Паровая машина с внутренним парообразованием

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.

паровой машина тепловой двигатель 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.