Как сделать паровую турбину. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами

Иногда просто удивительно, насколько люди готовы основывать универсальность своих знаний об окружающем их мире на примерах из повседневной жизни.

Например, у каждого перед глазами при словах "Наш паровоз вперёд летит", скорее всего, встанет перед глазами вот такая картинка:

А теперь - гипотетически представьте себе, что вместо обычной для паровоза воды мы зальём в локомотив фреон и заставим его кипеть в котле и давить на поршни паровоза. Что поменяется на верхней картинке?
(спойлер : У паровоза пропадёт "дым из трубы". Который, не дым, а водяной пар. Который, на самом деле - сконденсировавшиеся в результате расширения водяного пара мельчайшие капельки жидкой воды. )

Фреон, в отличии от воды, при расширении в турбине или паровой машине, не конденсируется до состояния жидкости. Это его базовое термодинамическое отличие от воды, которое, как мы поймём ниже, позволяет проделывать с фреонами некоторые инженерные фокусы, которые невозможно проделать с водой.

Конденсация воды в поршневой паровой машине в конце цикла расширения пара, в принципе, безвредна. В конечном счёте, Steampunk даже как-то немыслим без весёлого паровозика, мчащегося куда-то в красивых клубах водяного пара (точнее - водяного конденсата, но это уже, я надеюсь, понятно всем читающим).

Внутри же вращающейся с высокой скоростью паровой турбины, конденсация водяного пара на последних ступенях не приводит ни к чему хорошему. Именно поэтому тепловые электростанции крайне неохотно любят опускать ниже 30% от их номинала - на таких режимах работы конденсация водяного пара на последних ступенях паровых турбин приводит вот к таким печальным последствиям:

Как видите, даже высококачественная сталь буквально "разъедается" водяным конденсатом - в реалиях работы современных паровых турбин мельчайшие капельки иногда врезаются в их лопасти на скоростях, близких к скорости звука.

С чем же связано такое уникальное качество фреона?
Тут нам надо будет немного погрузиться в термодинамику - я лишь постараюсь изложить все детали процессов максимально доступно для неподготовленного читателя. Если у кого-то в процессе изложения термодинамических приколов и закосоввдруг повиснут интеллектуальные паруса - можно сразу идти к выводам . Они - в конце статьи, жирненьким. ;)

Любая тепловая машина работает в рамках какого-нибудь термодинамического цикла . Если мы говорим о "холостом ходе дизеля - 400 оборотов в минуту", то это означает, что наш дизельный мотор успевает за 1 минуту совершить 400 термодинамических циклов имени товарища Дизеля. Эти циклы Дизеля в нашем двигателе последовательно включают в себя фазу всасывания воздуха, фазу его сжатия, впрыск дизельного топлива, фазу рабочего хода и фазу удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя. При этом полезную работу двигатель Дизеля совершает только на фазе рабочего хода, а все остальные фазы необходимы только для обеспечения работы самого устройства.

Диаграмма T-s идеального цикла Дизеля. Полезная работа совершается на участке CD. Объяснение смысла диаграммы T-s - ниже по тексту.

При увеличении числа оборотов растёт число циклов Дизеля за единицу времени - и мы можем снимать с двигателя большую мощность, даже если в каждом из циклов мощность будет неизменной.

Идеальным циклом тепловой машины является так называемый цикл Карно . Это - идеальный случай тепловой машины, "альфа и омега" прикладной термодинамики, её священный Грааль и сферический конь - одновременно. В реальности он нигде не реализован, но абстракция этого цикла очень важна для оценки всех прикладных идей, как, например, важна абстракция математической точки для доказательства всех теорем геометрии.
Цикл Карно

Предложил этот цикл для оценки тепловых машин в середине XIX века французский учёный Сади Карно. Цикл подразумевает, что расширение, сжатие, передача энергии рабочему телу и забор избыточной энергии от него идут максимально (в идеале - бесконечно) долго и без каких-либо дополнительных потерь на трение, уход энергии через стенки рабочего объёма и пр. Понятное дело, реализовать такой цикл в рамках реальной тепловой машины невозможно - и, в результате, по факту человечество использует quick and dirty ways в виде реальных термодинамических циклов, в той или иной степени являющихся суррогатами идеального цикла Карно.

Для удобства расчётов все термодинамические циклы рисуют в специальных координатах "температура-энтропия" (T-s) , в которых их удобно анализировать и сравнивать между собой. Наш эталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, красив и лаконичен:

Цикл Карно. АБ-передача энергии рабочему телу, БВ-расширение рабочего тела, ВГ-забор энергии от рабочего тела, АГ-сжатие рабочего тела.

Цикл Карно позволяет получить максимальный КПД тепловой машины при заданных температурах нагревателя и холодильника. Если кто-то хочет понять - почему, может самостоятельно изучить все изобретённые человечеством термодинамические циклы и сравнить их с задумкой Сади Карно. Для нашего, сугубо прикладного понимания, достаточно знать, что данный максимальный КПД определяется отношением площадей прямоугольников АБВГ (это и есть полезная работа цикла) и АБS2S1 (это - общая энергия, затраченная на цикл). Из этого следует, что чем ближе реальный цикл к "прямоугольнику Карно", тем больший КПД мы можем ожидать от такого цикла . Полезная работа в цикле Карно, как и в цикле Дизеля осуществляется только на одном участке - на прямой БВ. Кстати, задним числом, посмотрев на диаграмму цикла Дизеля в координатах T-s можно понять, почему мы так любим старика - его диаграмма пусть и не прямоугольник Карно, но очень старается им быть.

Поэтому, если мы хотим поднимать КПД тепловых машин (а мы помним, что КПД первичной энергии всё равно будет неизбежно падать и поэтому нам надо будет в будущем бороться за каждый процент КПД в последующем преобразовании первичной энергии), то из термодинамической математики у нас для этого есть всего три пути:

1. Повышать температуру нагревателя (увеличивать прямоугольник АБВГ).
2. Понижать температуру охладителя (уменьшать прямоугольник ВГS1S2).
3. Использовать более "прямоугольные" термодинамические циклы.

Классическое рабочее тело - вода, широко используемое сейчас в тепловых турбинах, имеет очень неприятную кривую в координатах T-s (температура-энтропия). Ниже, на рисунках всё видно наглядно, но я объясню всё "на пальцах".

Процесс расширения пара любого вещества - будь то воды или любого органического рабочего тела - пытаются сделать максимально изэнтропическим , то есть провести практически без механических или тепловых потерь. На диаграмме T-s этот процесс соответствует вертикальной прямой, а значит, наш цикл в этой части будет хорошо повторять "идеальный прямоугольник Карно". Изэнтропическому процессу соответствует идеальная адиабата - то есть процесс свободного расширения газа или пара. Вот пример реального цикла Ренкина, который используют сейчас в паровых турбинах. В отличии от цикла Дизеля, который привязан к каждому обороту двигателя внутреннего сгорания, циклы турбин непериодичны, то есть они показывают лишь усреднённое движение всего рабочего тела в цикле. Но для термодинамики это никакой роли не играет:

Цикл Ренкина паровой турбины на воде - расположен внутри красной кривой 1-2-3-4. Расширение пара - участок 3-4.

В реальной жизни и поршневые машины, и турбины изэнтропически газ и пар не расширяют, поэтому процесс получения полезной энергии из цикла происходит с потерями, и вертикальная прямая адиабатического расширения на графике немного отклоняется своим нижним концом в правую сторону. На первом графике фаза полезной работы в цикле поршневой машины или турбины - это кривая 3-4.

Поскольку процесс адиабатического расширения идёт у пара и у газа с одновременной потерей и давления, и температуры - так устроен мир - то рано или поздно пар рабочего тела оказывается охлаждённым до температуры конденсации (пар из трубы паровоза). При этом прохождение "точки росы" (точка 4 на первом графике) означает, что дальнейшая работа паром производится не может, поскольку любое дальнейшее расширение пара будет только вызывать только его конденсацию (что и показано прямой 4-1). Избежать точки росы при работе на воде не получается - внутри "горбатой горы", которая дополнительно нарисована на диаграмме T-s для воды, вода охотно пребывает и в состоянии пара, и в состоянии жидкости.

Поэтому, в момент прохождения "точки росы" пар из рабочего механизма (турбины или цилиндра) - желательно удалить и использовать его дальше или в теплообменнике, или в конденсаторе, замкнув термодинамический цикл.

У воды в этот момент времени температура уже ниже точки кипения и поэтому напрямую использовать оставшееся в рабочем теле тепло для целей, отличных от отопления или поставки горячей воды населению, - невозможно.

Для увеличения КПД классического цикла Ренкина на воде приходится придумывать различные "фокусы" в дополнение к обычному расширению насыщенного пара - дополнительно перегревать пар, ставить второй перегрев пара после первой ступени расширителя, срабатывать пар неполностью и использовать часть тепла пара на "догрев" поступающей в цикл воды.
Все эти возможности можно наглядно посмотреть здесь:

Перегрев пара

Двойной перегрев пара

Двойной перегрев пара с регенерацией

Такими "фокусами" некрасивую диаграмму цикла Ренкина для воды пытаются хоть как-то "подтянуть" по площади к идеальному прямоугольнику цикла Карно. Но всё равно, на прямоугольник получается не очень похоже...

А вот органические теплоносители (фреоны и углеводороды) оказываются в этом отношении гораздо интереснее воды - их близкое к изэнтропическому расширение в поршневой машине или турбине ведёт не в область насыщенного пара ("горбатая гора" на водяном графике T-s), а в область пара перегретого. Гора оказывается не просто "горбатая", но ещё и "пьяная":

Цикл Ренкина на пентане - кривая 1-2-3-4-5-6-7. 5-6 - расширение рабочего тела через турбину или поршень. 6-7 - рекуперация тепла через теплообменник. Как видите, цикл - почти прямоугольник!

Что такое перегретый пар? Это пар, который, даже при самом жгучем своём желании не может сконденсироваться в жидкость. Хотите пример? Сухой лёд. При атмосферном давлении двуокись углерода может быть или газом (перегретым паром) или твёрдым телом (сухим льдом). Все попытки перевести её в жидкое состояние будут безуспешны. Она этого не хочет. Поэтому, как оказывается углеводород - это ещё мало того, что топливо, так ещё и очень хорошее рабочее тело для тепловой машины!

То есть, если, использовать цикл Ренкина на фреонах (или углеводородах), то можно вообще не беспокоиться о конденсации рабочего тела в турбинах. Более того - для того, чтобы замкнуть этот цикл, даже приходится искусственно отбирать тепло у фреонов, строя теплообменник после расширяющего устройства - турбины или поршня.

В процессе рекуперации тепла и отборе его от перегретого пара пентана происходит "бесплатное" испарение следующей порции рабочего тела, необходимой для начала следующего рабочего цикла, то есть тратить на это дополнительную и немалую энергию, как это происходит в случае с водой, не приходится.

Поэтому - для органического цикла Ренкина лучше иметь хороший теплообменник-рекуператор, а расширитель (турбина, поршень) может быть и весьма среднего качества (а значит - может быть дешёвым и небольшим по размеру) - лишь бы такой расширитель не заставлял помпу качать уж слишком много рабочего тела.

При этом - поскольку теплообменник обычно не содержит движущихся или вращающихся частей - сделать его хорошо гораздо легче, чем поршневую машину или турбину.

Таким образом, в качестве выводов можно сказать следующее:

1. Фреоны, в силу низких температур кипения, могут принципиально работать с гораздо более низкими температурами нагревателей (это очень важно!) и охладителей(это супер важно для России!).
2. Фреоны не создают проблем с конденсацией рабочего тела внутри рабочих органов тепловых машин.
3. Фреоны позволяют сделать тепловые машины дешёвыми, простыми и легко масштабируемыми до небольших размеров.

Закончив с теорией, в следующем материале обратимся к практике. В котором мы узнаем о солнечном Израиле, туманной Аляске и 5 атомных энергоблоках компании "Газпром". ;)

Теплоэнергетическая установка содержит паротурбинную установку с электрическим генератором и системой отпуска электроэнергии, отличающаяся тем, что она снабжена фреоновой ступенью, содержащей фреоновую турбину, сухую вентиляторную градирню, насос и испаритель, установленные последовательно, соединенные гидравлически и образующие фреоновый контур теплоэнергетической установки. Паровая турбина, электрический генератор и фреоновая паротурбинная установка расположены на одном валу. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание теплоэнергетической установки с высоким коэффициентом полезного действия и меньшими габаритными размерами.

Предлагаемая полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в энергетических установках для выработки электрической энергии.

Известна теплоэнергетическая установка [Кутателадзе С.С, Розенфельд Л.М. / Патент 941517] включающая фреоновую паровую турбину с электрическим генератором, конденсатором, насосом и теплообменником.

Однако, указанная установка, малой мощности, работает на низких параметрах пара, имеет невысокие технико-экономические показатели.

Кроме того, известна теплоэнергетическая установка [Доброумов Л.А., Телякова Т.В.. Паротурбинные установки для ТЭС и АЭС: Отраслевой каталог / Под ред. В.Н. Бутина. - М.: Изд-во ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1994. - 96 с.] являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащая паротурбинную установку с электрический генератор и системой отпуска электроэнергии. Паротурбинная установка гидравлически соединена с испарителем.

Однако прототип имеет недостатки: в силу физических свойств воды не допускается конденсация водяного пара при температурах ниже 273 К, что обусловливает низкий коэффициент полезного действия; высокие удельные объемные расходы водяного пара, определяют значительные габаритные размеры.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание теплоэнергетической установки с высоким коэффициентом полезного действия и меньшими габаритными размерами.

Поставленная задача достигается тем, что теплоэнергетическая установка, содержащая электрический генератор с системой отпуска электроэнергии, снабжена фреоновой ступенью, которая расположена на одном валу с электрическим генератором, причем, фреоновый контур теплоэнергетической установки - это фреоновая ступень, сухая вентиляторная градирня, насос и испаритель, которые установлены последовательно, соединены гидравлически.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемой установки.

Предлагаемая теплоэнергетическая установка содержит паротурбинную установку и фреоновую ступень. Паротурбинная установка с системой отпуска электроэнергии состоит из паровой турбины (1), электрического генератора (2), испарителя (3), подогревателей низкого давления (4), деаэратора (5), подогревателей высокого давления (6), котла (7). Фреоновая ступень состоит из последовательно установленных и гидравлически соединенных фреоновой турбины (8), сухой вентиляторной градирни (9), насоса (10). При этом паровая турбина, электрический генератор и фреоновая паротурбинная установка расположены на одном валу.

Данная установка работает следующим образом: водяной пар поступает в паровую турбину (1), затем пар поступает в испаритель (3), где конденсируется за счет поступающего в испаритель (3) фреона, затем сконденсировавшийся пар (вода) идет на подогреватели низкого давления (4), затем в деаэратор (5) и далее в подогреватели высокого давления (6) и последовательно в котел (7). По фреоновому циклу поступающий в испаритель (3) фреон переходит в парообразное состояние за счет параметров водяного пара, затем фреоновый пар поступает на фреоновую турбину (8), отработанный фреон конденсируется в сухой вентиляторной градирни (9) и подается насосом (10) в испаритель (3), тем самым образовывая замкнутый фреоновый контур.

Таким образом, предлагаемая теплоэнергетическая установка по сравнению с прототипом: имеет фреоновую ступень, которая использует фреон в качестве рабочего тела; в силу физических свойств фреона, по сравнению с водой, обеспечиваются малые удельные объемные расходы фреона, что обусловливает уменьшение габаритов. За счет конденсации фреонового пара при температурах ниже 273 К обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.

Компания Infynity Turbine выпустила электрогенератор на микротурбине, работающий в органическом цикле Ренкина. Многие спросят: «А что такое вообще органический цикл Ренкина?» Для начала вспомним, что же есть обычный, не органический цикл Ренкина.

Цикл Ренкина - это самый распространенный термодинамический процесс на ТЭЦ. Фактически, все паровые турбогенераторы на ТЭЦ работают в цикле Ренкина или в его вариациях. Сначала происходит нагрев и испарение воды, затем перегрев пара, перегретый пар расширяясь вращает турбину, отработанный пар конденсируется с помощью охлаждающей воды, сконденсированный пар сжимается для подачи в парогенератор.

В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды, в качестве рабочего тела используются органические жидкости, кипящие при более низких температурах. Органические жидкости имеют более высокую молекулярную массу, замедляющую скорость вращения турбин. Например, могут использоваться фреоны, аналогчные используемым в холодильной технике. За счет применения такого рабочего тела становиться возможным использование низкотемпературных источников тепла (70 - 90ºС). Это могут быть такие системы накопления тепла как: солнечные пруды, градирни, гейзеры, солнечные коллетора и даже системы отопления. КПД подобных генераторов невелик, но из-за дешевизны такого вида тепла и большого сумарного КПД системы подобные генераторы могут занять свою нишу.

Схема работы ORC турбины

Что значит суммарный КПД?

Дело в том, что, например, при работе генератора ORC в системе отопления, источником будет служить теполноситель «подачи», а охлаждением будет являться «обратный» теплоноситель. Т.е. все тепло в конечном счете будет все-равно утилизировано системой отопления. При работе такого генератора с системой отопления, потребитель получает свою собственную надежную ТЭЦ с высоким КПД.

Внешний вид микротурбины Infinity Turbine IT10

Преимущества

• Созданы микротурбины мощностью от 2кВт! Мощностной ряд турбин других производителей обычно начинается от 100квт.
• Частота вращения турбины 1800 - 3600 об/мин. Турбина напрямую (или через муфту) подсоединяется к обычному электрогенератору. Используются обычные подшипники, обычные смазки. Напротив, у типовых микротурбин частота вращения достигает 100 тыс. об./мин. Это требует огромных усилий по удержанию турбины. Используются прецезионные керамические или воздушные подшипники, смазки, воздушные фильтра и т.п.
• Возможность многолетней работы без техобслуживания
• Работает при разности температур между нагревателем и охладителем в 50 ºС

Области применения турбин с органическим циклом Ренина

• Утилизация тепла от газовых, твердотопливных, жидкотопливных, ТЭЦ, ТЭС;
• Утилизация тепла компрессорных станций;
• Утилизация тепла промышленных процессов (металлургия, кирпичные, цементные, стекольные, спирт заводы и т.п.);
• Утилизация тепла сгорания биомассы (пеллеты, торф,);
• Утилизация тепла мусоросжигающих заводов, отходы деревообработки;
• Утилизация тепла сжигаемых нефтяных газов;
• Утилизация тепла от дизельных и турбогенераторов;
• Утилизация тепла сточных горячих вод;
• Геотермальных источников;
• Выхлопных газов;
• Утилизация тепла газовых и нефтяных скважин

Для домашних мастеров

На видео конструктор собрал дома установку с ORC. В основе установки серийные части от автомобилей и холодильной техники: спиральный компрессор от автокондиционера, турбина авто турбонагнетатель и т.п.

Видео на английском языке

В настоящее время источниками механической энергии в автомобилях являются в основном двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями, поэтому необходимо в первую очередь найти пути уменьшения этих потерь и достичь максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе. Для этой цели, прежде всего, нужно выбрать оптимальный термодинамический цикл.

В двигателе внутреннего сгорания применяют два различных термодинамических цикла. Бензиновый двигатель работает таким образом, что в цилиндр на такте впуска всасывается топливовоздушная смесь, которая далее на такте сжатия сжимается, затем в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), зажигается электрической искрой и сгорает. Возникшие при горении газы расширяются за счет выделяющейся теплоты, их давление повышается, и под действием этого давления происходит рабочий ход поршня. При последующем движении поршня до ВМТ из цилиндра отводятся отработавшие газы. Такой идеализированный цикл (цикл Отто) предполагает заполнение и очистку цилиндра при положении поршня в мертвых точках и протекание сгорания при положении поршня в ВМТ.

Другой термодинамический цикл (цикл Дизеля) протекает подобным образом с тем лишь отличием, что сгорание происходит не при неподвижном поршне, а во время его перемещения из ВМТ таким образом, что давление газов в процессе горения остается постоянным и только после полного сгорания топлива начинается их расширение. В действительности в обоих описанных циклах горение происходит при движущемся поршне и изменяющемся давлении, т. е. действительные циклы двигателей внутреннего сгорания являются циклами со смешанным подводом теплоты. Подробнее рассмотрение обоих циклов и их различия можно найти в специальной литературе.

Важным является КПД двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу. не учитывает и , так что представляет собой произведение индикаторного на . Таким образом, более полного использования энергии топлива можно достичь улучшением не только индикаторного, но и механического КПД.

При работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде . Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.

Так, использование теплоты, поглощенной охлаждающей жидкостью, которую в принципе необходимо отвести от двигателя для отопления кабины или кузова, является типичным примером , необходимого для независимого отопления. Такими же примерами служат обогрев отработавшими газами кузовов грузовых автомобилей, которые перевозят смерзающиеся грузы (руду, уголь, жидкости), использование энергии отработавших газов для , подогрев отработавшими газами для извлечения из него водорода.

В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используется цикл Карно.

Требования идеального цикла Карно не выполняет ни один из известных циклов (Отто, Дизеля, Ранкина, Стерлинга). Из анализа цикла Карно следует, что КПД термодинамического цикла зависит от разницы между максимальной температурой T 1 и минимальной температурой T 2 . Так как температура T 2 может быть в самом крайнем случае температурой окружающей среды, то КПД термодинамического цикла никогда не достигнет 100 %.

Сжигание топлива непосредственно в цилиндре позволяет достичь максимальной разницы между температурами T 1 и T 2 . или турбина никогда не смогут достичь КПД двигателя внутреннего сгорания , что и проявляется в удельном расходе ими топлива.

При сравнении циклов тепловых двигателей применяются три их типа, отличающиеся процессом изменения давления и температуры газа в цилиндре:

• цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ);
• цикл с подводом теплоты при постоянном давлении и изменяющемся объеме;
• цикл со смешанным подводом теплоты, т. е. подводом сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.

В цилиндрах тепловых двигателей происходят изменения состояния газа, среди которых для сравнения наиболее важны следующие:

• адиабатические сжатие и расширение, при которых теплота через стенки цилиндра не подводится к газу и не отводится от него;
• изотермические сжатие и расширение, при которых температура газа остается постоянной;
• политропное сжатие и расширение, характеризуемое как теплоподводом к газу, так и теплоотдачей газа в течение процесса.

Примером политропного процесса является такт сжатия двигателя внутреннего сгорания. В начале этого такта теплота к поступившему при впуске холодному газу подводится от горячих стенок цилиндра, а в конце такта газ, нагретый в результате сжатия до температуры, превышающей температуру стенок цилиндра, уже отдает теплоту стенкам цилиндра.

В случае идеальных термодинамических циклов предполагается, что теплообмена со стенками цилиндра нет, т. е. процессы носят адиабатический характер.

Циклы двигателей внутреннего сгорания

В качестве первого примера рассмотрим цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, к которому довольно близок действительный цикл работы, бензинового двигателя. Этот цикл представлен на рис. 1, где показано изменение давления p в цилиндре в зависимости от объема газа V . Для наглядности в нижней части рисунка схематически изображен цилиндр с поршнем. Диаметр цилиндра D , ход поршня Z . Пунктиром показано верхнее (ВМТ) и нижнее (НМТ) положения поршня. Объем камеры сгорания - V 2 , а степень сжатия

Для определения теплового баланса необходимо знать количество подводимой Q p и отводимой Q 0 теплоты. Так называемый термический коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле

η = (Q p – Q 0)/Q p .

Начнем наблюдать за ходом цикла на рис. 1 от точки 1 , соответствующей нижнему положению (НМТ) поршня. При его движении вверх происходит адиабатическое сжатие вплоть до точки 2 , соответствующей верхнему положению (ВМТ) поршня. От точки 2 до точки 3 при неподвижном поршне к газу подводится теплота Q pV и давление газа растет. От точки 3 поршень передвигается к точке 4 (НМТ) и происходит адиабатическое расширение. На участке от точки 4 до точки 1 при неподвижном поршне теплота Q 0V от газа отводится к стенкам цилиндра. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы обозначает выполненную работу A t .

Кроме описанной p-V-диаграммы на рис. 1 изображен тот же цикл в координатах температура Т - энтропия S .

Для нашего анализа достаточно определить, что понимается под величинами энтропии S . Энтропию невозможно измерить прямым путем, поэтому условимся, что если к веществу подводится теплота, энтропия растет, а при отводе от него теплоты - уменьшается. Диаграммы в координатах Т-S будут служить лишь для сравнения с циклом Карно, представляющим максимально достижимый по эффективности цикл.

Другой термодинамический цикл, у которого теплота подводится при постоянном давлении, изображен на рис. 2. Этот цикл наиболее близок к действительному циклу работы дизельного двигателя, прежде всего, при низких частотах вращения. Создав определенный закон подачи топлива, можно поддерживать максимальное давление в цилиндре при сгорании почти постоянным.

По сравнению с предыдущим рисунком диаграмма на рис. 2 отличается тем, что после завершения хода сжатия в точке 2 впрыск топлива происходит при уже начавшемся ходе расширения таким образом, чтобы давление газов при сгорании оставалось постоянным вплоть до точки 3 , после которой начинается адиабатическое расширение.

В действительности подвод теплоты не протекает лишь при постоянном объеме или только при постоянном давлении. К реальным условиям ближе всего цикл со смешанным подводом теплоты, изображенный на рис. 3. В этом случае подвод теплоты начинается в точке 2 после завершения сжатия, и количество теплоты QpV подводится при постоянном объеме до точки 2 , 3 , а дальнейшее ее поступление в количестве Q pp происходит при постоянном давлений вплоть до точки 3 . После этого от точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение.

Описанные выше термодинамические циклы в действительности не выдерживаются. Для сравнения приведем еще цикл Карно (рис. 4), обеспечивающий максимальное использование подводимой теплоты. Этот цикл начинается, как и другие, с адиабатического сжатия от точки 1 до точки 2 . На диаграмме T-S это адиабатическое сжатие изображено вертикальной прямой, так как энтропия при этом не изменяется, а повышается только температура от T 2 до T 1 . В точке 2 начинается изотермический подвод теплоты, продолжающийся до точки 3 . Так как температура не изменяется, то, следовательно, должен увеличиваться объем. На диаграмме T-S этот процесс изображен горизонтальной прямой при постоянной температуре T 1 . Энтропия газа на этом участке увеличивается.

От точки 3 до точки 4 происходит адиабатическое расширение, изображенное на диаграмме T-S вертикальным отрезком 3-4 . Затем следует отвод теплоты при постоянной температуре до точки 1 . Работа, выполненная в этом цикле, на T-S-диаграмме показана прямоугольником 1-2-3-4 и представляет собой максимально возможное использование теплоты в диапазоне температур от T 1 до T 2 . Однако реализовать на практике такой цикл невозможно.

В двигателе внутреннего сгорания после расширения газов из цилиндра вместе с ними отводится и содержащаяся в них теплота. В цилиндр затем поступает холодный воздух из окружающей атмосферы. У четырехтактного двигателя это достигается прибавлением такта выпуска и такта впуска, а у - продувкой цилиндра при положении поршня в НМТ.

Двигатели внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга относится к двигателям с внешним сгоранием. Рабочее тело (воздух) получает теплоту не за счет прямого сгорания топлива в рабочем цилиндре, а путем ее подвода извне через стенки. Подробнее это рассмотрено в статье «Двигатель Стирлинга». Цикл со смешанным подводом теплоты (см. рис. 3) может служить и для оценки двигателя Стирлинга с тем исключением, что часть отводимой теплоты Q 0 при использовании регенератора снова возвращается в общее количество подводимой теплоты Q p . Изменение давления в цилиндре реального двигателя существенно отличается от изменения давлений в термодинамическом цикле. Это вызвано тем, что сгорание топлива не происходит только в момент нахождения поршня в ВМТ или при постоянном давлении в начале хода расширения. Выпускные каналы открываются раньше, чем поршень достигает НМТ, и поэтому давление перед ней уже ниже того, которое было бы в НМТ поршня при закрытом канале. Сжатие также начинается лишь после закрытия впускного клапана, т. е. после НМТ. Однако для четырехтактных двигателей в представленных выше диаграммах термодинамических циклов не изображены процессы изменения давления при тактах впуска и выпуска, из-за наличия которых углы термодинамических циклов в действительных рабочих циклах значительно скруглены вблизи ВМТ и НМТ.

Поскольку здесь рассматривается только один практический вопрос - снижение расхода топлива при условии обеспечения эффективного и экономичного функционирования автомобиля, выше были изложены лишь основные принципы, необходимые для понимания циклов работы двигателей.

Для привода автомобиля ранее применялся паровой двигатель, о котором конструкторы не забывают и сегодня. Поэтому кратко поясним принципы работы паросиловой установки по циклу Ранкина.

Схема такой установки изображена на рис. 5. В паровом котле 1 вода нагревается до точки кипения, а насыщенный пар поступает к пароперегревателю 2 , в котором температура пара увеличивается. Перегретый пар далее поступает в паровой двигатель 3 , цилиндр которого снабжен тепловой изоляцией, где происходит адиабатическое расширение пара и за счет этого совершается работа.

Отработанный пар из двигателя поступает в конденсатор 4 , где конденсируется в воду. Вода из конденсатора при помощи питающего насоса 5 снова возвращается в паровой котел.

Полезная работа парового двигателя определяется разницей работ, совершаемых собственно паровой машиной и питающим насосом. Так как объем воды, подаваемой насосом в котел, незначителен по сравнению с объемом пара, выходящего из котла при постоянном давлении, то при низких значениях давления работа этого насоса весьма мала и ее можно не учитывать. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где процесс сгорания топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, паровой двигатель не имеет камеры сжатия (сгорания). Это явный выигрыш, поскольку камера сжатия - вредное пространство, которое должно быть минимальным.

Отрицательное свойство парового двигателя состоит в том, что теплота к рабочему телу подводится через металлическую стенку, которая должна иметь высокую термостойкость и прочность. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы работают под давлением выше 10 МПа и при температуре пара 470 °C, величина температуры рабочего тела остается почти на 2000 °C меньше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Минимальная температура T 2 может быть у сравниваемых циклов одинаковой, так как это практически температура окружающего воздуха. У парового двигателя с конденсатором легко достижимо значение T 2 = 40 °C.

У хорошей паровой турбины КПД составляет примерно 34 % в сравнении с 40 % у двигателя внутреннего сгорания. Однако при использовании паровой турбины необходимо учитывать, что КПД котла составляет примерно 85 %, так что общий КПД паровой турбины в целом падает до 28,9 %. Топливо для котла дешевле нефтяных моторных топлив, так как в качестве него может использоваться уголь. Теплотворная способность угля, правда, меньше, чем нефти, однако если в качестве котельного топлива используют природный газ или мазут, то разница в затратах по сравнению с углем невелика.

У двигателя внутреннего сгорания отработавшие газы имеют в конце процесса расширения температуру выше 1000 °C, но использовать их теплоту путем дальнейшего расширения в поршневом двигателе очень трудно.

Перевод газа с температурой 1000 °C из одного двигателя в другой связан с большими тепловыми потерями и техническими трудностями. В частности, поршневой двигатель с классическим кривошипным механизмом для дальнейшего расширения отработавших газов с такой температурой непригоден вследствие его размеров и массы.

Для использования энергии большого количества отработавших газов со сравнительно низким давлением наиболее пригодна газовая турбина. Она обычно и применяется для повторного цикла расширения газов и служит при этом либо для привода центробежного компрессора, подающего воздух в двигатель (двигатели с газотурбинным наддувом), либо передает свою мощность (например, через зубчатую передачу) непосредственно на коленчатый вал двигателя (так называемый турбокомпаундный двигатель).

Для использования теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания может быть применен и цикл Ранкина. Отработавшие газы, нагревают жидкость (например, фреон), пары которой поступают в роторный двигатель. Этот двигатель имеет меньшие размеры и лучше сбалансирован, чем поршневой с кривошипным механизмом.

Конструкция такой комбинированной силовой установки (рис. 6 и 7) уже испытывается. Однако следует учитывать, что в ней можно использовать лишь некоторую часть энергии отработавших газов, соответствующую КПД цикла Ранкина.

Кроме описанной схемы с роторным двигателем на фреоне, известны также испытания комбинированной установки, состоявшей из двигателя внутреннего сгорания фирмы «Мак» (США) с турбонаддувом мощностью 212 кВт и паровой турбины, пар в которую поступал из котла, нагреваемого теплотой отработавших газов двигателя. Установленный на грузовом автомобиле для магистральных перевозок двигатель «Мак» работает большей частью с полной мощностью и потому наиболее пригоден для использования теплоты отработавших газов. Паровая турбина в опытах развила мощность 40 кВт, что соответствовало повышению мощности и, следовательно, экономичности установки на 19 %.