза удалена) окажутся, в том числе поверхности, работающие на износ. В результате будем иметь низкие потери на трение и высокую долговечность всего механизма.
Предвижу, мне скажут: «Ну и что ты изобрёл? Да твой паровой двигатель на чертеже невозможно отличить от прототипа ни на общем виде, ни в разрезе. Материалы он там где то другие применил. Свойства деталей видишь ли изменились какие-то. Тоже мне изобретение.»
Ну и ладно. Зато задача решена. Двигатель будет воду выплёвывать без остатка. Степень геометрического расширения пара очень приличная. И конструктивное решение простое и логичное. Применяемые материалы обеспечат высокую долговечность машины.
Сейчас пишу текст заявки на патент.
Дальше немного о грустном. Я в настоящее время живу в Чехии. Ближайшие русскоязычные патентные поверенные есть в Германии. В Праге нет, я искал. Немецкие патентоведы за свои услуги хотят весьма приличных денег. Мне такую сумму долго копить. Да и получение патента не является самоцелью. Любой патент можно обойти. Мои проблемы — это проблемы одиночки. Всё равно один ничего не сделаю. Слишком серьёзная тема. Создание нового типа двигателя — дело очень дорогое, одиночке не под силу. Нужно искать серьёзных союзников. Если найду, то проблема стоимости патентования станет малозначимой. Появятся другие проблемы, связанные с дальнейшей работой над проектом. А если не найду, то нет смысла отнимать деньги у собственной семьи. Я не фанатик технического творчества.
Поэтому я решил начать рассказывать о своём изобретении в интернете, рекламировать его. Стараюсь рассказывать подробно, но НОУ-ХАУ не раскрываю. Цель понятная — найти единомышленников, союзников,. Тактика, конечно, рискованная. Но здесь просматриваются две опасности:
а) Изобретение могут украсть
б) Изобретение может пропасть вместе со мной. Допустим, завтра со мной что-то случится. Под машину, например, попаду.
Я для себя решил, что если у меня украдут, то это будет меньшее зло. Пусть крадут, если кому надо, был бы из этого прок.
Да, и ещё есть два соображения в качестве послесловия:
1. Может быть, кто-то прочитав эту статью и хорошенько подумав, изобретёт свой вариант паровой машины, ещё лучше, чем мой.
2. Вдруг и у меня какой-то новый вариант родится, тогда задержка с патентованием окажется благом.
www.metodolog.ru
История, с которой можно ознакомиться ниже, длится уже около трех лет. И, как я могу судить, она далека от завершения. Найденные принципиальные решения снимают или делают менее обостренными некторые из ключевых противоречий, присущих паровым пашинам. Но им на смену приходят технические трудности, все эти сложности нанесения, равномерности покрытия, износы и прочие, не видимые потребителю страсти.
Пожалаем автору благополучно их преодолеть.
Редактор
Рассказ о том, как я с помощью ТРИЗ изобретал идеальный паровой двигатель
Какой восторг испытал я, когда с помощью ТРИЗ смог придумать техническое решение, над которым ломал голову несколько месяцев. Тут же по горячим следам написал статью о ходе размышлений. Получилось занимательно и даже поучительно, но полностью раскрыто техническое решение. Если обнародовать в таком виде, о патентовании можно даже и не думать. Решил вырезать маленькие кусочки, чтобы замаскировать суть технического решения. В таком урезанном виде статья провисела на сайте более двух лет (http://www.metodolog.ru/node/896).
. Но вот наконец заявка на изобретение отправлена в Роспатент и можно раскрывать суть технического решения. Искренне надеюсь, что полная версия статьи заинтересует желающих использовать ТРИЗ в своей работе.
Сергей Емелин
А зачем и кому это надо?
Большинство людей воспринимают паровые машины как нечто устаревшее. Но большая часть электроэнергии производится с помощью паровых машин. Даже на атомных станциях. Ведь АЭС — это атомный реактор плюс паровая машина. Вот только на транспорте в качестве двигателей безраздельно властвует ДВС. Пока.
Пока что?
Пока нефть не кончилась, вот что.
На наш век хватит.
Большинство людей, живущих сегодня на земле, доживут до момента, когда нефть иссякнет. Нефть не исчезнет сразу. Просто постепенно сильно подорожает и будет дорожать дальше. Автомобиль из средства передвижения превратится в роскошь.
Далее я привожу записи своих рассуждений в процессе поиска технического решения над изобретением нового типа паровой машины. Созданию изобретения предшествовало многолетнее изучение проблематики паровых машин.
В результате долгих размышлений мне удалось сформулировать 2 технических противоречия:
Противоречие № 1:
Пар должен иметь высокую температуру и давление для достижения высокого КПД паровой машины.
Пар должен иметь низкую температуру и давление для достижения высокого КПД парового котла.
Пояснение:
Паровая двигательная установка состоит из двух основных частей: парового котла и собственно паровой машины. Поэтому КПД паровой двигательной установки зависит от КПД обеих этих частей.
Паровой котёл готовит «пищу» для паровой машины — пар. Теплоёмкость пара состоит из двух основных частей:
а) теплоты парообразования (конденсации)
б) теплоты перегрева пара
Если говорить в кулинарных терминах, то для паровой машины теплота перегрева пара является полезной легкоусвояемой пищей, а теплота парообразования (конденсации) - пища тяжёлая, плохо перевариваемая.
Паровая турбина способна использовать всю теплоту перегрева пара и примерно 1/8...1/5 часть теплоты парообразования (конденсации).
Поршневая паровая машина «переваривает» теплоту парообразования (конденсации) ещё хуже. Возьму на себя смелость утверждать, что именно из-за этого «хуже» поршневые машины были в своё время вытеснены паровыми турбинами. Существует понятие «мятый пар». Это пар, прошедший паровую турбину, из которого вычерпана вся теплота перегрева пара и 1/8...1/5 часть теплоты парообразования (конденсации). Остающаяся там теплота огромна, но может быть использована в лучшем случае для нагрева горячей воды в целях отопления и горячего водоснабжения. Основной путь для повышения КПД паровой турбины: повышение температуры и давления пара с целью увеличения доли теплоты перегрева пара в общей теплоёмкости пара. Действительно, КПД паровой турбины при этом возрастает. Но вот незадача, КПД парового котла при этом падает. Больше тепла уносится в атмосферу газообразными продуктами сгорания топлива. Ведь температура этих газообразных продуктов сгорания не может быть ниже температуры вырабатываемого котлом пара. Общий рост КПД всей паровой двигательной установки получается меньше желаемого.
Противоречие № 2:
Водяной пар, при совершении работы внутри паровой машины, должен перейти в жидкое состояние, для обеспечения высокого КПД.
Водяной пар, при совершении работы внутри паровой машины, должен остаться в газообразном состоянии, чтобы не нарушалась работоспособность машины.
Пояснение:
Если пар отдаст в процессе совершения полезной механической работы всю содержащуюся в нём теплоту перегрева пара и теплоту парообразования (конденсации), то неизбежно превратится в жидкость. При этом КПД процесса будет максимальным.
Если пар останется в газообразном состоянии, в нём останется теплота парообразования (конденсации) и не будет использована для совершения полезной механической работы. КПД процесса будет «как всегда».
Шаг 2. Здесь я попробовал сформулировать ИКР:
Паровая машина, использующая пар низкого давления и температуры, не теряющая работоспособность при переходе пара внутри машины в жидкое состояние.
Вопрос самому себе: «Что способствует образованию пара?»
Нужно попробовать мой любимый принцип: «Попробуй сделать наоборот!».
Как добиться конденсации пара в жидкость внутри паровой машины ?
Тут всё просто: пар, расширяясь и одновременно совершая механическую работу, охлаждается и конденсируется. Всё дело только в геометрической степени расширения, то есть, во сколько раз увеличился первоначальный объём пара. Если повысить температуру и давление пара — повысится требуемая степень расширения.
Конечный результат одинаков. Пар превращается в воду. Почти весь. Очень малая часть останется в виде насыщенного пара. Если есть жидкая вода, есть и пар над её поверхностью, независимо от температуры. Даже над поверхностью снега и льда всегда есть небольшое количество водяного пара.
Шаг 3. Тогда я решил переформулировать ИКР:
Паровая машина, способная избавляться от конденсата пара, чтобы не терять работоспособность. Имеющая высокую степень геометрического расширения пара.
Неплохой вариант, только как это сделать?
Шаг 4. Решил использовать Метод Маленьких Человечков.
Нарисовал во весь лист паровой цилиндр с поршнем. Отверстие для впуска и выпуска пара нарисовал с глухого торца цилиндра. С системой клапанов разберёмся позже. Их рисовать не стал. Маленькие кружочки по всей полости цилиндра — молекулы водяного пара. И маленькие человечки. Тоже по всей полости. Можно по человечку на каждую молекулу посадить. Будет как барон Мюнхаузен на пушечном ядре. Нет, пусть у меня лучше будет Метод Маленьких Осьминогов. Не человечков, а осьминогов, чтобы было побольше конечностей. Рук там, или ног. Создаём сетку, сотканную из маленьких осьминогов, сцепившихся друг в друга, каждый несколькими конечностями. А ещё несколько конечностей у каждого пусть будут свободными, чтобы ими молекулы воды двигать.
Начинаем фазу впуска.
Подаём в полость под поршнем свежий горячий пар. Молекулы пара заполняют весь свободный объём. Ага, сразу проблема. Стенки цилиндра имеют низкую температуру после предыдущего рабочего цикла. Известная проблема. Молекулы воды могут быстро охладиться о стенки цилиндра и часть тепловой энергии пара на это будет израсходована. Нам такие теплопотери не выгодны.
Выстраиваем вдоль стенок Маленьких осьминогов. Плотными рядами. Их задача — не допустить передачи тепла от молекул пара стенкам цилиндра. Просто сплошной осьминожий барьер между паром и материалом стенок цилиндра. Так, хорошо. Молекулы горячего пара совершают броуновское движение, ударяются друг о друга и о стенки цилиндра и поршня, создавая давление на поршень. Поршень двигается, объём полости увеличивается. Пар продолжает поступать. В определённом положении происходит отсечка заполнения. Порция пара получена и заперта в герметичном объёме.
Начинаем фазу расширения.
Поршень движется, объём полости растёт. Пар постепенно остывает. Скорость броуновского движения молекул падает. Теплота перегрева пара преобразуется в механическую работу. Вот теплота перегрева пара вся израсходована. Пар перестал быть сухим, появилась влажность. Дальше процесс расширения идёт при постоянной температуре, постоянно падающем уровне энтальпии и растущей влажности пара. Молекулы пара уже не всегда отскакивают при соударениях. Некоторые стали слипаться в пока ещё микроскопические капли жидкой воды. Пора их толкать в сторону выпускного клапана.
Осьминоги свободными конечностями толкают микрокапли воды в сторону выпускного клапана. Микрокапли растут в размере. Надо, чтобы осьминоги в первую очередь толкали наиболее крупные капли. Ого, некоторые микрокапли соприкасаются со стенками цилиндра. Что будет? Ясно что, прилипнут. Это плохо. Микрокапля, свободно плавающая в пространстве гораздо лучше той, что уже прилипла к стенке. Сила смачивания будет удерживать прилипшую каплю на поверхности. Ставим на стенки цилиндра ещё один слой осьминогов. Их задача: отталкивать микрокапли от стенок цилиндра, не позволяя прилипать. Те микрокапли, которые свободно плавают, подхватывают осьминоги, висящие в объёме, и толкают в сторону выпускного отверстия. Желательно, чтобы крупные капли толкали в первую очередь. Придётся, видимо, выпускное отверстие делать размером побольше, во всю торцевую стенку цилиндра.
Объём пара достиг максимума.
Начинаем фазу выхлопа.
Клапан снаружи цилиндра открывается и выпускает пар наружу. Остаточное давление пара невелико, слабовато выносит наружу микрокапли воды. Осьминогам приходится помогать, толкая микрокапли всё в том же направлении. Нужно вытолкать их все в выпускное отверстие.
Начинаем фазу впуска.
Цикл замкнулся. Требуется провести анализ того, что получилось.
1. Поверхности, соприкасающиеся с паром, следует покрыть двумя слоями. Один слой теплоизолирующий, второй водоотталкивающий. Ну, с этим ясно. Может, даже удастся подобрать материал, который одновременно и теплоизолирующий и водоотталкивающий. Это было бы хорошо. Стал искать в интернете материал с водоотталкивающими и теплоизолирующими свойствами. Остановился на фторопласте.
Фторопласт обладает:
Может применяться как конструкционный материал или в виде покрытия стальной поверхности. Вспомните тефлоновые сковородки. Тефлон — одно из названий фторопласта.
2. А что нам будет толкать капли воды на протяжении почти всего цикла в сторону выхлопного отверстия? Какое-то поле или физический эффект требуется применить. Чтобы действовало на капли в зависимости от их размера. На крупные сильнее. Но толкать всё время требуется только в одну сторону. Это облегчает задачу. А что, сила гравитации пожалуй, подойдёт. Действует всегда в одну сторону, на крупные объекты действует сильнее. Разворачиваю свою картинку выпускным отверстием вниз. До этого всё время горизонтально держал. Да, определённо подойдёт. Но тут-же возникли сомнения. Не слабовато-ли будет. Капли то ведь микроскопические, вес у них мизерный. Какую-нибудь силу по мощнее бы, чем сила тяжести.
А что там у паровых машин в конструкции, может что есть, какое свойство или поле. Чтобы использовать, не вводя ничего нового. Есть, определённо есть мощная сила, сходная по природе с силой гравитации. Центробежная сила. Раз вал паровой машины вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту, центробежная сила там приличная. Только как её использовать?
Ну, если цилиндр с поршнем будут вращаться, чтобы внутри образовалась центробежная сила, следовательно, коленчатый вал стоит на месте. Да это-же мой любимый принцип: «Попробуй сделать наоборот!» Уже хорошо. Обычно, когда используешь этот принцип, получается хорошо. Правда, непонятно, как будут работать клапана, ну да разберёмся.
Сразу вспомнилось: были популярны в СССР до Великой отечественной войны двигатели для самолётов воздушного охлаждения звездообразной компоновки. Там в середине колен вал, а вокруг по диаметру равномерно размещены несколько цилиндров с поршнями. Вот бы нечто с такой компоновкой заставить вращаться вокруг колен вала! Правда, опять непонятно, как устроить работу клапанов и коллекторов подачи и выхлопа пара. Вспомнил ещё про двигатель Венкеля. А потом решил поискать среди существующих конструкций подобное. Ведь часто бывает, придумаешь что-то новое, а оказывается, такое уже есть, кто-то до тебя уже придумал. Надо в интернете поискать. Как раз всплыло в голове откуда-то словосочетание «с вращающимися поршнями». Где-то что-то такое читал или слышал. Стал искать в интернете. Информации вылезло — просто тьма.
Вот, например, цитата: «Двигатель Гнома (Gnome) был один из нескольких популярных роторных двигателей военных самолетов времен Первой Мировой войны. Коленчатый вал этого двигателя крепился к корпусу самолета, в то время как картер и цилиндры вращались вместе с пропеллером.»
Оказывается, всяких двигателей с вращающимися цилиндрами, поршнями и прочими полостями неопределённой формы изобретено полно. Нужно только подобрать подходящий прототип для паровой машины.
Некоторое время я перебирал варианты. Основная сложность с клапанами. Желательно иметь выпускной клапан там, куда центробежная сила гонит микрокапли воды. Желательно также, чтобы размер выпускного отверстия был большой. В идеале — во всю дальнюю от центра вращения стенку цилиндра (или уж не знаю, какой-то формы полости, в которой пар расширяется).
Перебирал существующие варианты двигателей и прочих механизмов, работающий по принципу объёмного расширения, пытаясь приспособить под паровой двигатель. Бумаги извёл много. Наконец, остановился на пластинчатом ротационном механизме, известный в качестве вторичного двигателя, преобразующего потенциальную энергию давления сжатого воздуха в механическую работу на валу.
Достоинства: простая конструкция, отсутствует кривошипный-шатунный механизм.
Недостаток: довольно маленький срок службы пластин. В условиях интенсивной работы потребуется частый ремонт. Но так и так придётся покрывать поверхности, контактирующие с паром, фторопластом. А у фторопласта очень низкий коэффициент трения. Покрыты фторопластом окажутся, в том числе поверхности, работающие на износ. В результате будем иметь низкие потери на трение и высокую долговечность всего механизма.
Предвижу, мне скажут: «Ну и что ты изобрёл? Да твой паровой двигатель на чертеже невозможно отличить от прототипа ни на общем виде, ни в разрезе. Материалы он там где то другие применил. Свойства деталей видишь ли изменились какие-то. Тоже мне изобретение.»
Ну и ладно. Зато задача решена. Двигатель будет воду выплёвывать без остатка. Степень геометрического расширения пара очень приличная. И конструктивное решение простое и логичное. Применяемые материалы обеспечат высокую долговечность машины.
Название изобретения: «Способ преобразования тепловой энергии в механическую с помощью двигателя внешнего сгорания и двигатель Емелина»
Заявка на изобретение № 2013129116 от 25 июня 2013г.
www.metodolog.ru
Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения заключается в том, что преобразуют охлаждающую жидкость блока рабочих цилиндров (ДВС) в пар за счет тепла внешних стенок его цилиндров и тепла отработавших газов, и подают перегретый пар в ресивер, из которого его направляют в цилиндр. Отбирают паром тепло внутренних стенок рабочей камеры и цилиндра и совершают работу в цилиндре за счет энергии пара. Выпускают отработавший пар из цилиндра в конденсатор, и возвращают сконденсировавшийся пар в блок цилиндров. При этом впуск смеси воздуха с топливом в рабочий цилиндр осуществляют через клапан впуска, а выпуск отработавших газов из рабочего цилиндра - через выпускной клапан. Клапаны впуска и выпуска пара, клапаны впуска смеси воздуха с топливом и выпускной управляются электронным блоком управления с возможностью работы двигателя в режиме четырехтактного цикла двигателя или в режиме парового двигателя. 4 табл., 1 ил.
Область техники - автомобилестроение.
Уровень техники
При работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (Л.1) большое количество тепловой энергии не используется. Приблизительное распределение расхода тепловой энергии при работе ДВС можно увидеть в таблице 1 (Л.4).
| Таблица 1 | |
| Составляющие теплового баланса | % |
| Теплота, преобразованная в полезную работу | 25 |
| Теплота, отведенная в систему охлаждения | 40 |
| Потери на трение | 10 |
| Теплота, отведенная с отработавшими газами, и излучение | 25 |
| Итого | 100 |
Т.е. на 10 л израсходованного топлива двигателем только 2,5 л тратится на полезную работу. Если хотя бы частично использовать теплоту, отводимой системой охлаждения и отводимой отработанными газами, то можно повысить КПД ДВС. Такая попытка была сделана в изобретении паротопливного ДВС (Л12). В данном способе рядом с цилиндром двигателя внутреннего сгорания под углом, V-образно или последовательно устанавливают паровой цилиндр с поршнем, связанным шатуном с общим коленвалом. Горячие газы, выбрасываемые из цилиндра ДВС, направляют для нагрева головки парового цилиндра, выполненной в виде теплообменника. Запускают ДВС на топливе. При этом отработавшие горячие газы прогревают головку парового цилиндра и сам цилиндр. В результате температура головки может достигать 500 гр.С и выше. В головку парового цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) впрыскивают подогретую в рубашке ДВС воду. Мгновенно испаряясь, вода полностью переходит в пар. При этом пар может достигать давления до 50 кгс/см 2. При геометрических параметрах парового цилиндра, близких к параметрам цилиндра ДВС, будет получено усилие на коленвале, близкое к усилию в цилиндрах ДВС, т.е. мощность двигателя приблизительно удвоится. Но при этом необходимо учесть, что в нижней мертвой точке (НМТ) над поршнем будет находиться высокое давление пара. И, хотя выпускной клапан начнет открываться, в первоначальный момент ДВС необходимо затратить значительное усилие, соизмеримое с рабочим усилием для перемещения поршня в НМТ. Причем, с дальнешим открытием выпускного клапана давление над поршнем будет резко падать, хотя все-таки будет затрачиваться энергия на трение и на выталкивание пара. Получается, что при движении поршня под действием пара мощность значительно возрастает, а при движении поршня в паровом цилиндре вверх эта прибавка в мощности отсутствует и еще необходимо затратить энергию на поднятие поршня в ВМТ плюс затраты энергии на открытие и закрытие паровых клапанов. Т.е. нарушается ритмичность работы ДВС. Поэтому для реализации стабильной работы необходимы еще дополнительные технические решения, что усложнит конструкцию и сделает ее дороже. Так что, если из выигрыша в мощности, полученной при перемещении поршня из ВМТ в НМТ, вычесть энергию, затраченную для перемещения поршня из НМТ в ВМТ, и еще учесть затраты на открытие и закратие паровых клапанов, то может оказаться, что выигрыш КПД будет не таким значительным.
Сущность изобретения
Предлагается способ повышения КПД ДВС, для реализации которого принципиальная конструкция ДВС не меняется. Добавляется ресивер (на схеме В), конденсатор (на схеме С), два дополнительных клапана в цилиндрах - для впуска и выпуска пара (на схеме 3, 4), форсунка(на схеме Е) для впрыска воды в блок цилиндров блок управления. Чтобы максимально использовать энергию отводимого тепла, контур охлаждения с радиатором отключается от блока цилиндров. Его можно использовать в конденсаторе. В сам блок цилиндров с охлаждающей жидкостью (на схеме - А) вводятся патрубки, выводящие выхлопные газы из камеры сгорания (на схеме из клапана 2). Целесообразно выпускные патрубки изготавливать с радиаторами для большей отдачи тепла. А в сами патрубки ввести трубки из ресивера (на схеме g), в котором находится насыщенный пар. Так как это использовалось в паровозах, когда в жаровые трубы, через которые выводились раскаленные газы из топки, вводились трубки с паром из котла. Это дает возможность просушить пар и нагреть его до температуры 350-450 град.С (Л5). Т.е. выводные патрубки для вывода отработанных газов (клапан 2), проходя через охлаждающую жидкость в блоке цилиндров, отдают ей тепловую энергию и отдают энергию пару через трубки (на схеме g), которые проходят внутри выводных патрубков и выводятся в точке О для подачи пара в клапана 4. И на выходе трубок - это клапан 4 получается сухой перегретый пар. Сам корпус блока цилиндров также как и ресивер необходимо изготавливать, как котел высокого давления. При работе ДВС охлаждающая жидкость быстро нагревается, и часть ее начинает превращаться в пар, который поступает в ресивер В. При достижении давления пара 2,5-5 МПа его можно использовать для совершения работы в тех же рабочих цилиндрах(на схеме I-IV). Для этого в рабочий цилиндр устанавливаются четыре электронно управляемых клапана 1-4, работу которых регулирует блок управления. 1 - обычный впускной клапан для впуска смеси воздуха с топливом, 2 - обычный выпускной клапан для вывода отработанных газов, 3 - впускной клапан пара высокого давления из ресивера, 4 - выпускной клапан пара высокого давления.
Работа осуществляется следующим образом. Вначале при запуске двигатель работает в обычном режиме 4-х циклов (впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск) при участии клапанов 1 и 2. При повышении давления в ресивере до рабочего 2,5-5 МПа блок управления подключает к работе клапана 3 и 4 (клапаны 1-2 временно закрыты). Т.е. в один из рабочих цилиндров через клапан 3 подается пар высокого давления из ресивера В, что заставляет поршень перемещаться вниз и совершать работу. После чего клапан 3 закрывается и открывается клапан 4. Поршень перемещается вверх и отработанный пар поступает в конденсатор С. Порядок работы цилиндров показан в таблице 1.
Следует обратить внимание, что при поступлении пара из ресивера с температурой порядка 300 град.С в рабочую камеру, в которой перед этим прошел рабочий цикл и в которой температура стенок порядка 900-1000 град.С (Л2), будет происходить дополнительный отбор тепла паром. Причем при поступательном движении поршня будут открываться раскаленные внутренние поверхности цилиндра, что будет дополнительно нагревать пар и повышать давление на поршень. В какой-то момент времени можно закрыть клапан 3 и дальнейшее движение поршня будет осуществляться за счет энергии тепла от стенок цилиндра. Здесь же должно учитываться, что в конце рабочего хода поршня нужно уменьшать давление на поршень, приближаясь к нижней мертвой точке. Еще больше повысит эффективность системы подача пара в два цилиндра сразу (табл.3), поскольку отбор тепла будет осуществляться от стенок 2-х цилиндров сразу, только при таком режиме работы количество пара, подаваемого в один из цилиндров, будет меньше, чтобы суммарное усилие двух поршней не привело к резкому повышению давления на коленчатый вал. Сконденсированная жидкость собирается в емкости D. Откуда эта жидкость через форсунку высокого давления Е возвращается в блок цилиндров. При значительном снижении давления в ресивере блок управления переключает работу клапанов в режим обычной работы клапанов 1-2. В случае несанкционированного повышения давления в ресивере срабатывает аварийный клапан 5. В результате избыточное давление сбрасывается через выхлопную трубу F.
Получается, что при работе ДВС в таком режиме нарушается классический цикл работы цилиндров. Работа с паром предполагает два такта. Впуск пара, он же рабочий ход и выпуск. Поэтому необходимо стыковать классический режим работы на 4 такта с режимом работы с паровой приставкой и оперативно менять циклы работ в зависимости от давления в ресивере. Это возможно осуществить с помощью электронного управления фазами газораспределения.
В настоящее время существует множество различных решений электронного управления газораспределением. В частности, свои системы имеют Honda (VTEC), Toyota (VVT-i), Mitsubishi (MIVEC), Nissan (VVL) и др.(Л9). Например, двигатели Honda с системой VTEC К-20, К-24(Л11). Аббревиатура VTEC расшифровывается как Variable Valve Timing and Lift Electronic Control, что означает "электронная система изменения фаз газораспределения и высоты подъема клапанов". Интересными являются разработки с электромагнитными клапанами. Судя по открытым публикациям последнего времени [7, 8], группе немецких ученых и инженеров, работающих на фирме FEV (Motorentechnik GmbH, Aachen), удалось создать экспериментальный поршневой двигатель с электромагнитным приводом клапанов для автомобиля BMW. Есть такие разработки и в нашей стране (Л.6, Л.10).
Некоторые варианты циклов работы ДВС с паровой приставкой представлены в таблицах 1-3.
| Таблица 1 | |||
| I | II | III | IV |
| Вып | Раб | Сж | Вп |
| холостой | Вып | Раб | Сж |
| холостой | Вп | Вып | Раб |
| Вп | Сж | Раб(пар) | Вып |
| Сж | Раб | Вып(пар) | Вп |
| Раб | Вып | Вп | Сж |
| Таблица 2 | |||
| I | II | III | IV |
| Вып | Раб | Сж | Вп |
| холостой | Вып | Раб | Сж |
| холостой | холостой | Вып | Раб |
| Вп | холостой | Раб(пар) | Вып |
| Сж | Вп | Вып(пар) | Раб(пар) |
| Раб | Сж | Вп | Вып(пар) |
| Таблица 3 | |||
| I | II | III | IV |
| Вып | Раб | Сж | 1/2 Вп |
| холостой | Вып | Раб | Сж |
| холостой | 1/2 Раб (пар) | Вып | 1/2 Раб |
| 1/2 Раб (пар) | Вып(пар) | 1/2 Раб (пар) | Вып |
| Вып(пар) | Вп | Вып(пар) | Раб(пар) |
| Раб(пар) | Сж | Вп | Вып(пар) |
| Вып(пар) | Раб | Сж | Вп |
| Вп | Вып | Раб | Сж |
Колонки I-IV - это рабочие циклы в каждом из цилиндров. Холостой - холостой ход, Вп - впуск, 1/2 Вп - впуск уменьшенного количества топлива, Вып - выпуск, Сж - сжатие, Раб - рабочий ход, 1/2 Раб - работа с уменьшенным количеством топлива.
При хорошей теплоизоляции ресивера и блока цилиндров, а также при возможности увеличения обьема ресивера можно увеличить продолжительность работы с помощью пара. При уменьшении давления точка кипения, например, воды понижается. На таком принципе работали безтопочные (безогневые) паровозы. Зависимость точки кипения воды от давления видно из таблицы (Л.3):
| Таблица 4 | |||||||
| Темпе ратура, °С | Давление пара | Темпе ратура, °С | Давление пара | ||||
| мм рт.ст. | атм | кг/см 2 | мм рт.ст. | атм | кг/см2 | ||
| 105 | 906,4 | 1,193 | 1,232 | 165,3 | 5320 | 7 | 7,233 |
| 110 | 1075 | 1,415 | 1,362 | 170 | 5961,7 | 7,844 | 8,106 |
| 111/7 | 1140 | 1,5 | 1,55 | 170,8 | 6080 | 8 | 8,266 |
| 115 | 1269 | 1,673 | 1,726 | 175,8 | 6840 | 9 | 9,3 |
| 120 | 1491 | 1,962 | 2,028 | 180 | 7546,4 | 9,929 | 10,26 |
| 120/6 | 1520 | 2 | 2,067 | 180,3 | 7600 | 10 | 10,333 |
| 127,8 | 1920 | 2,5 | 2,583 | 184 | 8360 | 11 | 11,366 |
| 130 | 2030 | 2,671 | 2,76 | 188 | 9120 | 12 | 12,4 |
| 133,9 | 2280 | 3 | 3,1 | 192 | 9880 | 13 | 13,433 |
| 139,2 | 2660 | 3,5 | 3,617 | 195 | 10520 | 14 | 14,303 |
| 140 | 2718 | 3,575 | 3,694 | 200 | 11689 | 15,38 | 15,892 |
| 144 | 3040 | 4 | 4,133 | 213 | 15200 | 20 | 20,666 |
| 148 | 3420 | 4,65 | 4,65 | 220 | 17390 | 22,881 | 23,644 |
| 150 | 3581 | 4,742 | 4,869 | 230 | 20926 | 27,535 | 28,452 |
| 152,2 | 3800 | 5 | 5,167 | 236,2 | 22800 | 30 | 30,999 |
| 159,2 | 4560 | 6 | 6/2 | 269,5 | 38000 | 50 | 51,667 |
| 160 | 4652 | 6,12 | 6,324 | 311,5 | 76000 | 100 | 103,33 |
КПД самой паровой машины составляет порядка 20%, а КПД паровозов может достигать только 5-9% из-за недостаточной эффективности сгорания топлива в паровом котле и потерями тепла пара при передаче его от котла к цилиндрам (в двигателях, использующих цикл Карно, КПД выше). Поэтому предполагается, что внедрение вышеописанного способа, т.е. при использовании тепловых потерь ДВС для превращения этой энергии в пар и последующем использовании этого пара как рабочего тело в камерах сгорания, использующих цикл Карно, должно повысить КПД ДВС до 20%. Это позволит уменьшить расход топлива и уменьшить количество выхлопных газов, фундаментально не меняя конструкции ДВС. Можно упростить использование предлагаемого способа, убрав из схемы конденсатор и клапан 4. В этом случае выброс отработанного пара будет происходить в выхлопную трубу через клапан 2. Но при этом надо учесть, что периодически необходимо будет пополнять жидкостью емкость Е.
Список литературы
1. Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.
2. Гольдберг А.М., Галямичев В.А. Тепловой расчет четырехтактного двигателя:
Методич. указ. для студентов лесомеханического факультета спец. 0519. Л., 1985.
3. Лев Давидович Ландау, Александр Исаакович Китайгородский"Физика для всех": Молекулы. - 6-е изд., стер. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.
4. Элементарный учебник физики под редакцией академика Г.С. Ландсберга том 1, М. 1972.
5. Хмелевский А.В., Смушков П.И. Паровоз (Устройство, работа и ремонт). Учебник для технических школ железнодорожного транспорта. - 2-е издание. - М., 1979.
6. Соснин Д.А, Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. - М.: "СОЛОН-Пресс", 2005. 240 с.
7. Ernst Gschweitl. Signitikante Verringerung des Verschlei?es durch Optimierung des Vtntiltriebes. MTZ.61. 2000, № 1.
8. Stefan Pischinger und die anderen. Ladung sbewegung und Gemischbildung bei Ottomotoren mit voll variabler Ventilsteuerung. MTZ.62. 2001, № 11.
9. Материалы научнотехнической конференции ААИ "Автомобиле- и тракторостроение в России. Приоритеты развития и подготовка кадров", посвященной 145-летию МГТУ МАМИ. Скция 2 "Поршневые и газотурбинные двигатели".
10. Соснин Дмитрий Александрович. Автоматизированный электромагнитный привод газораспределительных клапанов поршневого ДВС: Дис. канд. техн. наук: 05.09.03: Москва, 2005, 204 с. РГБ ОД, 61:05-5/1903.
11. Микитенко А., Бушин C."Honda Idbufntkb К-20, К-24". Изд. Легион-Автодата, 2008 г.
12. RU, Номер патента: 2117803, Рег. номер заявки: 93017744, 06.04.1993, кл. Р02С 5/02.
Способ использования тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что преобразуют охлаждающую жидкость блока рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в пар за счет тепла внешних стенок его цилиндров и тепла отработавших газов, подают перегретый пар в ресивер, из которого его направляют в рабочий цилиндр через клапан подачи пара высокого давления, отбирают паром тепло внутренних стенок рабочей камеры и рабочего цилиндра, совершают работу в рабочем цилиндре за счет энергии пара, выпускают отработавший пар из цилиндра через клапан выпуска пара в конденсатор и возвращают сконденсировавшийся пар в блок цилиндров, при этом впуск смеси воздуха с топливом в рабочий цилиндр осуществляют через клапан впуска, а выпуск отработавших газов из рабочего цилиндра - через выпускной клапан, клапаны впуска и выпуска пара, клапаны впуска смеси воздуха с топливом и выпускной управляются электронным блоком управления с возможностью работы двигателя в режиме четырехтактного цикла двигателя внутреннего сгорания или в режиме парового двигателя.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и др. Смесь газообразного топлива и окислителя подают в ДВС компрессионного типа с коэффициентом избытка окислителя более 0,8, сжимают рабочим органом (например, поршнем, ротором и т.д.) до самовоспламенения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. В рабочий объем ДВС компрессионного типа можно подавать смесь газообразного топлива, окислителя, часть продуктов сгорания, воду или водяной пар, добавки, инициирующие процесс самовоспламенения горючей смеси и расширяющие пределы устойчивого сгорания. ДВС компрессионного типа может иметь также дополнительную систему зажигания горючей смеси (искровая, впрыск топлива и др.). Техническим результатом является обеспечение оптимального проведения процесса горения любых видов топлива в газовой и паровой фазе с повышением коэффициента полезного действия и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов, снижение тепловых и механических нагрузок двигателя. 19 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и др.
Известно, что дизельные машины, работающие на дизельном топливе, обеспечивают существенную экономию топлива по сравнению с машинами с принудительным воспламенением топлива. Однако существенный недостаток традиционных дизельных машин заключается в значительном содержании в выхлопных газах оксидов азота, углерода и остаточных углеводородных компонентов. В этом отношении предпочтительным представляется газообразное топливо, в частности природный газ. При его использовании резко сокращается содержание вредных веществ в выхлопных газах. Однако использование природного газа приводит к снижению мощности двигателя, и так как природный газ имеет достаточно высокую температуру воспламенения, то в традиционных ДВС используются различные источники принудительного зажигания, в частности калильного и искрового. В связи с тем, что при сгорании газового топлива в камерах сгорания ДВС развиваются высокие температуры, возникает необходимость в применении надежных систем зажигания специального типа, которые, однако, повышают себестоимость единицы механической и тепловой работы, производимой в подобных агрегатах. При этом выходная мощность газового двигателя сравнима с выходной мощностью традиционного дизеля только в том случае, если природный газ подается в камеру сгорания под давлением. Это, в свою очередь, ведет к усложнению конструкции газового двигателя и необходимости сложных систем управления его работой. Известны способы работы ДВС, основанные на компрессионном зажигании, в которых в качестве топлива используется метанол и другие низкоцетановые топлива (см. патент США N 4539948). Способ предусматривает применение модифицированной системы ограничения подачи воздуха в цилиндр ДВС, что достигается нагреванием заряда остаточными выхлопными газами. Уменьшение потока воздуха, подаваемого в рабочий объем, дополнительно контролируемого за счет байпасного потока, обеспечивает температуру заряда, необходимую для самовоспламенения метанола. Системы принудительного зажигания могут использоваться только для запуска и прогревания сырья. При этом метанол впрыскивается в цилиндр ДВС. В качестве топлива допустимо также использование других спиртов. Основным недостатком данного способа является относительно высокая стоимость и токсичность метанола. Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы ДВС компрессионного типа, в котором в качестве топлива используется водород (патент США N 4282835). В данном способе ДВС работает совместно с каталитическим реактором, в котором исходное топливо - метанол конвертируется в диоксид углерода и водород. Последний направляется непосредственно в рабочий объем ДВС. Ввиду относительно низкой температуры самовоспламенения водорода его компрессионное зажигание осуществляется без существенных трудностей. Скорость распространения и температура пламени водорода регулируется дополнительной подачей воды. Использование водорода в качестве топлива в данном случае обеспечивает низкую концентрацию вредных выбросов в выхлопных газах и повышает на 18-20% тепловую мощность ДВС, работающего на водородном топливе по сравнению с метанолом. Основным недостатком прототипа является использование в качестве компонента моторного топлива водорода, который имеет высокую стоимость, взрыво- и пожароопасность. Вызывает затруднение также хранение больших количеств водорода на заправочных станциях. Кроме того, возникает необходимость в использовании конвертора метанола в водород, что также усложняет способ работы ДВС. Задачей изобретения является обеспечение оптимального проведения процесса горения (полноты сгорания) любых видов топлива в газовой и паровой фазе с повышением КПД и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов (NOx, CO, CH и т.д.), снижение тепловых и механических нагрузок двигателя, что способствует улучшению его эксплуатационных характеристик. Поставленная задача решается тем, что способ работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем ДВС смеси окислителя и топлива, ее сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, согласно изобретению, топливно-окислительную смесь сжимают до ее самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя
> 0,8, где - мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому. Кроме того, достигнутый эффект может быть увеличен тем, что в рабочий объем ДВС подают продукты сгорания, дозированное количество воды или водяного пара, добавки, дополнительный поток топлива, дополнительный поток окислителя, дополнительный поток топливно-окислительной смеси. Кроме того, достигнутый эффект может быть увеличен тем, что в рабочий объем ДВС перед подачей топливно-окислительной смеси частично заполняют продуктами сгорания, продукты сгорания подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дозированное количество воды или водяного пара подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, добавки подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дополнительный поток топлива подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дополнительный поток окислителя подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дополнительный поток топливно-окислительной смеси подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, продукты сгорания подают в линию рециркуляции, в которые вводят окислитель и/или топливо, в продукты сгорания вводят окислитель и/или топливо, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС, в продукты сгорания вводят окислитель и/или добавки, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС, топливо подают в рабочий объем при повышенном давлении, окислитель подают в рабочий объем при повышенном давлении и дополнительно используют систему зажигания топливно-окислительной смеси. Способ предусматривает также подачу в рабочий объем ДВС потоков: продуктов сгорания, дозированного количества воды или водяного пара, добавок, дополнительных потоков топлива, окислителя и топливно-окислительных смесей. Причем, вышеперечисленные потоки допустимо подавать в различных (любых) сочетаниях. Кроме того, любые из вышеперечисленных потоков допустимо подавать в рабочий объем ДВС при сжатии топливно-окислительной смеси (в любой момент сжатия). Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в линию рециркуляции, а также в линию рециркуляции с подачей смеси через каталитический блок в рабочий объем ДВС. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания. Кроме того, как топливо, так и окислитель допустимо подавать в рабочий объем ДВС при повышенном давлении. Все вышеперечисленные варианты осуществления способа могут дополнительно использовать систему зажигания топливно-окислительной смеси. Сущностью настоящего изобретения является предложенный способ работы газового ДВС, который при сжатии топливно-окислительной смеси при коэффициенте избытка окислителя > 0,8 обеспечивает ее самовоспламенение, устойчивую работу с высоким КПД и мощностью, т.е. реализуется газовый ДВС компрессионного типа. Способ предусматривает также подачу в рабочий объем ДВС вышеприведенных дополнительных потоков в различных (любых) сочетаниях, подачу их при сжатии топливно-окислительной смеси, подачу их в линию рециркуляции, в линию рециркуляции через каталитический блок, подачу их в рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания, подачу топлива и окислителя при повышенном давлении, а также в сочетании с использованием системы зажигания. Все вышеприведенные варианты реализации предложенного способа способствуют улучшению показателей работы ДВС. В частности, если в качестве топлива используется метан, то согласно изобретению способ реализуется при подаче в ДВС на 1 моль Ch5 более 1,6 моля O2. В данном случае, в рабочем объеме ДВС протекает основная реакция Ch5+ 2O2
CO2+ 2h3O (1) И формула, по которой рассчитывается коэффициент избытка окислителя - , в данном конкретном случае имеет вид: = x/2 (2) где x - количество молей окислителя-кислорода, поданных в рабочий объем две. В общем случае коэффициент избытка окислителя рассчитывается по формуле: = x/n (3) где x - количество молей окислителя, фактически поданных в рабочий объем ДВС, а n - количество молей окислителя, соответствующих стехиометрии. В качестве топлива в предлагаемом способе может использоваться любой вид топлива в газовой и паровой фазе. В частности, может быть использовано топливо в газовой фазе на основе Ch5, C2H6, C3H8, н-, изо-C4h20, h3, CO, природного газа и др. Также допустимо использовать любое топливо, которое может быть в паровой фазе подано в рабочий объем ДВС. Допустимо использовать также любые смеси и сочетания приведенных видов топлив. В качестве окислителя в предлагаемом способе в первую очередь может использоваться воздух, обогащенный кислородом воздух, кислород. Допустимо использование других окислителей, таких как O3, h3O2, и др., как в сочетании с воздухом или обогащенным кислородом воздухом, так и индивидуально. Допустимо использовать также любые смеси и сочетания окислителей, которые могут быть поданы в рабочий объем ДВС. В качестве добавок в предлагаемом способе могут использоваться любые химические соединения, инициирующие процесс самовоспламенения горючей смеси, расширяющие пределы ее устойчивого горения, положительно влияющие на процессы, протекающие в ДВС. Перечислим некоторые из них. Оксигенаты: метанол, этанол, трет-бутиловый спирт, втор-бутиловый спирт, диметиловый эфир, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), метил-трет-амиловый эфир (МТЛЭ), этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ), этил-трет-амиловый эфир (ЭТАЭ), диизопропиловый эфир (ДИПЭ), метил-втор-пентиловый эфир (МВПЭ) и др. Азотсодержащие соединения: этилнитрат, изоамилнитрат, изопропилнитрат, циклогексилнитрат, октилнитраты, а также другие органические нитраты, нитросоединения, азиды, нитрозо- и азосоединения, органические нитриты и др. Органические пероксиды: бутилпероксид, ацетилпероксид, треб-бутилпероксиакрилат, а также гидропероксиды, производные органических пероксикислот и др. Различные антиоксиданты: фенолы и ароматические амины, полициклические углеводороды, нитросоединения, в том числе нитропарафины (нитрометан и др.), хиноны, нитроксильные радикалы, а также элементоорганические соединения, соединения серы, фосфора, марганца, железа и др. Вышеприведенные добавки далеко не охватывают все многообразие добавок, положительно влияющих на процессы, протекающие в ДВС, которые допустимо использовать в настоящем изобретении. На чертеже показано устройство для реализации заявленного способа. Способ осуществляется следующим образом. В смеситель 1 подают окислитель и топливо, например природный газ, с коэффициентом избытка окислителя более 0,8. Далее смесь поступает в рабочий объем 2, в частности в цилиндр(ы) ДВС, где сжимается рабочим органом 3, в частности поршнем, до самовоспламенения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. Способ предусматривает также подачу в рабочий объем 2 ДВС следующих потоков: продуктов сгорания (как из линии отработавших газов ДВС, так и от любого другого источника), дозированного количества воды или водяного пара, добавок, дополнительных (помимо подаваемых в смеситель 1) потоков топлива, окислителя и топливно-окислительных смесей. Причем перечисленные потоки допустимо подавать в любых сочетаниях. Кроме того, любые из вышеперечисленных потоков (и их сочетания) допустимо подавать в рабочий объем 2 ДВС при сжатии топливно-окислительной смеси (в любой момент сжатия, в том числе и при приближении к верхней мертвой точке) рабочим органом 3. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в линию рециркуляции продуктов сгорания, а также в линию рециркуляции с подачей смеси через каталитический блок 5. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в рабочий объем 2 ДВС, частично заполненный продуктами сгорания. Как топливо, так и окислитель допустимо подавать в рабочий объем 2 ДВС при повышенном давлении. Все перечисленные варианты осуществления способа могут дополнительно использовать систему зажигания 4 топливно-окислительной смеси. Предлагаемый способ был осуществлен на одноцилиндровом ДВС с рабочим объемом 1,36 л (типа КАМАЗ-740) при > 0,8. Примеры осуществления предлагаемого способа приведены в таблице.Формула изобретения
1. Способ работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем ДВС смеси окислителя и топлива, ее сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, отличающийся тем, что топливно-окислительную смесь сжимают до ее самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя > 0,8. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают продукты сгорания. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дозированное количество воды или водяного пара. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают добавки. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительный поток топлива. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительный поток окислителя. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительный поток топливно-окислительной смеси. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что рабочий объем ДВС перед подачей топливно-окислительной смеси частично заполняют продуктами сгорания. 9. Способ по п.2, отличающийся тем, что продукты сгорания подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 10. Способ по п.3, отличающийся тем, что дозированное количество воды или водяного пара подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 11. Способ по п.4, отличающийся тем, что добавки подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 12. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительный поток топлива подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 13. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительный поток окислителя подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 14. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительный поток топливно-окислительной смеси подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 15. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что продукты сгорания подают в линию рециркуляции, в которые вводят окислитель и/или топливо. 16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что в продукты сгорания вводят окислитель и/или топливо, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС. 17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что в продукты сгорания вводят окислитель и/или добавки, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС. 18. Способ по любому из пп.1 - 17, отличающийся тем, что топливо подают в рабочий объем при повышенном давлении. 19. Способ по любому из пп.1 - 18, отличающийся тем, что окислитель подают в рабочий объем при повышенном давлении. 20. Способ по любому из пп.1 - 19, отличающийся тем, что дополнительно используют систему зажигания топливно-окислительной смеси.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
На климатической конфернции ООН в декабре 1997 года в Киото была достигнута договоренность по уменьшению выбросов парниковых газов в пересчете на двуокись углерода СО2 в промышленных странах к 2012 году, вместе взятых, по сравнению с уровнем 1990 года, на 5,2% ( в том числе ЕС – 8%, США – 7%, Япония – 6%).
Одной из самых эффективных возможностей достичь этой цели является внедрение совместного производства электроэнергии и тепла. Строят как малые, средние, так и крупные комбиэлектростанции.
Комбиэлектростанции можно классифицировать по типу используемого теплосилового оборудования.
Силовая установка на базе двигателя внутреннего сгорания ДВС работает или по циклу Отто или Дизеля. К.п.д. такой установки при комбипроизводстве э/энергии и тепла составляет 89...92%. Установка, работающая по циклу Отто, в качестве топлива использует, как правило, природный газ. Соотношение тепловой и электрической мощностей составляет от 1,2...до 1.,7. Тепло вырабатывается как при использовании в теплообенниках тепла выхлопных газов, в системе охлаждения двигателя, маслоохладителе, так и охладителях перезагрузки. Выхлопные газы охлаждаются водой в теплообменнике от температуры 400-500 0С до 70 0С, температура воды на выходе из теплообменника достигает 115 0С.
В цикле Отто теплоту подводят в процесс при постоянном объеме V=const (рис. 1 Цикл Отто на pv- диаграмме)
На этой диаграмме:
1 – 2 – изоэнтропное (адиабатическое) компримирование рабочего тела;
2 – 3 – изохорный подвод V=const теплоты в цикл;
3 – 4 – изоэнропное (адиабатическое) расширение рабочего тела;
4 – 1 – изохорный отвод теплоты из цикла.
Этот термодинамический цикл является идеальным для многочисленного класса карбюраторных и газовых двигателей.
Термический к.п.д. цикла Отто
где - компрессия двигателя или степень сжатия
Степенью сжатия ε называется уменьшение объема рабочего газа в процессе компримирования.
Кроме этого цикл характеризует еще и изохорная степень повышения давления λ ( в процессе подвода теплоты)
λ = р3/p2.
В цикле Дизеля теплоту подводят в процесс при постоянном давлении P= const
Процессы 1-2, 3-4 и 4-1 - такие же как и в цикле Отто. А процесс 2-3 представляет из себя изобарный подвод теплоты в цикл
Рис.2 Цикл Дизеля на pv-диаграмме
1 – 2 - изоэнтропное (адиабатическое) компримирование рабочего тела;
2 – 3 – изобарный P= const подвод теплоты в цикл
3 – 4 – изоэнропное (адиабатическое) расширение рабочего тела;
4 – 1 – изохорный отвод теплоты из цикла.
По этому циклу работают судовые двигатели, дизельные привода электростанций. Такие двигатели работают на более тяжелом топливе ( дизель, солярка). Это двигатели с внутренним смесеобразованием. Топливо самовоспламеняется от сжатого до высокой температуры сжатого воздуха.
Термический к.п.д. цикла Дизеля
где ρ = V3/V2 = T3/T2 - изобарная P= const степень предварительного расширения при изобарном подводе теплоты.
Р
ис. 3 Установка совместного производства э/энергии и тепла на базе ДВС.
heitgaasid – выхлопные газы,
kütus – топливо,
kuuma vee väljastus – выход горячей воды,
väljuv kollektor – выходной колектор,
heitgaaside soojusvaheti – теплообменник уходящих газов,
mootor – двигатель
soojusvaheti – теплообменник,
külma vee sisend – вход холодной воды, generaator – генератор, elekter – электроэнергия
Используя тепло выхлопных газов, можно производить даже технологичесий пар. Электрическая мощность типовой силовой станции от 100 kW до 5 МW, но есть оборудование и меньшей мощности от 9 kW до 20 kW.
Газовые двигатели могут работать на двух различных режимах соотношения «воздух-топливо», которые различаются между собой в количестве выхлопных газов. Если нет значительных ограничений по выбросам, тогда газовый двигатель работает в режиме чуть превышающем стехиометрическое соотношение «воздух – топливо» и конструктивным исполнением двигателя достигается большая мощность и высокий к.п.д..
Работа паровой турбины основана на цикле Ренкина. В паровом котле произведенный пар расширяется в паровой турбине ( например, турбине противодавления), соединенной с электрогенератором, до давления необходимого паропотребителю. Преимуществами такой комбисистемы считают:
- возможность использовать различные топлива ( природный газ и дизельное топливо),
- сравнительно большой срок службы,
- сравнительно низкие производственные затраты,
- возможность применения для больших мощностей.
Рис.4. Циклы Карно и Ренкина на Ts- диаграмме в области влажного пара.
3*- 3 - изотермический процесс отвода теплоты в конденсаторе (5), т.е. пар конденсируется до конца, до состояния воды,
3 – 3’ - процесс адиабатического сжатия воды в питательном насосе (6),
3’ – 4 – процесс изобарного подвода теплоты к воде в парогенераторе (1), до температуры насыщения ts при заданном давлении.
4 – 1 – процесс изотермического подвода теплоты , перегрев влажного пара до состояния сухого насыщенного пара и в парогенераторе (1).
Работа газовой турбины проходит по циклу Брайтона. Эта технология сравнительно новая и используется последние 40-45 лет.
На рис. 5 представлен обратимый и необратимый цикл газотурбинной установки ГТУ с изобарным горением на T-s – диаграмме.
Обратимый цикл (1-2-3-4-1) состоит из следующих процессов:
1 – 2 – изоэнтропное (адиабатическое) сжатие ТДТ (воздуха) в компрессоре;
2 – 3 – изобарный процесс горения в камере сгорания;
3 – 4 – изоэнтропное (адиабатическое) расширение газов горения в турбине;
4 – 1 – изобарный отвод теплоты в окружающую средую
Термический к.п.д. цикла ГТУ с изобарным подводом тепла:
ηt = 1 – 1/πm
где π = p2/p1 – степень повышения давления в компрессоре m = (k-1)/k. Если k= 1,4, тогда m = 0,29 ( для воздуха)
Р
ис. 6. Схема комбинированной газо-паровой силовой установки, где:
1 – компрессор, 2 - камера сгорания, 3 – газовая турбина, 4 - парогенератор, 5 – паровая турбина, 6 и 7 – генераторы, 8 – конденсатор, 9 – питательный насос
Рис. 7 Т- s –диаграмма силовой установки комбинированного газо-парового цикла.
http://www.eprussia.ru/tech/articles/241.htm
Адиабатный газопаровой турбодвигатель объемного расширения
В ГПТД реализуется гибридный непрерывный рабочий цикл, состоящий из двух известных, осуществляемых раздельно в ДВС и паровых или газовых турбинах. При этом объединение двух рабочих циклов в один непрерывный обеспечивает срабатывание почти всего избыточного давления и почти всего избыточного тепла рабочих газов и пара и, соответственно, обеспечивает их суммарный КПД.
По существу, на газовый цикл традиционных ДВС, остаточная энергия газообразных продуктов сгорания которых велика и не используется, наложен паровой цикл, использующий теплоту предварительно расширившихся газов для генерации пара и его дальнейшего объемного расширения с ними до атмосферного давления газов и начала конденсации пара в жидкость.
Регулировка крутящего момента и, соответственно, мощности может осуществляться изменением подачи горючего и воды (или только воды – для мощных турбодвигателей) перепуском газопаровой смеси через ступень (по аналогии с паровыми турбинами).
Использование в рабочем цикле ГПТД водяного пара позволит не только более полно использовать теплоту продуктов сгорания, но и резко снизить удельный расход горючего, воздуха и выхлопных газов, обеспечивая их полную экологическую чистоту.
Известно, что в ДВС на сжигание 1 килограмма горючего в среднем расходуется 15 килограммов воздуха, а в авиационных ГТД – в 6 7 раз больше. В ГПТД удельный расход воздуха в 8 10 раз меньше, чем в ДВС, и в 50 60 раз меньше, чем в авиационных двигателях.
Эффективность использования водяного пара в рабочем цикле ДВС для снижения токсичности выхлопных газов доказана исследованиями специалистов. Однако при этом не оценивается влияние попадающих в атмосферу токсичных паров воды, после конденсации которых растворенные твердые и газообразные токсичные вещества попадают в почву и атмосферу, т. е. в целом выхлоп остается токсичным.
При работе ГПТД обеспечивается полная экологическая чистота выхлопных газов. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания, растворенные в процессе расширения в водяном паре, остаются в контуре двигателя в конденсате, который периодически может сливаться, нейтрализовываться, а выделенные токсичные отходы утилизироваться.
Расчеты показали, что фактически за счет тепловой энергии (теряемой в традиционных двигателях через систему охлаждения и с выхлопными газами) в газопаровом турбодвигателе объемного расширения до 70 процентов мощности, то есть больше половины, создается за счет нового газопарового термодинамического цикла и за счет оригинального механизма преобразования потенциальной энергии в механическую – турбины объемного расширения.
Турбодвигатель обеспечивает работу на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных двигателей с внешним и внутренним подводом теплоты и, соответственно, реализацию всех известных рабочих циклов ДВС. Самым эффективным, как и в поршневых ДВС, является «дизельный» вариант ГПТД.
Предварительные расчеты основных технических характеристик ГПТД позволяют утверждать, что для создания мощности в 1 кВт он будет потреблять примерно в 8 10 раз меньше горючего, чем потребляют лучшие образцы современных ДВС, соответственно в 8 10 раз меньше потреблять атмосферного кислорода и выбрасывать в атмосферу нетоксичных выхлопных газов. Удельные потери тепла в атмосферу снизятся не менее чем в 15 раз.
Эффективный КПД может достигать 75 80 процентов, то есть в два раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей. При использовании тепла пара или горячего конденсата потребителями тепловой энергии (промышленная ТЭЦ или автономная мини-ТЭЦ) термический КПД может достигать 90 процентов, в условиях космоса – до 92 процентов.
2 Технологии совместного производства электроэнергии и тепла в мини-энергетических установках
В последние годы как в США, так и в Европе получило широкое распространение использование небольших комбиэлектростанций на базе использования двигателя Стирлинга, преобразуемую в механическую энергию теплоту получает извне. Двигатель был запатентован Стирлингом ещё в 1816 году. Современный стирлинг-двигатель работает по замкнутому циклу, которй состоит из двух изотермических и двух изохорных процессов.
http://www.chipdip.ru/video.aspx?vid=ID000291919
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.
льфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
амма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность равна максимальной эффективности тепловых машин (эффективность цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения.
Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно находящейся при температуре окружающей среды) и «горячей» частью, которая обычно нагревается за счет сжигания любого вида топлива или других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.
К началу 90-х годов прошлого столетия работы по созданию двигателей Стирлинга проводились такими известными фирмами, как ‘Philips” (Нидерланды), “General Motors Co”, “Ford Motor Co”, “NASA Lewis Research Center”, “Los Alamos National Laboratory” (США), “MAN-MBW” (Германия), “Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp.” (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в “Daimler Benz” и “Cummins Power Generation” (СPG) и ряд других крупных фирм.
Совместной разработкой ученых Британии, Дании, Норвегии и Швеции является малая комбистанция Sigma PCP (personel combustion power plant) – индивидуальная комбистанция, которая работает на природном газе, электрическая мощность – 3 kW, тепловая – 9 kW, общий к.п.д. установки – 95 %
К.п.д. малых газовых турбин с керамическими лопатками мощностью 300 kW CGT 301 302 достигает 42%, температура газов на входе составляет 1350 0С. Если лопатки – металлические, то температура газов на входе – 900-950 0С и к.п.д. турбины – 15...20%.
Стирлинги в России
http://www.russianengineering.narod.ru/energie/stirlingrus.htm
К
огенерационная (совместное производство э/энергии и тепла) установка мощностью 9,5 кW электрической энергии и 30 кW тепловой энергии.
Преимущества использования когенерационных установок с двигателями Стирлинга на местном топливе в регионах РФ:
---Независимость от конъюнктуры рынка нефти и природного газа.
---Возможность загрузки местных предприятий на производство оборудования для заготовки и переработки местного топлива.
---Отсутствие необходимости создания хранилищ для запасов углеводородного топлива и его транспортировки.
---Отсутствие необходимости прокладки и обслуживания электросетей при электрификации отдаленных районов.
---Значительное сокращение расходов региональных бюджетов на закупку привозного топлива.
---Значительное сокращение расходов компаний нефтегазового комплекса на закупку привозного топлива за счет использования в качестве моторного топлива попутного нефтяного газа.
1..Стоимость 1 кWh производимой электроэнергии с помощью когенерационной установки будет составлять от 30 до 50 коп., что в 2–3 раза дешевле существующих тарифов.
2..Примерно в 2 раза увеличивается ресурс преобразователя прямого цикла когенерационной установки, по сравнению с ДВС.
3..При сгорании топлива содержание СО в обработанных газах в 3 раза ниже и значительно ниже содержание NO и СH, что соответствует самым жестким мировым экологическим стандартам.
4..Срок окупаемости когенерационных установок 2,5 года.
С
олнечная версия двигателя "Стирлинг 161", Германской фирмы SOLO системы (EURODISH).
Солнечная версия двигателя Стерлинг 161 используется между тем несколькими производителями в различных исполнениях. На испанском солнечном плато de Алмерию с 1997 работают 6 систем. В рамках поддержанного ЕС проекта в сотрудничестве с Schlaich Bergermann und Partner und MERO Raumsysteme GmbH, кроме всего прочего, теперь строится новое поколение системы Dish Стирлинг 10 кW. Целью проекта является сокращение стоимостей капиталовложений до 5.000 евро / kW. При этом снова вступает в действие Стирлинг 161 при модификациях в Receiver, Cavity и корпусе.
Характеристики нового Dish/Стерлинга системы (EURODISH): номинальная производительность СОЛО "Стерлинг 161" 10,0 кW брутто, диаметр солнечного зеркала 8,5м. В Alanya, центр исследования солнечной энергии Турции создал Kombassan холдинг - компанию, которая строит на подготовительных работах Cummins. Работы очень интенсивны и показывают хорошие результаты.
Энергетические балансы конденсационной станции на природном газе и установки комбинированного производства тепла и электроэнергии.
Н
етто- К.п.д. традиционных паросиловых энергетических установок производства электроэнергии составляют 38% и в перспективе к.п.д. можно увеличить до 43...44%.
Значительное увеличение к.п.д. достигается развитием на базе электропроизводства с использованием остаточного тепла для централизованного отопления. Но нагрузка централизованного отопления зависит от температуры наружного воздуха.
Для выполнения требований по охране окружающей среды на сжигающих твердое топливо станциях следует устанавливать дорогостоящие установки очистки дымовых газов от летучей золы, NOx и SO2, стоимость которых составляет до 30% от общей стоимости энергетической установки. Увеличивается стоимость квот на выбросы СО2.
В ЕС при планировании дополнительных установочных электрических мощностей предпочитают энергоустановки, работающие на природном газе, поскольку это топливо наиболее дружелюбно к окружающей среде и позволяет при производстве электроэнергии достичь к.п.д. 50%. Помимо этого электростанции, работающие на природном газе менее капиталоемкие и срок их строительства короче. Также электростанции на природном газе позволяют развивать рассеянное производство электроэнергии.
Установки газо-парового цикла комбинированного производства электроэнергии и тепла позволяют существенно повысить к.п.д. энергетической установки, а также существенно увеличить производство электроэенергии без увеличения при этом выбросов в атмосферу.
Увеличение к.п.д. достигается за счет того, что установка работает по бинарному циклу, в котором верхний цикл – газовый, а нижний – паровой и в нём используется теплота выхлопных газов верхнего цикла, а тем самым (эффективностью использования тепла) относительно уменьшается количество выхлопных газов.
Надстроить паровой цикл газовым возможно по той причине, что температура выхлопных газов газовой турбины выше температуры водяного пара в паротурбинном цикле.
К.п.д. комбинированного газо-парового цикла:
η = ( PGT + PAT) / QGT
где PGT – мощность газовой турбины
PAT – мощность паровой турбины
QGT – количество теплоты, поданное с топливом в камеру сгорания газовой турбины,
К.п.д. комбинированного газо-парового цикла с производством тепла:
η = ( PGT + PAT+ QS ) / QGT
Соотношение производимой электроэнергии и тепла:
α = (PGT + PAT) / QS
К.п.д. комбинированного цикла:
η = [ηGTQGT + ηATQGT ( 1 – ηGT)] / QGT = ηGT + ηAT (1 – ηGT)
К.п.д. газотурбинного цикла можно увеличить с увеличением температуры входящих в газовую турбину газов. Без охлаждения лопаток турбины их температура может быть мах 850...900 0С. Турбина Westinghouse спроектирована для температуры газов на входе равной 1236 0С и к.п.д. газотурбинного цикла составляет 58%. Серия Н газовых турбин комбиэлектростанций допускает температуру входящих газов равную 1430 0С и к.п.д. при этом – 60%.
ДВС работает по циклу Отто, как и бензиновый двигатель. Сжатая легкая топливовоздушная смесь ( 1: 15) воспламеняется от электрической искры свечи зажигания. Преимущества сжигания легкой топливной смеси состоит в низкой температуре горения и низком содержании NOx в выхлопных газах, поэтому каталитическая чистка выхлопов не нужна и затраты, соответственно, снижаются на 10%.
http://www.science.up-life.ru/fizika-teplovie-yavleniya/rabota-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya-cikl-otto.html
ДВС, работающие на легкой топливной смеси, изготавливают без предкамеры. Газовые двигатели предназначены для работы на природном газе. По сравнению с дизельными двигателями газовые двигатели дешевле. Потому что у дизелей обычно двухступенчатое горение и необходим воздушный компрессор, а также каталитическая чиства выхлопных газов.
Т
епло производится, помимо теплообменника - охладителя выхлопных газов, системами маслоохлаждения и охлаждения двигателя. Выхлопные газы охлаждаются до температуры 75 0С, температура воды на нужды центрального отопления на выходе со станции составляет 90... 115 0С.
Чтобы принять решение в целесообразности установки мини-комбиэлектростанции необходимо выяснить следующее:
- эффективное использование примарной энергии с высоким к.п.д.,
- уменьшение выбросов в окружающую среду,
- близкое расположение к потребителю, отсутствие длинных тепловых трасс,
- относительно низкие эксплуатационные расходы,
- компактность и высокий уровень автоматизации силовых станций.
Естественно, что внедрению проекта предшествуют исследования и расчеты по окупаемости инвестиций. Следует учитывать различие в цене на природный газ и электроэнергию в разных странах ( ЕС и ЭР), различия в системах налогообложения, в структуре потребления примарной энергии и другие факторы.
В этом смысле не всегда целесообразно копировать опыт других стран.
Обзор энергоустановок совместного производства электроэнергии и тепла малой мощности:
| Показатель | Единица измерения | Силовые установки | |||||
| Двигатель Отто | Дизель | Газовые турбины | |||||
| Электрическая мощность | MWe | До 0,5 MWe | Свыше 0,5 MWe | До 1 MWe | Свыше 1 MWe | 0,5...3 MWe | |
| Количество оборотов | p/min | 1500 | 1000 | 1500 | 1000 | 5000...14000 | |
| Соотношение производства тепла и э/энергии | 1,4...1,7 | 1,2…1,5 | 1,4…1,5 | 1,1…1,3 | 2,5…3,6 | 1,9…2,3 | |
| К.п.д. энергопроизводства | % | 32...34 | 33...35 | 35...36 | 36...37 | 15...27 | |
| Тепловой к.п.д. | % | 51...55 | 51...55 | 50...53 | 50...52 | 43...55 | 50...59 |
| Общий к.п.д. | % | 83...89 | 84...90 | 85...89 | 86...89 | 58...70 | 77...86 |
| Используемые топлива | Природный газ / биогаз | Дизельное топливо | Природный газ / жидкое топливо | ||||
| Срок службы до капремонта | h | 35 000 | 50 000 | 25 000 | 45 000 | 20 000 | 40 000 |
Технические и экономические показатели технологий совместного производства тепла и электроэнергии:
| Показатель | Технологии | ||||||
| Газовая турбина | Газовый двигатель | Комбицикл с газовой и термофикац. турбиной | Каменный уголь Термофикационная турбина | Солома Турбина противодавления | Торф Турбина противодавления | Древесная стружка Турбина противодавления | |
| Мошность, MW | 5…15 | 0,2…5 | 75…400 | 400 | 5…50 | 60…120 | 17…48 |
| Общий к.п.д. % | 90 | 89 | 88 | 91 | 84 | 88 | 88 |
| Электрический к.п.д. % | 35 | 39 | 55 | 45 | 23 | 29 | 23 |
| Выбросы СО2 кg/GJ | 57 | 57 | 57 | 95 | 0 | 0 | 0 |
| Выбросы SО2 кg/GJ | 0 | 0 | 0 | 0,05 | 0,1 | 0,1 | 0,02 |
| Выбросы NОx кg/GJ | 0,05 | 0,14 | 0,05 | 0,05 | 0,23 | 0,1 | 0,02 |
| Срок строительства, лет | 1,5 | 1 | 3,5 | 4,5 | 2,5 | 2,5 | 2 |
| Стоимость инвестиций млн евро/MW | 0,705 | 0,752 | 0,694 | 1,146 | 2,993 | 1,145 | 1,06 |
| Эксплуатационные затраты в год, % | 3 | 5,6 | 2,5 | 3 | 5 | 1,2 | 1,2 |
| Срок службы, лет | 25 | 22,5 | 30 | 30 | 30 | 25 | 25 |
Типовые технологические схемы производства электроэнергии и тепла:
auto-dnevnik.com
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.
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 и электромоторами, 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.
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.
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Диномe. 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 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 [Эдвард Сомерсет]. 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.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.
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». 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. 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.
Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.
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.
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.
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.[1]
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.
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 — Поршень2 — Шток поршня3 — Ползун4 — Шатун5 — Коленчатый вал6 — Эксцентрик для привода клапана7 — Маховик8 — Золотник9 — Центробежный регулятор.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.
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.[2][3]
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.
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.[4]
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.
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:
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.[5]
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 четырехкратного 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 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.
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.
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:
Паровой молот
Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба
Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:
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.
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:
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.
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 (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.
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.
dictionary.sensagent.com
