ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Как известно, самыми первыми тепловыми двигателями были тепловые машины, в которых в качестве рабочего тела использовался водяной пар. Это было обусловлено большой распространенностью воды в природе и доступностью и наглядностью в повседневной практике процессов преоб­разования воды в пар. Такие тепловые машины было легко строить, не обладая большими знаниями. По мере развития науки и техники были получены результаты, указывающие на преимущества использования в тепловых двигателях газообразного рабочего тела, которое при работе не изменяет своего агрегатного (фазового) состояния. При отрицательных температурах вода замерзает. Поэтому в зимних условиях приходится воду подогревать, чтобы исключить ее замерзание (переход в твердое состоя­ние). Этот факт снижает эффективность использования паровой машины.

Однако на железнодорожном транспорте длительное время основным двигателем был паровой двигатель, работающий по разомкнутому циклу (пар выбрасывается в окружающую среду). Хотя паровозы сейчас прак­тически не используются (за исключением отдельных случаев), интерес к паровым двигателям то спадает, то повышается. Повышение интереса к паровым двигателям вызывается в основном периодически повторяющими­ся энергетическими кризисами, сопровождающими развитие цивилизации. Как известно, запасы нефти и газа на Земле ограничены. Несколько больше запасы угля, который может быть использован для преобразования воды в пар в промышленных установках (котлах с топками).

В настоящее время в энергетике возрастает доля атомной энергетики, без которой, вероятно, не решить энергетических проблем в будущем. Одна­ко энергию атомных ядер нельзя напрямую преобразовать в механическую энергию. Выделяющуюся при делении атомных ядер тепловую энергию используют для преобразования воды в пар, который в последующем используют в паровой машине (паровой турбине) для получения энергии в механической форме.

Таким образом, и в настоящее время в промышленности (теплоэнерге­тике) эффективно используются паровые машины (турбины).

Конструкторов наземных транспортных средств и сейчас привлекает внимание идея применения парового двигателя. Это обусловлено его луч­шими по сравнению с ДВС тяговыми свойствами.

ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Рис. 11.1. Конструктивная схема простейшей поршневой паросиловой установки

Паровой двигатель представляет собой машину, работающую по опре­деленному циклу. Рабочее тело (как правило, водяной пар) периодически возвращается в исходное состояние. Но протекание цикла в паросиловой установке отличается от протекания цикла ДВС. В паросиловой установке реализуется цикл с внешним подводом тепловой энергии к рабочему телу. Напомним, что в цилиндре ДВС происходит сгорание топлива с выделе­нием тепловой энергии, которая тут же сообщается рабочему телу (смеси газов). При этом в ДВС рабочее тело (первоначально — воздух) претер­певает химические изменения из-за реакции окисления углеводородного топлива. Водяной пар в паросиловом цикле не претерпевает химических изменений, но наоборот, претерпевает изменение агрегатного состояния. Тепловая энергия к рабочему телу (водяному пару) в паросиловом цикле подводится в одном специальном устройстве (котле), а преобразование тепловой энергии в механическую энергию происходит в другом узле (паровом двигателе).

Таким образом, в паросиловом цикле рабочее тело (водяной пар) прохо­дит последовательно через ряд устройств, в которых происходит изменение параметров его состояния.

На рис. 11.1 показана конструктивная схема простейшей поршневой па­росиловой установки. В паровом котле (ПК) к воде подводится энергия Qi в тепловой форме, в результате чего она кипит при постоянном давлении, превращаюсь во влажный пар. Из парового котла (ПК) пар поступает в двигатель (Д), где происходит преобразование энергии из тепловой формы в механическую форму. Пар в двигателе (Д) расширяется, перемещая пор­шень. В результате этого коленчатый вал парового двигателя вращается[43]. С коленчатым валом может быть соединен ротор генератора или другая машина. Энергия пара в двигателе (Д) понижается, так как часть ее он отдал поршню.

Рис. 11.2. Характеристика крутящего момента парового двигателя

После двигателя пар поступает в конденсатор (КН), в котором отдает часть тепловой энергии Q2 забортной воде[44]. Полного превращения пара в кипящую жидкость в конденсаторе (КН) не происходит (пар конденси­руется только частично), и очень влажный пар всасывается компрессором (К), где в результате адиабатного сжатия превращается в кипящую воду, поступающую в паровой котел (ПК).

В описанной простейшей паросиловой установке протекают следующие термодинамические процессы:

• изобарный процесс подвода энергии Qi в тепловой форме к рабочему телу в нагревателе (паровом котле (ПК)) при постоянном давлении pi и постоянной температуре 7\;

• адиабатное расширение рабочего тела (пара) в паровом двигателе (поршневой паровой машине (Д) или паровой турбине);

• изобарный отвод энергии Q2 в тепловой форме от рабочего тела в конденсаторе (КН);

• адиабатное сжатие смеси пара и жидкости в компрессоре (К).

Многочисленные попытки применения на наземных транспортных сред­ствах (в том числе и танках) паросиловых установок не увенчались успехом вследствие больших размеров и массы, большой продолжительности пуска, необходимости сложных автоматических устройств, уменьшающих степень надежности. При этом вода требует решение проблемы предотвращения ее замерзания при отрицательных температурах.

ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Характеристика крутящего момента поршневого ДВС

Частота вращения выходного вала П

Однако благоприятное протекание характеристики крутящего момента (рис. 11.2) делает паросиловые установки привлекательными для установ­ки в наземных транспортных средствах.

При постоянном расходе пара в единицу времени мощность, развивае­мая паросиловой установкой, почти не изменяется при изменении частоты вращения вала (рис. 11.1). Паровой двигатель можно рассматривать в этом
случае как двигатель постоянной мощности, над которым длительно время работают конструкторы ДВС[45].

Мощность парового двигателя равна:

Ne = Meu = Me~= idem. (11.1)

Из этого выражения следует, что при увеличении нагрузки на паровой двигатель частота вращения п его выходного вала уменьшается, а кру­тящий момент Ме увеличивается, так как Ne = Idem. Такое протекание характеристики крутящего момента (рис. 11.2) обеспечивает применение в наземном транспортном средстве простой механической трансмиссии при обеспечении высокой подвижности такого средства передвижения.

Сила тяги Р, создаваемая ведущими колесами автомобиля, равна:

(11.2)

Где Мкр — крутящий момент двигателя, приведенный к ведущим колесам автомобиля; г — радиус ведущего колеса автомобиля.

Крутящий момент двигателя Мкр, приведенный к ведущим колесам автомобиля, равен:

(11.3)

Где пд — частота вращения выходного вала двигателя; пк — частота враще­ния ведущего колеса автомобиля; г — передаточное отношение трансмис­сии.

Зависимость (11.3) показывает, что при увеличении крутящего момента парового двигателя Ме крутящий момент Мкр на ведущих колесах авто­мобиля также увеличивается, а поэтому увеличивается сила тяги Р.

Бели автомобиль при движении испытывает действие большой силы сопротивления РсОпр, то силу тяги можно увеличить увеличением расхода пара в единицу времени через паровой двигатель. Это приведет к росту мощности двигателя при тех же оборотах выходного вала двигателя. Так как обороты выходного вала двигателя при этом не изменяются, то при увеличении расхода пара будет увеличиваться крутящий момент двигателя Мс. В этом случае сила тяги на ведущих колесах автомобиля увеличится.

Мкр = Мв — = Мвг,

В идеальном случае установка паровой машины в наземное транс­портное средство может полностью исключить установку трансмиссии. Это очень важно для машин военного назначения, конструкция которых требует минимальных габаритно-массовых показателей при выполнении заявленных требований.

Таким образом, поршневая паровая машина по тяговым свойствам имеет преимущества перед поршневым ДВС.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *