Каким может быть современный паровой двигатель

Современные паровые машины и энергосбережение в малой энергетике

И. С. Трохин, аналитик техники паровых машин, ВИЭСХ Россельхозакадемии

Сущность энергосбережения состоит, в конечном счете, в необходимости повышения эффективности использования топлива. Если говорить о малой генерации, этому в большей степени могут способствовать современные паровые машины, обладающие высоким энергетическим потенциалом.

Поршневой двигатель XXI века унаследовал величественные черты облика классической вертикальной паровой машины

На страницах журнала «Энергосбережение» уже рассматривались технико-технологические основы применения современных паровых поршневых машин [1, 2], унаследовавших от своих классических предшественников (рис. 1) высокую надежность в сочетании с неприхотливостью в эксплуатации. Однако паровые машины сегодняшнего дня находят вполне штатное энергоэффективное применение в малой стационарной энергетике, но пока только за рубежом, например в Германии, Чехии, Италии и некоторых других странах.

Классическая вертикальная паровая машина с золотниковым парораспределением

«Планетарность» современных паровых машин

Для наглядности понимания предназначения современных паровых машин в энергетике уместно ввести условное понятие-аналогию их «планетарности»: как планета Венера является мощным источником высоких температур, несущим в себе тепловую энергию, так и паровая машина сегодня представляется некой «планетой» с большим энергетическим потенциалом, при умелом использовании которого есть возможность повышать эффективность работы электростанций малых (до 1 МВт) и средних (1–10 МВт) мощностей. «Планетарность» проявляется при использовании паровых машин в составе паросиловых мини-ТЭЦ и мини-КЭС: тандем из машины-«планеты» и ее сопутствующего оборудования-«спутников» особенно выгоден как топливосберегающее мероприятие при внедрении в котельных с паровыми котлами. В последнем случае принципиально возможно не только исключить из работы котельной процесс бесполезного дросселирования пара на задвижке, но и обеспечить электроприемники котельной электроэнергией собственного производства, которая будет в разы дешевле закупаемой от централизованных электросетей.

Почему поршень?

Паровая машина как тепловой двигатель (см. справку) используется для получения в основном механической энергии из тепловой в энерговырабатывающих установках на объектах малой энергетики для привода электромашинных генераторов, а иногда и вспомогательного оборудования (к примеру, водяных насосов) малых и средних электростанций. Кроме этого, в некоторых котельных паровые двигатели лопаточного (рис. 2) и винтового (рис. 3) типов тоже внедряются, как далее будет показано, с целью обеспечения попутной электрогенерации.

Лопаточная одноступенчатая паровая турбина или колесо Кертиса

В зарубежной малой энергетике известно и успешно практикуется уже не один год альтернативное пароприводное решение для котельных и тепловых мини-электростанций (мини-ТЭС): вместо малых паровых турбин обоих упомянутых типов используются поршневые паровые машины, точнее паровые моторы. Из последних практически мировую известность получили немецкие Spilling-моторы.

Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель только поршневого типа (других еще не было). В этом смысле сегодня почти ничего не изменилось. Необходимо все же заметить, что с появлением турбин последние стали называть еще и турбомашинами.

Существуют и так называемые паровинтовые машины, принципиально относящиеся к категории турбин. Только ротор у таких агрегатов выполнен не с лопаточным венцом, а по типу винта Архимеда, обычно цилиндрической конструкции. Однако возможно более оригинальное исполнение – конусно-винтовая турбина (рис. 3).

Вариант исполнения винтовой паровой турбины

Главное энергетическое преимущество современных паровых поршневых машин – меньший, по сравнению с маломощными и особенно одноступенчатыми паровыми турбинами, удельный расход пара при равных параметрах (давлениях и температурах) пара на входе и выходе у сравниваемых двигателей при одинаковых мощностях. Хотя, как показывают исследования [3], энергетическая выгода рассматриваемой поршневой техники сохраняется, если даже параметры пара у сравниваемых электроагрегатов с паровыми двигателями не являются одинаковыми и существует даже некоторый больший перевес с форой в сторону паротурбинных агрегатов мощностью даже в несколько раз больше, чем у агрегатов паромоторных. Верхний предел единичной электрической мощности, например, для электрогенераторной установки со Spilling-мотором составляет 1,2 МВт.

Габаритные размеры и масса паровых моторов на сегодня несколько больше, если сравнивать с паровыми турбинами лопаточного и винтового типов. Однако отсутствие редуктора и дальнейшее совершенствование
создаваемых рядом разработчиков поршневых конструкций должны, по всей видимости, свести этот недостаток к минимуму. Но, вообще, последний не имеет первостепенного значения для наземных энергетических установок, и положительный зарубежный опыт эксплуатации паромоторных мини-ТЭС в определенной мере это подтверждает. Американская же компания Cyclone Power Technologies Inc. ведет разработки и испытания паровых моторов со звездо-образным расположением цилиндров (наподобие того, как это делалось раньше на авиационных моторах, к примеру у знаменитого Поликарповского самолета По-2). В прошлом году им удалось достичь высокого коэффициента полезного действия, величина которого составила 31,5% при единичной мощности мотора около 75 кВт.

Из перспективных отечественных паровых поршневых машин стоит отметить паропоршневые двигатели [1, 4–6] – высокооборотные паровые машины с частотой вращения вала 1000 об/мин и выше, которым должны быть присущи, по идеям разработчиков 1 , высокие эксплуатационные свойства (надежность, ресурс и др.).

Сопутствующее оборудование

Вырабатываемая паровой машиной механическая энергия вращения рабочего вала может полезно использоваться, равно как и тепловая (в виде теплового выхлопа отработавшего пара), для обеспечения работы следующего оборудования:

  • электрогенераторного (синхронного генератора или более дешевого и простого асинхронного [7], например переделанного из асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором) машинного типа, соединяемого без промежуточной механической понижающей или повышающей передачи;
  • теплоутилизационного: бойлеров-водонагревате-лей пароводяного типа, абсорбционных паровых холодильных установок (последние лучше бромистолитиевые, т.к. они значительно более безопасны в эксплуатации, чем известные в промышленности водоаммиачные холодильные установки);
  • технологического производственного или вспомогательного: различных насосов, вентиляторов, детандеров (газорасширительных машин), компрессоров, причем как кинематически напрямую, так и, если это необходимо, через соответствующую редукторную или мультипликаторную механическую передачу.

Где и как внедрять?

В качестве объектов, чью энергетическую эффективность можно повысить с использованием современных паровых машин, могут выступать, в частности:

  • промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами – паровая машина для привода электрогенератора здесь включается на линии дросселирования водяного пара параллельно либо полностью взамен существующего редукционно-охладительного устройства [2], роль которого часто выполняет простая дроссель-задвижка;
  • паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину энергетически наиболее целесообразно предусматривать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если последние предусматриваются на электрическую мощность до 1,2 МВт и в одноступенчатом исполнении или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
  • технологические производственные установки, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии такими установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности – печи для варки стекла).

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 [2], т.е. комбинированная выработка сразу трех видов энергии одновременно (к примеру, 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 гораздо более экономичен, чем выработка холода с помощью чисто электрических кондиционеров.

Теоретически возможно осуществить технологию квадрогенерации, опять же с использованием современных паровых поршневых машин. Производство четырех видов энергии (скажем, механической для привода технологического производственного оборудования, а также электрической, тепловой и холодильной) в комбинированном режиме реализовать довольно сложно, т.к. все получаемые соответствующие мощности будут взаимозависимы. Однако благодаря тому, что у паровых поршневых машин расход пара через них в определенных пределах весьма слабо зависит от изменений нагрузки, квадрогенерация может стать практически осуществимым энергосберегающим мероприятием для промышленных и муниципальных энергетических объектов. А современная автоматика и микроконтроллерная техника этому могут здорово помочь.

Вывод

Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Литература

  1. Дубинин В.С., Шкарупа С.О., Лаврухин М.К. Котельные должны работать автономно // Энергосбережение.– 2011.– № 8.– С. 56–61.
  2. Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века // Энергосбережение.– 2012.– № 2.– С. 62–68.
  3. Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами для бесперебойного энергоснабжения ответственных потребителей // Промышленная энергетика.– 2012.– № 9.– С. 15–20.
  4. Титов Д.П., Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Паровым машинам быть! // Промышленная энергетика.– 2006.– № 1.– С. 50–53.
  5. Дубинин В.С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий : монография.М. : Изд-во Моск. ин-та энергобезопасности и энергосбережения, 2009. 164 с.
  6. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Алексеевич М.Ю., Шкарупа С.О. Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию // Энергобезопасность и энергосбережение.– 2010.– № 6.– С. 17–20.
  7. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем.М. : Знак, 1997. 288 с.

1 Коллектив создателей и испытателей этих двигателей возглавляет В. С. Дубинин, эксперт по отбору инновационных молодежных проектов в рамках российской программы-конкурса «У.М.Н.И.К.», руководитель объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского авиационного института, Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии, Московского энергетического института, Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии, Московского института энергобезопасности и энергосбережения, совместно с московской научно-исследовательской молодежной инновационной фирмой «ООО «Новая энергия»».

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник

Как работает паровой двигатель: принцип работы

Данный вид двигателя оставался актуальным с 1800 годов по 1950-ые, приводя в движение множество паровозов того времени, он считался лучшим, и практичным в своем роде. Не смотря на изменение его внешних форм и габаритов, его принцип работы всегда оставался неизменным.

В основе работы парового двигателя лежали ресурсы, с большой удельной теплоемкостью. Чем больше тепла отдавало сырье, тем оно больше подходило для заправки двигателя. Использовался уголь, дрова и даже жидкое топливо.

Принцип работы заключался в том, что сжигаемое сырье нагревало котлы с водой, те в свою очередь кипением выделяли огромное количество пара, который толкал поршень в нужном направлении.

Первый такт

Пар из паровой емкости перемещается в цилиндр, тем самым своим давлением толкая поршень. Поршень за ход в одну сторону (от нижней мертвой точки, до верхней) вращает колесо на пол оборота. В это время горячий пар перемещается с одной части цилиндра в другую через задвижку (синим цветом)

Выпуск

В момент когда поршень доходит до НМТ, задвижка передвигается, и остывшие пары выходят наружу через специальное окно. Пары выходя из этого отверстия, создают характерный звук.

Второй такт

В момент достижения поршня НМТ, происходит все в противоположную сторону относительно первого такта. Пар из верхней камеры перемещается в цилиндр, толкая поршень.

Выпуск

Выпуск происходит по уже отработанной схеме, все части пара выходят через все тоже окно. После выполнения такта, цикл повторяется заново.

Так как двигатель имеет как нижнюю мертвую точку, так и верхнюю, у паравозов двигателя состояли из двух цилиндров, это позволяло запустить двигатель из любого положения.

Источник

Паровые машины в 21 веке?

Ещё со времён великого итальянского титана техники и искусства Леонардо да Винчи (XV–XVI вв.) чистая механика восхищала. В эпоху XXI столетия бывает, что хочется отдохнуть душой от модных электронных цифровых технологий и обратить свои мысли к классике.

Торжество механики и сила водяного пара настраивают изобретателей на философский лад по отношению к автомобилю, когда нет места спешке и принципу «сел в кабину, завёл и поехал». Посмотрим, что из этого получилось у энтузиастов-автолюбителей, почитающих паровозную технику.

Старый Ford на всех парах

Автору этих строк доподлинно неизвестно, как зовут изобретателей, придумавших поставить под капот небольшого грузовичка Ford две паровые поршневые машины, которые не имеют совершенно никакого отношения к автомобильному транспорту.

Произошло это в США. На автомобильном шоу в городе Мурдо (штат Южная Дакота) эта фермерская конструкция привлекла большой интерес зрителей.

Часть кузова, прямо за кабиной водителя, умельцы приспособили под вертикальный паровой котёл с арматурой и под бочку, по всей видимости, для топлива. Осталось и место для полезного груза.

А общая ржавость и потёртость всей техники придаёт автомобилю вид конструкции, видавшей не одну сотню километров пути на своём транспортном веку. Стоит заметить и полное отсутствие теплоизоляции на паропроводах машин и котла, ровно как и его теплоизоляционной обмуровки.

Грузовичок Ford выглядит весьма оригинально. Лобовое стекло водителя почти на половину заслоняет пара вертикальных одноцилиндровых паровых машин, установленных ещё вразвалку. Такие машины использовались раньше для привода генераторов электрического тока на судах.

А схема их соединения между собой очень походит внешним видом на поперечно-компаундную, как у известного английского парового поршневого двигателя Ферранти (Ferranti steam engine), используемого на электростанциях в начале XX столетия.

Малый пар Land Rover Mildred

Не менее интересно, что сотворил со старым грузовичком Land Rover Mildred инженер, любитель паровых машин и железнодорожной техники прошлого Фрэнк Ротвелл (Frank Rothwell) из города Олдема (графство Большой Манчестер, Англия).

Двигатель внутреннего сгорания уступил место силовой установке с паровой поршневой машиной, а топливный бензин не выдержал конкуренции с углём. Нельзя сказать, что колёсное транспортное средство в чём-то реально выиграло от такой переделки в ретро-стиле. Разве что уголёк при острой необходимости можно и дровами заменить!

Механик и теплотехник Ротвелл демонтировал штатный бензиновый двигатель мощностью 74 л. с. и рабочим объёмом 2,25 л, поставив вместо него паросиловую установку с горизонтальным котлом паровозного типа и паровой машиной. Расход теперь уже принципиально иного топлива угля — составляет 45 кг/ч.

Максимальная скорость движения «модернизированного» грузовоза-курьёза Land Rover Mildred с очаровывающей дымовой трубой может достигать поистине «паровозных» 24 км/ч, как в далёкие времена рассвета паровой тяги на железных дорогах.

Паровой транспорт побуждает к философствованию: чтобы снарядить грузовичок к выезду, нужно готовиться заблаговременно. Лишний раз подумаешь: «Поехать или быстрее будет дойти пешком?». Если всё же выбрать поездку, то в дороге с дымком и угольком будешь чувствовать себя машинистом настоящего парового локомотива.

Сказка ложь, да в ней намёк

Разумеется, небольшие паровые грузовички, о которых рассказано в статье, реальны. И чистая правда касается того, что сделаны они действительно для души энтузиастами паровой поршневой техники, готовыми сотни часов напролёт возиться с поршнями, шатунами и маховиками, вентилями и кранами, клапанами и дымогарными трубами котлов, паропроводами и прочими атрибутами эпохи пара.

Вот только философский смысл в их работе гораздо глубже, чем просто для души. Паровой транспорт настраивает автолюбителя на бережное отношение к технике, побуждает чувствовать её работу. Правда, это уже больше относится к легковой автомобильной тематике.

Источник

Читайте также:  Почему роторный двигатель недолговечен
Adblock
detector