Сил -а пара и её эффективное применение интересует многих читателей моих статей на канале. Но, так же есть и масса публики, которая почему то считает, что паросиловая техника- это прошлый век и это всё совершенно неэффективные и устаревшие технологи. В этой небольшой статье я приведу факты, утверждающие что это не так и подобная публика просто лишена нужных технических знаний.
Тем более, что в наше время высокого роста цен на бензин и повышения стоимости дизельного топлива, получение за счёт сжигания дешевого твердого топлива электрической энергии или механической мощности для привода разных машин, агрегатов и технологического транспорта является все более привлекательным и экономически целесообразным.
Итак, набор фактов в подтверждение перспективности и эффективности пара силовых технологий:
Первый факт- более 70% мирового производства электроэнергии происходит именно крупными паросиловыми установками. Это паровые двигатели электростанций с огромными котлами и сверхмощными паровыми турбинами, которые работают на дешёвом твёрдом, или на дешёвом жидком (тяжелые топлива типа мазута) или газообразном топливе. Или даже от тепла распада радиоактивных материалов- это мощные атомные электростанции. Такие мощности в одном агрегате никакому двигателю внутреннего сгорания невозможны.
Второй факт- паровые установки являются чемпионами по силе крутящего момента. Известное словосочетание – «паровозная тяга» появилась не на пустом месте. Крутящий момент паровых машин именно превосходит силу крутящего момента как двигателей внутреннего сгорания, так и двигателей Стирлинга.
Теперь ответим на вопрос - почему сила крутящего момента поршневых двигателей внутреннего сгорания так невысока, а паровых двигателей (паросиловых установок) так велика? Тут все очень просто, здесь работают базовые физические закономерности.
Крутящий момент – есть произведение плеча приложения силы (чисто геометрическая величина) на величину действующей силы. А действующая сила- есть произведение давления силы давления на площадь действия такого давления. Т.е. давление в этом случае будет базовой величиной, определяющей размер крутящего момента. Но есть и понимание среднего эффективного давления- это действие давления во времени. Так вот среднее эффективное давление поршневых ДВС весьма невелико. Ибо в бензиновом двигателе давление в момент сгорания порции свежего заряда рабочей смеси скачком подпрыгивает вверх, но потом нарастание давления быстро прекращается и по мере движения поршня вниз только падает.
В дизеле, где процесс сгорания организован иначе и более растянут во времени, среднее эффективное давление так же невелико. Это происходит за счет меньшего пикового давления, чем в бензомоторах (на индикаторных диаграммах моторов., которые снимаются на стендах это пиковое значение давления имеет обозначение давление P в точке Z). Поэтому и у дизелей значение среднего эффективного давления весьма невелико.
У вот у паровой машины, с её великой пара сил ой, подвод давления по мере продвижения поршня (или лопастей роторной паровой машины) по линии рабочего хода, давление пара из котла продолжает поступать. Т.е. поршень паровой машины уходит все дальше от верхней мёртвой точки, а давление пара из котла продолжает действовать всё с той же силой. То той точки, когда клапан парораспределения не перекроет паровую магистраль от котла. Этот момент называется «отсечкой». Именно по этой особенности паровые машины оказываются чемпионами по силе крутящего момента.
Понимая все это, двигатели внутреннего сгорания пошл по пути повышения мощности, при своем невысоком крутящем моменте, за счет повышения оборотов вращения рабочего вала. Ибо высокие значения крутящего момента, паровые машины обеспечивают при относительно невысоких частотах вращения рабочих валов. Так частота вращения ведущих колес паровозов была в среднем 200-300 об/мин. Паровые роторные двигатели вращаются на оборотах от 600 до 800 об/мин.
Поэтому двигатели внутреннего сгорания чтобы поднять свою мощность при невысоком крутящем моменте берут своими высокими оборотами. Эти обороты составляют до 4 тыс об/мин в поршневых ДВС, и до 9-12 тыс об/мин в роторных и в 2-х тактных. Но высокие обороты неизбежно вызывают повышенный износ основных деталей двигателя и уменьшенный моторесурс двигателя. А так же в автомобилях появляется такое сложное устройство как коробка передач, которая снижает высокие обороты вращения вала двигателя, до значений нужных на колёсах. А в паровозах такой необходимости не было.
Теперь другая важная особенность, которая играет на высокие значения крутящего момента пара сил-овых установок. Это понимание факта - а откуда берется само давление? Во всяких тепловых двигателях с газообразным рабочим телом давление возникает от подвода тепла к этому газообразному рабочему телу. По законам физики - при нагреве рабочее тело расширяется и создает действующее в двигателе рабочее давление. Теперь сделаем сравнение эффективности рабочего тела в двигателе внутреннего сгорания и в паровой машине (где работает сила нагретого воздуха), где работает сил-а пара.
Итак сравним- - при нагреве на 300 С0 воздух увеличивает объем только в 2 раза, а при нагреве с 20 С0 до 1200 С0 в 5 раз. А вот вода при вскипании и при превращении в пар увеличивает объем (уменьшает плотность) в 1600 раз…. Чувствуете разницу? Вот где таится сила пара! А если пар хорошо перегреть (т.е. нагреть сильно выше температуры в 100 град) – то его объем еще заметно увеличиться.
Теперь понимаете- почему почти 80% мирового производства электроэнергии производят на огромных паросиловых установках с циклопическими паровыми котлами и гигантскими паровыми турбинами.
Но у это медали с несопоставимыми мощностями есть оборотная сторона- КПД. При фазовом переходе из жидкости в пар требуется подвести к рабочему телу так называемую скрытую теплоту парообразования, которая только переводит жидкость в пар, но не участвует в создании давления. И у воды эта теплота очень велика. Так вот – потом эта теплота выделяется при конденсации пара в жидкость и выбрасывается в окружающую среду. И эта потеря тепла является главной причиной сравнительно малого КПД паровых установок. Для преодоления этого недостатка паро- силовым установкам надо крепко повышать деление и температуру пара. Этот путь возможен для огромных паровых машин- для паро-силовых установок большой мощности на великих электростанциях. Для малых паровых машин этот путь практически неприемлем – поэтому у паровозов и был такой малый КПД.
Но тут есть выход из этой сложной ситуации. Для этого необходимо для применения в качестве рабочего тела вместо воды и водяного пара, применять легкокипящие жидкости и их пар. У таких жидкостей совсем другие термодинамические свойства, и их применение сулит получение достаточно высоких (для малых паро-силовых установок) показателей КПД без вторжения в область высоких температур и высоких давлений.
Поэтому, исходя из всего сказанного, эффективная паровая машина ближайшего будущего, которая использует дешевое твердое и жидкое топливо, будет иметь в качестве силовой установки паровой роторный двигатель с частотой вращения вала около 800 об/мин. Ибо такой двигатель будет иметь и обороты, и силу крутящего момента, выше, чем у поршневых паровых двигателей. При этом такой паровой двигатель будет работать в составе паросиловой установки, которая, в качестве рабочего тела, использует пары легкокипящей жидкости, а топливом для её котла будет служить дешевое твердое топливо, либо недорогой жидкий мазут.
Подробные рассуждения о повышении КПД пара силовых установок можно прочесть в моей другой статье https://dzen.ru/media/steam_engine/kpd-parovoza-pochemu-tak-malo-60b155bdb86a7b140dcf5159