В чем достоинства парового двигателя

Ренессанс парового грузовика

Иван Трохин, инженер Фото НАМИ, cyclonepower.com, busmanjohn.files.wordpress.com, steamautomobile.com, stanleysteamcarparts.co.uk, beamishtransportonline.co.uk

Паровой транспорт, как сегодня считается, давно остался в прошлом. Однако возрождение, в частности, паровых грузовиков и автобусов (паробусов) представляется реальностью на современном уровне развития техники и технологии машиностроения. Это подтверждают зарубежные специалисты.

Идея создания современного, неприхотливого в эксплуатации, надёжного и работающего на дешёвом топливе парового грузовика занимала умы изобретателей и конструкторов после Великой Отечественной войны, когда эпоха пара в технике всё более уверенно вытеснялась дизельной.

Историкам автомобильной техники хорошо известен отечественный паровой грузовик НАМИ-012, разработанный в начале 1950-х гг. специалистами столичного Научного автомоторного института «НАМИ» и работавший на дровах. (см.

«Затея с паромобилями» и «Паровой автомобиль НАМИ-012»)

Паросиловая установка грузовика НАМИ-012 оказалась сложнее автомобильных силовых установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Правда, справедливости ради, необходимо отметить малоизвестный факт. На паровой машине НАМИ-012 были проведены экспериментальные исследования в широком диапазоне изменения частоты вращения выходного вала.

Удалось установить, что для паровых моторов (высокооборотных паровых машин) с ростом частоты вращения механический КПД монотонно снижается из-за роста механических потерь, но относительный индикаторный КПД увеличивается в большей степени, что объясняется значительным снижением потерь от утечек пара и теплообмена между паром и стенками цилиндров.

А вот гидравлические потери при впуске пара в цилиндр увеличиваются незначительно. После достижения некоторой критической частоты вращения вала наблюдается обратный эффект, когда с ростом частоты вращения гидравлические потери увеличиваются значительнее, чем снижаются потери от утечек пара и теплообмена, что приводит к снижению относительного индикаторного КПД.

Таким образом, при изменении частоты вращения вала у парового мотора его эффективный, относительные индикаторный и эффективный КПД увеличиваются только при условии, что частота вращения не превышает критического значения. Максимальные значения этих КПД достигаются при критической частоте вращения.

Выгодный пар

Паровой автомобильный транспорт, в том числе грузовики и автобусы, сегодня вполне реально рассматривать как один из возможных путей решения проблемы очищения воздуха в городах. Загрязнение атмосферы городов выхлопными газами уже достигло пределов, угрожающих здоровью людей. А что может предложить паровая техника?

Во-первых, выхлоп самой паровой машины экологически чистый – это водяной пар. Под паровым котлом можно сжигать фактически любое углеводородное топливо.

А выхлоп от котла будет гораздо чище, чем от ДВС, поскольку топливо сгорает в топке или горелке при значительно более низких давлениях, чем в цилиндрах ДВС.

Ещё возможно добавить к горелке некий аналог каталитического нейтрализатора выхлопных газов, как у ДВС.

Во-вторых, котлостроение за 60 с лишним лет, после создания паросиловой установки грузовика НАМИ-012, ушло далеко вперёд.

Создание в XXI столетии малогабаритного транспортного парового котла прямоточной конструкции, экономичного и с высокой степенью автоматизации работы – это объективная реальность. Кстати, такая задача была под силу ещё в докомпьютерную эпоху 1930-х гг. известным братьям Добл.

Особенно, если разработку сегодня вести с использованием компьютерных систем автоматизированного проектирования (САПР) для трёхмерного моделирования, расчётов и оптимизации.

В-третьих, ДВС нашего времени более компактны, чем ряд автомобильных паровых моторов прошлого, и вполне возможна конверсия их в современные паровые моторы.

У них будут все достоинства паровых поршневых машин: плавность хода, практическая бесшумность при работе, большой крутящий момент на валу, отсутствие коробки передач, сложной трансмиссии, стартера, глушителя.

Отпадает потребность и в смазочном масле: вполне сгодится вода!

В-четвёртых, опасность размораживания паросиловой установки в зимний период возможно свести на нет за счёт герметичной системы парообразования и применения незамерзающих жидкостей, способных эксплуатироваться длительное время без утечек.

В-пятых, многим специалистам может показаться, что запуск парового грузовика или автобуса будет более продолжительным, чем у обычного транспорта с ДВС. Однако уже к началу 1970-х были отработаны конструкции паровых моторов, способных переходить от холодного состояния до момента трогания с места транспортного средства всего за 30–35 с.

Паровой «Циклон»

Знания из истории паротехники (о неэффективной прямоточной машине Штумпфа), теории термодинамики и теплотехники (к примеру, как снизить потери в паровой машине), проектирование с использованием САПР, современные конструкционные материалы и отмеченные достоинства парового мотора – всё это воплощают в железе зарубежные изобретатели высокотехнологичного паросилового агрегата «Циклон». Мощностной ряд этих силовых агрегатов, в частности, для грузового автомобильного транспорта и автобусов успешно разрабатывается командой специалистов из США.

Автором изобретения «Двигатель с регенерацией тепла» (патент США US 7,080,512) является Гарри Шоэлл (Harry Schoell – англ.). Характерные особенности такого парового мотора из состава силового агрегата «Циклон» состоят в звездообразном расположении цилиндров и работе со смазкой деионизированной водой без смазочного масла.

Тепловой регенеративный поршневой двигатель внешнего сгорания «Циклон» может потреблять фактически любое жидкое или газообразное топливо.

Испытывали даже на апельсиновой кожуре! Имея уже необходимую патентную защиту (патент РФ RU 2357091) своего двигателя, как отмечают разработчики, они могут продавать лицензии на «Циклон» и инвестировать партнёров в России.

К слову, получено несколько десятков патентов по всему миру, как на агрегат в целом, так и на составляющие его элементы (например, на камеру сгорания парогенератора, компактный конденсатор отработавшего пара).

Силовой агрегат «Циклон» работает при давлении водяного пара на уровне 20 МПа и его температуре порядка 650 ºС. Он устроен и функционирует следующим образом. Вода из бака (условно не показан) подаётся в парогенератор 1, который вырабатывает свежий пар 2А, 2В. В камеру сгорания парогенератора 1 подаётся топливо и воздух 7В.

Свежий пар 2А, 2В поступает в клапанный паровой мотор 3 и срабатывает в нём. Отработавший пар 5А, 5В направляется в конденсатор 4. Для лучшей конденсации пара в конструкции конденсатора 4 предусмотрен охлаждающий вентилятор 6, создающий воздушный поток 7А. Конденсат 8А, 8В водяного пара подается обратно в парогенератор 1.

Несколько примеров по части материалов, из которых изготовлен силовой агрегат «Циклон». Так, корпус и основные детали парового мотора сделаны из лёгких сплавов и композиционных материалов: поршни – из алюминия, а недающие им соприкасаться со стенками цилиндров головки и уплотнения – из жаростойкого углеродного волокна.

Подведём итоги

Интерес к паровым грузовикам и автобусам, как и к другому паровому наземному транспорту, сегодня вновь возрождается. Причём если обратиться к истории, то такое происходит уже не в первый раз. Насколько окажется результативным очередной паровой ренессанс на транспорте? Это покажет время.

Плюсы и минусы парового двигателя и машины

Начнем рассмотрение темы с определения самого термина, паровая машина, это двигатель наружного сгорания, реорганизовывающий энергию пара жидкости, в работу выполняемую поршнем, с последующим преобразованием во вращение передаточного вала. В более обширном значении паровая машина — всякий агрегат с наружным сгоранием топлива, который реорганизовывает кинетическую энергию рабочего тела в полезную работу.

Первая такая машина сконструирована в XVII и состояла из цилиндра с одним поршнем, поднимающегося под давлением пара, а опускался под собственным весом.

По этой же схеме были сооружены в 1705 году насосные паровые машины для откачивания воды. Серьезные доработки в вакуумной машине были осуществлены Джеймсом Уаттом в далеком 1770 году. Последующей значительной доработкой данного типа двигателя (использование рабочим телом пара воды под высоким давлением) было произведено Оливером Эвансом уже в 1789 году.

Преимущества парового двигателя

• Использование любого горючего топлива. Ключевым преимуществом таких машин, как двигателей наружного сгорания топлива, в том, что по причине изолирования котла от узлов паровой машины появляется возможность использовать произвольное топливо – от дров до урана. Самый яркий пример этого преимущества использование энергии атомного ядра, ибо реактор не способен вырабатывать механическую энергию, а генерирует тепло, которое и применяется для испарения жидкости, повергающего в ход паровые машины (обычно это турбины).
• Использование возобновляемых источников энергии. Вторым важным фактором является то, что есть и иные источники энергии, которые невозможно использовать в других двигателях работающих на горюче смазочных материалах, к примеру, солнечная или гидроэнергия. Также любопытным курсом разработок есть применение разности внутренней энергии Мирового океана на различных его глубинах.
• Стабильность работы не зависит от значения атмосферного давления. Локомотивы с паровыми агрегатами хорошо рекомендуют себя на значительных высотах, связано это с тем, что их работоспособность не снижается в связи с понижением атмосферного давления. Паровозы по сей день применяются в горах Латинской Америки.
• Меньше масса по сравнению с остальными видами двигателей. Также, паровые поезда существенно легче, чем их дизельные или электрические аналоги, что чрезвычайно важно для горных колей. Особенностью пародвигателей есть то, что им не нужна трансмиссия, усилие передается непосредственно колёсам.
• Посейчас безальтернативно используется на электрогенерирующих станциях. Паровые турбины, принципиально являющиеся вариацией паровой машины, достаточно широко применяются в качестве силовых агрегатов электрогенераторов. Ориентировочно 86 % электроэнергии, вырабатываемой в мире, производится с применением турбин на пару.

Недостатки парового двигателя

• Загрязнение окружающей среды. Важнейшим недостатком на сегодняшний день является низкая экологичность двигателя. В процессе сгорания топлива высвобождаются: азот, сера. Также в атмосферу отправляется, большее количество тяжелых металлов.. Нельзя забывать и о том, что совершается высвобождение серьезного количества тепла. Это существенно сказывается и на климат Земли.
• Высокий расход топлива. Длившаяся целый век работа над доработкой конструкции паровой машины так и не привела к триумфу. И на сегодняшний день паровой поршневой силовой агрегат является самым «марнотратным» из всех остальных машин-двигателей.
• КПД так и не перешагнул отметку в 10%. Машины внешнего сгорания в свое время способствовали повсеместному использованию в коммерческих целях машин в промышленности и явились энергетическим фундаментом промышленного прорыва XVIII века. Но им было суждено уступить пальму первенства двигателям внутреннего сгорания, паровым турбинам и электромоторам, КПД которых оказалось значительно выше.
• Высокая эксплуатационная опасность. Хоть паровые двигатели и отличаются высокой надежностью и выносливостью, все же риски при эксплуатации в шахтах мануфактурах не раз давали о себе знать, взрывы и утечки пара могут серьезно навредить обслуживающему его персоналу и прилегающему имуществу.
• Наличие кривошипно-шатунного механизма. Кривошипно-шатунный механизм это конструкционный недочет, который устранить не удалось, а негативных последствий вытекает из него более чем достаточно, к примеру: низкооборотистость двигателя, следовательно, и тихоходность транспорта на основе данного типа двигателя, громоздкость конструкции, следовательно, невозможность установки допустим на воздушный транспорт.

Применение паровой машины

До конца первой половины XX века паровые двигатели повсеместно применялись во многих областях хозяйственной деятельности, по причине множества достоинств (высокая надёжность, работа с большими перепадами нагрузок, простота). К областям применения относится: транспорт. предприятия легкой и тяжелой промышленности с силовым и тепловым потреблением:

Однозначно употреблялись как привод в насосных станциях, паровозах, пароходах, тягачах, лесопильно-сушильных агрегатах и т.д.

Вывод

Основные изъяны парового поршневого силового агрегата такие как: не высокий коэффициент полезного действия, громоздкость конструкции и низкая оборотистость — с эволюцией производственных мощностей и вездесущим распространением машин и механизмов становились всё ощутимее. Возникла объективная необходимость в альтернативных видах тепловых двигателей, и они были разработаны:

1. Двигатель внутреннего сгорания.
2. Двигатель Стирлинга.
3. Роторный двигатель.
4. Твердотельный двигатель.
5. Реактивный двигатель.

Справедливости ради следует отметить, что двигатели внешнего сгорания полностью не «вымерли», а лишь нашли свою нишу во всем многообразии социально-промышленных потребностей человека.

Паровые установки для выработки электро- и тепловой энергии

Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель поршневого типа, а когда были изобретены паровые турбины, подобные двигатели часто стали называть турбомашинами.

Дешевые виды местного твердого топлива из биомассы (дрова, древесные пеллеты, брикеты, щепа, опилки) используются для генерации электроэнергии или когенерации, для чего разработаны несколько технологий. Основные:

• газификация — получение низкокалорийного горючего (генераторного) газа с его последующим использованием в газопоршневом двигателе, приводящем в действие электрогенератор;
• сжигание твердого топлива в паровом котле и использование полученного пара для работы паровой турбины;
• сжигание твердого топлива в паровом котле и использование пара для работы поршневого парового двигателя (классической паровой машины или парового поршневого двигателя).

Паровой двигатель Spilling Газовый детандер Spilling

Главным достоинством современных паровых поршневых двигателей (машин) по сравнению с маломощными (особенно одноступенчатыми) паровыми турбинами является меньший удельный расход пара при равных параметрах давления и температуры пара на входе и выходе и при одинаковой мощности паровой машины и паровой турбины. К плюсам классических паровых машин также надо отнести, по сути, постоянный удельный расход пара при изменении нагрузки в широких пределах (в отличие от двигателей внутреннего сгорания — ДВС) при постоянной частоте вращения (работе на синхронный электрогенератор).

А теперь сравним паропоршневые установки (ППУ) с газопоршневыми (ГПУ). Для работы ГПУ в качестве топлива используется не только природный газ, но и с недавнего времени биогаз и генераторный газ, полученный в результате газификации биомассы. При работе классического поршневого двигателя на генераторном газе мощность двигателя падает до 60%.

Но если сравнивать с классической паровой машиной, для работы которой используется водяной пар, то, согласно термодинамическому циклу Карно, его экономичность выше за счет того, что температура продуктов сгорания в ГПУ выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов парового котла.

Однако при работе ГПУ горючий газ высокой температуры необходимо охлаждать перед подачей в цилиндр газопоршневого двигателя, а это приводит к сбросу во внешнюю среду около 20% теплоты сгорания твердого топлива и делает ГПУ неконкурентоспособным классической паровой машине.

Принципиальным отличием паропоршневых двигателей от газопоршневых является наличие у первых накопителя энергии — парогенератора (парового котла), который играет роль пароводяного аккумулятора. Большое значение имеет и стабильность рабочего тела (пара). Отсюда следует, что кратковременные остановки котла не приведут к немедленной остановке самой паровой машины.

Чего не скажешь о газопоршневом двигателе, в котором при загрузке газогенератора топливом возможно изменение состава газа, а это может привести к остановке двигателя.

Существенное преимущество паровых двигателей заключается также в том, что для работы специализированных паровых котлов можно использовать биомассу (щепу или дрова) естественной влажности, а для газогенераторных установок влажность сырья, как правило, не должна превышать 20%. К тому же ГПУ требует более тщательного ухода, в отличие от паропоршневого двигателя.

Преимуществами ППУ перед ГПУ и ДВС являются высокая выносливость и долговечность, простота обслуживания и ремонта и возможность работы, по сути, на любом виде дешевого местного твердого топлива. Последнее условие важно, потому что обеспечивает возможность широкого использования топливных ресурсов на местах и независимость от привозного топлива (к примеру, от топлива так называемого северного завоза в России).

Выше мы сравнивали паровые машины с газопоршневыми двигателями, которые работают на газифицированной биомассе. Понятно, что при работе ГПУ на природном газе при генерации только электроэнергии их преимущество неоспоримо.

Однако при когенерации расклад не в пользу ГПУ; утилизировать тепловую энергию выхлопных газов значительно сложнее, чем тепловую энергию выхлопа паровой машины, т. к. коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара в теплообменнике в десятки раз выше коэффициента выхлопного газа ГПУ.

Паровая машина экологичнее за счет меньшего объема выбросов NO и CO. Работающие паровые двигатели замкнутого цикла менее шумные, чем ГПУ и ДВС. Паровая машина вполне может конкурировать и с паровой турбиной мощностью 1000-2500 л. с.

Конечно, по размерам и весу паровые машины больше в сравнении и превосходят паровые турбины, но за счет меньшей частоты вращения вала ППУ нет необходимости устанавливать редуктор. Ведутся и разработки компактных поршневых паровых двигателей. Например, компания из США Cyclone Power Technologies Inc.

разработала паропоршневой двигатель со звездообразным расположением цилиндров мощностью 75 кВт, КПД 31,5% — по аналогии с бензиновыми авиационными моторами, которые используются до сих пор на труженике советской и российской авиации — знаменитом биплане Ан-2.

Использование паровых машин

Рис. 1. Схема тригенерации с использованием парового двигателя

За рубежом в малой энергетике (мини-ТЭС) вместо малых паровых турбин успешно используются паровые машины, или, как сегодня принято говорить, паропоршневые (паровые) моторы или двигатели. Основной отличительный признак паропоршневых моторов от паровых машин — иной тип парораспределения. Паропоршневые моторы предназначены для работы с однократным расширением пара: пар из котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому как поступает топливно-воздушная смесь в цилиндры ДВС. А в классических паровых машинах пар проходит через все цилиндры последовательно и расширяется многократно.

Мировую известность получили немецкие паровые моторы фирмы Spilling. Это одноступенчатые поршневые паровые машины противодавленческого типа с системой золотникового расширения пара, отличающиеся от других современных паровых машин, которые работают по многоступенчатому принципу.

К сожалению, у модельного ряда паровых машин Spilling очень узкий диапазон мощности: от 100 кВт до 1,2 мВт.

Но ресурс у них довольно большой, и в последние годы компания-производитель предлагает их на российском рынке для установки на мини-ТЭС, работающих на биотопливе, на производствах, где есть возможность и необходимость редуцирования пара с расходом от 2,5 т/ч и на установках для утилизации отходов (ТБО, ТКО и др.).

Компания Spilling поставляет паропоршневой двигатель в сборе с электрогенератором как готовый к работе агрегат с системой управления, автоматизации и программным обеспечением. Такой двигатель может также работать на природном газе либо биогазе в качестве детандера. Стоимость 1 кВт установочной электрической мощности при расчетах можно принять от 1500 евро FCA.

Основные технические данные паропоршневых двигателей Spilling: электрическая мощность 100-1200 кВт; частота вращения — 750, 900 и 1000 об/мин; давление пара на входе — 4-60 бар, на выхлопе — 0,2-15 бар; температура насыщения пара — до 480°С. Для многих двигателей Spilling в качестве топлива используют биомассу, в первую очередь древесную.

Например, на одном из деревообрабатывающих предприятий в Африке установлен трехцилиндровый одноступенчатый паропоршневой двигатель Spilling электрической мощностью 437 кВт с давлением пара на входе 9 бар и на выхлопе 0,5 бар. Отходящий пар используется для обеспечения работы сушильной камеры. После ввода в эксплуатацию этого двигателя предприятие обеспечило себя дешевой электро- и тепловой энергией и, что особенно важно, обрело независимость от поставок электроэнергии из общей сети.

В числе других европейских производителей паропоршневых двигателей можно назвать чешскую компанию Tenza s. a.

, которая предлагает паровые двигатели мощностью от 10 до 120 кВт, и шведскую компанию Energiprojekt i Sverige AB, которая производит паровые двигатели мощностью от 500 до 1000 кВт с давлением пара на входе 30-60 бар и с заявленным КПД 25-30% (машины работают по термодинамическому циклу Ренкина с регенерацией и полезным использованием теплоты конденсации пара). Австрийская компания Foerdertechnik GmbH производит когенерационные паровые машины электрической мощностью 150 и 300 кВт и тепловой — 110 и 220 кВт соответственно, в топках паровых котлов которых можно сжигать биомассу, в частности щепу. Максимальная температура пара — 350°С, давление — 32 бар, паропроизводительность 200 кг/ч. Но стоимость этих машин, конечно, очень высокая — 280 тыс. и 480 тыс. евро. При такой стоимости эти «золотые» машины можно использовать только в некоторых европейских странах (Австрии, ФРГ и др.), где реализуются масштабные программы поддержки и субсидий ВИЭ и гарантируется оплата генерируемой электроэнергии по «зеленому» тарифу в течение продолжительного времени (до 20 лет). Поскольку в России о таких тепличных условиях можно только мечтать, то ориентироваться нужно в первую очередь на отечественных и азиатских (КНР, Тайвань, Вьетнам и др.) производителей и разработчиков оборудования. В мире производят сегодня и так называемые паровинтовые машины, которые в большей степени можно отнести к категории турбин, только ротор у этих машин не с лопатками, как у классических турбин, а в виде винта Архимеда — в основном цилиндрической или конусно-винтовой формы.

Первый отечественный паропоршневой мотор был спроектирован в Московском авиационном институте (МАИ) в 1936 году и предназначался для силовой установки экспериментального самолета. Двигатель работал на перегретом паре с давлением 6 МПа и температурой 380°С и на оборотах до 1800 об/мин.

В современной России нужно выделить научную группу «Промтеплоэнергетика» МАИ, которая предлагает довольно оригинальное решение вопроса экономически целесообразного применения паропоршневых машин в малой и децентрализованной энергетике России.

Разработчики предлагают создавать паропоршневые двигатели на базе серийно выпускаемых дизельных поршневых двигателей.

В конструкции ДВС сохраняется почти весь механизм газораспределения, который в ППУ становится механизмом парораспределения, также сохраняется кривошипно-шатунный механизм.

Подобный подход обеспечивает низкую стоимость парового двигателя, в отличие от зарубежных аналогов, благодаря тому, что в производстве используются серийные автомобильные двигатели и запчасти к ним. Кстати, понятие «паропоршневые двигатели» впервые было введено в 2003 году именно научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ.

Где использовать паровые машины эффективно?

В качестве объектов, энергетическую эффективность которых можно повысить при использовании современных паровых машин, могут выступать:

• промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами (паровая машина для привода электрогенератора);
• паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину целесообразно устанавливать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если электрическая мощность последних до 1,2 МВт и они изготовлены в одноступенчатом варианте или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
• технологические производственные установки на предприятиях, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии подобными установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности — печи для варки стекла, на цементных, консервных и маслоэкстракционных, ликероводочных заводах и во многих других отраслях промышленности). Использование для этого технологии ORC (органического цикла Ренкина) — более дорогое решение, учитывая и то, что модули ORC в России не производятся.

Технологические решения для мини-ТЭС — конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ — с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС.

Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т. ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация (см. рис. 1), т. е.

выработка одновременно трех видов энергии (электрической, тепловой и холодильной).

В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант значительно экономичнее, чем выработка холода с помощью электрических кондиционеров.

В качестве заключения

Паропоршневые мини-ТЭЦ, работающие на биомассе, энергоэффективнее паротурбинных, газопоршневых (при работе на генераторном газе, полученном путем газификации биомассы) и дизельных.

В паропоршневых мини-ТЭЦ удельный расход пара на выработку электроэнергии в 1,3-1,5 раза меньше, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при мощности 1200-1500 кВт. Современные паровые поршневые машины вполне могут использоваться в децентрализованной энергетике России.

Применяя местные альтернативные виды топлива, в основном древесную биомассу, можно успешно заменить во многих регионах дизель-генераторы паровыми машинами (паропоршневыми установками) и дополнительно получать тепловую энергию, в результате отказаться от северных завозов угля и дизтоплива.

Применение ППУ может способствовать энергосбережению при эксплуатации технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

https://www.youtube.com/watch?v=JuxerCbHfEs\u0026t=105s

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ, Германия, s.perederi@eko-pellethandel.de

В статье использованы некоторые материалы научной группы «Промтеплоэнергетика» МАИ и кафедры «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого

Принцип работы парового двигателя

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами.

Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии.

Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени.

Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую.

С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей. Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию.

Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла.

Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям.

Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами.

При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

• автомобиль;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов: 

• двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины; 
• двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). 

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.

Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель. 

Как работает паровой двигатель

• Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.
• Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.
• Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.
• Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины. 

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных. 

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями). 

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую. 

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Как работает локомотив

ПаровозСтроение паровоза

1. Топка
2. Дверь Топки
3. Колосники / Колосниковая Решетка
4. Поддувало – место для поддува воздуха
5. Уголь
6. Вода
7. Жаровые трубы
8. Регулятор
9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
10. Паровой купол
11. Главная Паровая Труба
12. Выхлопная труба
13. Взрывная Труба
14. Цилиндр
15. Поршень
16. Задвижка
17. Дымоход
18. Шатун
19. Рукоятка
20. Ведущее колесо
21. Паропровод для тормозов поезда
22. Боковые резервуары для воды
23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
24. Дымосборник 
25. Предохранительный клапан

1. Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.
2. Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.
3. По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.
4. Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

Паровые двигатели — Первая поровая машина

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.

При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Коэффициент полезного действия

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

,гдеWout — 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 °C