Паровая машина с внутренним парообразованием. Во всех

Паровая машина с внутренним парообразованием.
Во всех паровых машинах пар получают в котлах и падают в двигатель. Автор предлагает
подавать нагретую жидкость в паровую машину, где она испаряется, создает давление и приводит
его в действия.
Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически
любые источники тепла для преобразования его в механическую работу.
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).
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.
Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в
начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегревателя) и как можно более низкая
температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
(при составлении обзора использовался материал из Википедии — свободной энциклопедии)
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 %. На ТЭЦ эффективность
повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и
производственных нужд.
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.
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.
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.
Автор этой статьи предлагает новый способ подачи тепловой энергии в паровой двигатель в виде
нагретой жидкости вместо пара. Способ позволяет получить паровой двигатель с внутренним
парообразованием. Подачу необходимой энергии можно производит быстрей и с меньшими
потерями исключается дросселирования.
На рисунке 1 представлена схема одного из вариантов. Здесь в баке 1 происходит нагрев
жидкости до температуры близкой критической для используемой жидкости. Нагретая жидкость
подается форсункой, привод которой связан кинематический с ходом поршня, с опережением
падает порцию жидкости, которая частично быстро испаряется и создает давление. При движении
поршня пар адиабатический расширяется, совершает работу и охлаждается, достигая точку росы,
выпадает в жидкость. Остатки пара и жидкость при движении поршня в обратном направлении
вытесняются в через клапан 5 в конденсатор 6. Откуда жидкость снова подается насосом 4 в бак
1. Такая конструкция позволит иметь небольшое количество жидкости и циркулировать ее по
замкнутому циклу. Т.е. не сбрасывая в атмосферу.
Циклы в зависимости от времени подачи жидкости в цилиндр могут иметь виды: площадь
ограничена двумя изобарами и двумя изохорами, это соответствует постоянному поступления на
рабочем такте; площадь ограничена двумя изохорами адиабатой и изобарой это соответствует
приведенному примеру; и площадь ограничена двумя изобарами двумя изохорами и адиабатой.
В основном разогретая жидкость, поступая в цилиндр, испаряется, создавая пар под давлением
при адиабатном расширении совершая работу, теряя энергию, переходит в жидкость частично, а
после вытеснения из цилиндра в расширительной камере окончательно конденсируется. С
помощью насоса жидкость подается в котел для нагрева.
В данной работе рассматривается принципиальная возможность подачи тепловой энергии в
двигатель посредством жидкости для совершения работы. Т е. создание двигателя, в котором
происходит фазный переход вещества в данном случае жидкость-газ непосредственно в цилиндре
двигателе.
Такой двигатель можно назвать паровой машиной внутреннего парообразования. В чем
преимущества такой конструкции. Малое количество жидкости необходимое для работы. Малый
размер бака. Возможность применение трубчатого бака с повышенной поверхностью и с малой
инерционностью нагрева и высоким КПД. Даже возможно создать более эффективную
теплоизоляцию бака и других элементов двигателя.
2
3
1
5
6
4
Рис. 1. Функциональная схема двигателя с
внутренним парообразованием.
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
Будет ли справедливым вести расчет по уравнению? Скорей всего нет, так как отставшее
тепло сразу поступает в нагреватель.
Предложенный вариант тепловой машины еще должен пройти ряд теоретических
исследований, чтобы сделать вывод о его применимости. Определить область
использования. Общий габарит и вес с учетом всех элементов должен быть значительно
меньше аналогов, что позволит использовать на подвижных объектах. Рассмотреть
возможность использования ядерной энергетике.
В дальнейшем будет рассмотрен вариант паровой турбины с внутренним
парообразованием.