Интернет журныл о промышленности в Украине

Підвищення ККД рухових установок способом рекуперації скидного тепла від їх роботи за допомогою парового двигуна Ємеліна

Підвищення ККД рухових установок способом рекуперації скидного тепла від їх роботи за допомогою парового двигуна Ємеліна, на прикладі паротурбінної і дизельної силової установки.

У статті описаний принцип дії та конструкція парового двигуна Ємеліна. Описано застосування пристрою з метою підвищення ККД двох таких поширених типів двигунів як парова турбіна і дизельний двигун. Розказано про аспекти роботи парової турбіни, що обмежують її ККД.

Відомо, що всі існуючі в даний час типи двигунів пройшли великий шлях розвитку і досягли високого ступеня досконалості. ККД сучасного дизельного двигуна 40-45%, бензинового двигуна близько 30%, ККД сучасних паротурбінних силових установок досягає 40-42%. У спробах підвищити ККД інженери борються зараз вже не за відсотки, а за частки відсотків. Одним із способів значно підвищити ККД, є рекуперація тепла, що виробляється двигунів, отримання за рахунок цього додаткової механічної енергії і зниження за рахунок цього витрати палива. Наприклад, у дизельного двигуна близько 60 відсотків теплової енергії губляться у вигляді тепла, причому приблизно половина з них це теплота вихлопних газів, а решта - теплота, поглинена в системі охолодження двигуна.

Чому саме цей пристрій?

Двигун Ємеліна здатний використовувати для своєї роботи пар низького тиску, з високим ступенем вологості. Це унікальна властивість, властиве тільки цьому типу парового двигуна, дозволяє ефективно використовувати непридатну теплоту, що залишається після роботи технічних пристроїв і рекуперировать її в корисну механічну енергію на валу. У тому числі здатний використовувати теплоту, що залишається після роботи парової турбіни і двигуна внутрішнього згоряння. Винахід захищено заявкою в Роспатент № 2013129116 від 25 червня 2013р. Повна назва: «Спосіб перетворення теплової енергії в механічну за допомогою двигуна зовнішнього згоряння і двигун Ємеліна»

А буде-ли це працювати?

Побачивши креслення цього двигуна, багато вигукнуть: «Що-ж тут нового! Цей механізм давно відомий і широко використовується в техніці! »Це й на краще. Менше сумнівів в працездатності запропонованого технічного рішення. Основу конструкції двигуна становить ротаційно-лопатевої механізм. Відомі: пневматичний двигун, газовий компресор, гідравлічний мотор і гідравлічний насос ротаційно-лопатевої конструкції. Тепер з'явився і ротаційно-лопатевої паровий двигун, він же двигун Ємеліна.

Розглянемо аспекти роботи парової турбіни.

Швидкість потоку пара всередині турбіни перевищує швидкість звуку. Велика швидкість необхідна для отримання великої потужності. Поки пар сухий, гарячий, турбіна працює відмінно. Але пар, здійснюючи механічну роботу, втрачає температуру і набирає вологість. Усередині потоку пара з'являються дрібні краплі рідкої води і починають збільшуватися в розмірах.

Відомо, що крапля води діаметром 2 мм, що рухається зі швидкістю 750 м / с, викликає руйнування алмаза, карбіду вольфраму і деформацію високоміцних сплавів. При менших швидкостях - близько 200-600 м / с, багаторазові удари викликають ерозію матеріалу. З'являються і зростають втомні мікротріщини усередині поверхневого шару матеріалу лопаток турбіни. Потім починається викришування частинок металу. Це явище називається каплеударной ерозією. З'являється дисбаланс, вібрації, і як результат-поломки лопаток.

Як це виглядає, видно на фотографіях з коментарями, з сайту науково-технічного журналу «Надійність і безпека енергетики», адреса в інтернеті http://www.sigma08.ru/jur1-11.htm

htm

Мал. 1а і 1б. Ерозія вхідних кромок робочих лопаток ротора низького тиску турбін Т-250 / 300-240. Найбільш часто виникає дефект цих лопаток - ерозійний знос вхідних крайок. Робочі лопатки останніх ступенів виготовляються зі сталі 15Х11МФ і зв'язуються трьома рядами демпферних зв'язків з двох різних матеріалів - титанового сплаву ВТ-5 (зовнішня зв'язок) і стали 20Х13 (внутрішні зв'язки).

Можна подати на вхід турбіни пар такого високого тиску і температури, що на виході турбіни пар матиме низьку вологість. Лопатки турбіни будуть працювати необмежено довго. Але через поганий використання теплоти конденсації впаде загальний ККД процесу. Залишкова теплоємність пара буде дуже велика.

Можна навпаки, подати на вхід турбіни пар відносно невеликого тиску. Вологість пара на виході турбіни буде висока. Завдяки оптимальному використанню теплоти конденсації загальний ККД процесу буде високий. Але через каплеударной ерозії лопаток ресурс турбіни буде низьким.

Висновок: У парової турбіни ККД знаходиться в протиріччя з ресурсом. Чим вище ККД, тим нижче ресурс і навпаки.

На практиці застосовують компромісний варіант. Вибирають такий режим роботи, при якому вологість пара на виході з турбіни складає 13-14%. Ресурс турбіни при цьому становить кілька років. Хоча кінцевий результат завжди однаковий-капітальний ремонт із заміною лопаток. Для захисту від пошкоджень, що наносяться каплеударной ерозією, застосовують високоміцні високолеговані стали і сплави, спеціальні види термообробки, багатошарові покриття і т.д. В результаті характеристики поліпшуються, але набагато скромніше, ніж хотілося б. Проблема краплі-ударної ерозії варто як непереборна перешкода на шляху підвищення ККД парових турбін.

Але ж якщо проблема не вирішується «в лоб», можна знайти обхідні рішення. Наприклад, можна пар, який досяг критичної для турбіни ступеня вологості, допрацьовувати на паровій машині, що працює за іншим принципом, яка здатна використовувати вологий пар низького тиску без шкоди для своєї працездатності. Саме таким є паровий двигун Ємеліна.

Про те, який ККД матиме зв'язка парова турбіна плюс паровий двигун Ємеліна, зараз можна тільки гадати. Можна сподіватися, що до 40% ККД парової турбіни двигун Ємеліна додасть 15-20%, за скромними підрахунками. Залишкова теплоємність пара, після роботи в двох парових машинах, буде відносно невеликою і може бути розсіяна в радіаторі, охлаждаемом потоком, що набігає повітря, аналогічно радіатора системи охолодження автомобіля або тепловоза. Пар буде конденсуватися в воду і знову подаватися в паровий котел. Таким чином, буде забезпечено повністю замкнутий оборот води. Важливим наслідком буде те, що парова силова установка стане незалежною від джерел води, по справжньому мобільного.

Підвищення ККД двигуна автомобіля

Одним із способів значно підвищити ККД автомобільного двигуна внутрішнього згоряння, є рекуперація тепла, що виробляється двигуном і зниження за рахунок цього витрати палива. Спроби вирішення цього завдання були. Останню за часом таку спробу зробили розробники баварського концерну BMW. Проект називається Turbosteamer. Система Turbosteamer складається з двох ключових вузлів. Перший - двоступеневий теплообмінник, в якому вихлопні гази нагрівають робочу рідину, що перетворюється в результаті в пар високого тиску з температурою кілька сотень градусів. Другий головний вузол - парова турбіна, куди перегрітий пар надходить по магістралі, розширюється і виконує корисну роботу, допомагаючи обертатися колінчастого валу основного мотора. Після проходження через турбіну пар перетворюється назад в рідину в теплообміннику-конденсаторі, перш ніж потрапити назад в резервуар рідини.

Залишкова теплота пара через теплообмінник передається рідини системи охолодження двигуна і розсіюється в атмосфері за допомогою радіатора. Економічність двигуна зростає на 10% -15%. Природно, радіатор системи охолодження повинен мати збільшені розміри.

Те, що приріст ефективності становить всього 10% -15%, пояснюється просто. Малогабаритна турбіна має ті-ж недоліки, що і велика, Чи не здатна використовувати пар з вологістю вище 13-14% і тому ККД процесу не більше 40%.

Удосконалити таку систему рекуперації тепла можна, замінивши парову турбіну паровим двигуном Ємеліна. Причому в даному випадку він може застосовуватися самостійно, а не в зв'язці з турбіною.

Таке технічне рішення має наступні переваги:

  • Генератор пара буде налаштований на вироблення пари низького тиску. Пар низького тиску безпечніше, ніж пар високого тиску, необхідний для роботи парової турбіни.
  • Менше залишкова теплоємність відпрацьованої пари, потрібно радіатор охолодження меншого розміру
  • Менше вага, не потрібні товсті стінки, здатні витримувати великий тиск

Для роботи в складі автомобільної рухової установки двигун Ємеліна має корисні опції. Передбачена можливість попереднього прогріву перед пуском після знаходження в умовах негативних температур. Передбачений режим запуску двигуна із забезпеченням максимального крутного моменту, починаючи з нульової швидкості обертання.

Пристрій двигуна Ємеліна

Двигун складається з статора 1, ротора 2, що має вал. На валу ротора встановлено шків (або зірочка або шестерня або полумуфта, в залежності від типу передачі), закріплений за допомогою гайки. До торців статора 1 по обидва боки прикріплені за допомогою болтів передня і задня кришки, відповідно 3 і 4. У пазах ротора 2 вільно встановлені лопатки 5. Ротор 2 розташований ексцентрично щодо внутрішньої циліндричної поверхні статора 1. Лопатки 5 можуть вільно переміщатися в пазах ротора 2 в радіальному напрямку. Вал ротора 2 встановлений в двох підшипникових вузлах. У передній кришці 3 знаходиться передній підшипниковий вузол. У задній кришці 4 знаходиться задній підшипниковий вузол. У передній і задній кришках 3 і 4 встановлені ущільнення.

Родзинкою конструкції парового двигуна є те, що всі поверхні всередині двигуна, що контактують з парою, покриті фторопластом, які виконують 3 важливі функції.

1. Видалення конденсату пара з двигуна відбувається під впливом відцентрової сили. Водовідштовхувальні властивості фторопластового покриття не дозволяє воді затримуватися на поверхнях деталей двигуна навіть у вигляді тонкої плівки. Свіжий пар, потрапляючи в двигун, не витрачає жодної частини своєї енергії на випаровування залишків води.

2. фторопластовий покриття знижує тертя між деталями двигуна. Фторопласт називають «Слизьким чемпіоном» за низький коефіцієнт тертя.

3. Покриття різко знижує шкідливий теплообмін між парою і поверхнями деталей двигуна, оскільки теплопровідність фторопласта в 180 разів менше, ніж у сталі.

Статор двигуна, складається з гільзи, розташованої в центрі, до якої з обох торців приєднані два фланця. На гільзі є: Впускні отвори, тангенціально розташовані щодо внутрішнього діаметра гільзи. Для розміщення впускних отворів, на зовнішній поверхні гільзи є приплив матеріалу. Випускні отвори, група, для викиду відпрацьованого пара і конденсату. Розташовані в шаховому порядку в межах сектора випуску. Внутрішній діаметр гільзи покритий фторопластом.

Внутрішній діаметр гільзи покритий фторопластом

Ротор двигуна має порожнисту збірну зварену конструкцію. Всі поверхні ротора, крім кінців вала, мають фторопластовий покриття. Перед зварюванням на всі поверхні деталей, призначені під нанесення покриття, наносять штучну шорсткість (насічки).

Збірка ротора виконується почергової приваркой до валу окремих сегментів. Спочатку приварюють бічні стінки 7 звареним швом зсередини сегмента, потім до них шпангоути 8 звареними швами зсередини сегмента. Потім приварюють кришку 9 зовнішнім звареним швом. Після проведення зварювання зовнішні зварні шви зачищають. Ширина пазів між сегментами після зварювання більше, ніж у готового ротора, за рахунок товщини покриття на стінках. Для зняття залишкових напруг після зварювання виконують отжиг за технологією, звичайною для зварних корпусів.

Наносять фторопластовий покриття товщиною в кілька міліметрів, з припуском на механічну обробку. Пази заповнюють повністю матеріалом покриття. При подальшій механічній обробці пази знову прорізають дисковою фрезою з використанням ділильної головки. Обробку паза роблять у два прийоми, чорнове і чистове прорізання фрезою.

Підшипникові вузли двигуна можуть мати різні варіанти конструкції, в залежності від типів використовуваних підшипників. На кресленні, показаний варіант конструкції з використанням в підшипникових вузлах кулькових радіальних однорядних підшипників з захисними шайбами.

З метою недопущення перегріву підшипників, підшипникові вузли відсунуті від центральної, що нагрівається парою, частини двигуна. Знаходяться в подовжених пустотілих бобишках, забезпечених вентиляційними вікнами.

Лопатки виготовляються з листового матеріалу, наприклад склотекстоліти. Покриті з усіх боків шаром фторопласту.

Підготовка до роботи двигуна після зберігання в умовах негативних температур.

З метою прогріву замерзлого двигуна, без обертання валу, в додатковий отвір для пари в одній з кришок 3 або 4, подають пар. Через інший отвір пар випускають. Пар, проходячи через пази ротора 2 під лопатками 5, уздовж осі обертання двигуна, нагріває двигун зсередини.

Пуск двигуна

З метою забезпечення повного крутного моменту на валу, починаючи з нульової швидкості обертання, в конструкції двигуна застосовано примусове поджатие лопаток 5 до статора 1 в момент пуску.

Для цього перед пуском двигуна подають пар в додатковий отвір для пари в одній з кришок 3 або 4. Додаткове отвір в інший кришці при цьому заглушають.

Тиск пара, що потрапив в пази ротора 2 під лопатки 5, розсовує лопатки 5 і притискає їх до внутрішньої поверхні гільзи статора 1.

Після цього подають пар у впускні отвори в статорі 1, двигун запускається, набирає робочі обороти. Після цього припиняють подачу пара в додатковий отвір в кришці. На робочих оборотах поджатие лопаток 5 до статора 1 забезпечується відцентровими силами.

Робота двигуна

Пар низького тиску, вступаючи в двигун через впускні отвори, тисне на виступаючі частини лопаток 5 і змушує ротор 2 обертатися. Лопатки 5 при обертанні притискаються відцентровою силою до внутрішньої поверхні статора 1, перешкоджаючи переміщенню пара з однієї камери в іншу. Різко розширивши і зробивши механічну роботу, пара охолоджується і в ньому починається інтенсивний процес конденсації. Відпрацьована пара і конденсат, під дією відцентрової сили, через випускні отвори в статорі 1, викидається з двигуна. Свіжий пар, що надходить у двигун при наступному такті, зустрічає сухі стінки робочих камер і не витрачає енергію на випаровування залишилася рідкої води.

Детальніше про принцип дії.

На відміну від парової турбіни, в якій для отримання механічної енергії на валу використовують кінетичну енергію потоку пара, в паровому двигуні Ємеліна для отримання механічної енергії на валу використовують потенційну енергію тиску пара. Таким чином, за принципом дії двигун Ємеліна ближче до поршневий паровий машині. Цикли роботи цих двох двигунів включає однакові фази:

  • фаза впуску пари, що завершується отсечкой заповнення
  • фаза розширення пара, що здійснює механічну роботу
  • фаза випуску відпрацьованої пари
  • фаза стиснення залишився відпрацьованої пари
  • циклічне повторення зазначених процесів

Власне, конструкція двигуна Ємеліна з'явилася в результаті спроб поліпшити конструкцію поршневий парової машини, усунувши її недоліки. Основним недоліком поршневий парової машини є погане використання теплоти конденсації пари. Як відомо, теплоємність пара складається з двох складових-вищу теплоту (пароутворення) і теплоти перегріву пара. Теплоту перегріву пара поршнева парова машина використовує відмінно. Якщо говорити в кулінарних термінах, то для парової машини теплота перегріву пара є корисною легкозасвоюваній їжею, а теплота пароутворення (конденсації) - їжа важка, погано перетравлюється. Проблема в тому, що через особливості фізичних властивостей води, теплота пароутворення (конденсації) водяної пари, як правило, значно більше теплоти перегріву пара.

Логічно міркуючи, при хорошому використанні теплоти конденсації значна частина пара буде переходити в рідкий стан прямо всередині двигуна, протягом фази розширення пара, що здійснює механічну роботу. У фазі випуску відпрацьованої пари конденсат повинен повністю віддалятися з поршневий порожнини. Але випуск з поршневий парової машини можливий тільки у вигляді пари. Випуск рідини не передбачений конструкцією.

У поршневих парової машини є й інші Недоліки, Які були добрі вівчені ще за часів ее широкого использование, в тому чіслі на залізнічному транспорті. Нижчих наведена цитата з книги «Курс паровозів. Пристрій і робота паровозів і техніка їх ремонту: 2 томи, під редакцією професора Сергія Петровича Сиромятникова. Державне транспортне залізничне видавництво. Москва. 1937года. - 524 с. », Том 2, стор. 31:

«Основним джерелом теплових втрат, що виникають в паровому циліндрі, на грунті теплообміну між парою і стінками циліндра, є та обставина, що впуск свіжого і випуск м'яту пару відбувається через одні й ті ж канали та вікна.

Порція свіжої пари, потрапляючи в циліндр, зустрічає там металеві поверхні стінок, тільки що перед цим охолоджені струмом минає в конус відпрацьованого пара. Внаслідок цього в період впуску пари відбувається інтенсивне відібрання від нього тепла, що викликає в разі насиченого пара часткову його конденсацію, а при роботі перегрітою парою - контракцію, тобто зниження температури, що супроводжується зменшенням питомої обсягу пара. І в тому і в іншому випадку для здійснення в циліндрі заданої індикаторної роботи доводиться впускати в нього більшу кількість пара, ніж його потрібно з теоретичного розрахунку для заповнення обсягу відсічення.

Віддача тепла холодних стінок триває протягом усього періоду впуску і на частини періоду розширення, поки швидко падаюча при розширенні температура пара не зробиться нижче температури стінок.

Починаючи з цього моменту, теплообмін змінює свій напрямок, - відбувається зворотна віддача тепла пару, особливо інтенсивна в період попереджання випуску. На жаль, ця запізніла компенсація приносить мало користі, так як в кінці періоду розширення тепло віддається пару при тиску його в циліндрі, значно нижчому, ніж в період отримання тепла стінками; повертається же пару тепло в період випуску не приносить ніякої користі, так як цілком несеться в конус ». Кінець цитати.

Недоліки поршневий парової машини

Як це вирішено в двигуні Ємеліна

Шкідливий теплообмін між робочим тілом (пар) і металевими поверхнями в поршневий порожнини циліндра.

Покриття різко знижує шкідливий теплообмін між парою і поверхнями деталей двигуна, оскільки теплопровідність фторопласта приблизно в 180 разів нижче, ніж у сталі.

Впускають свіжий і випускають відпрацьована пара через одні й ті ж канали та вікна.

Впуск і випуск відбувається через роздільні отвори і канали

Отработавший пом'ятий пар випускають тільки у вигляді пари. Навіть та частина пара, яка встигла перейти в рідкий стан, повторно випаровується за рахунок тепла навколишнього циліндр парової сорочки, і разом з теплотою конденсації «цілком несеться в конус».

Видалення конденсату пара з двигуна відбувається під впливом відцентрової сили. Водовідштовхувальні властивості фторопластового покриття не дозволяє воді затримуватися на поверхнях деталей двигуна навіть у вигляді тонкої плівки. Свіжий пар, потрапляючи в двигун, не витрачає жодної частини своєї енергії на випаровування залишків води.

Який величини ККД можна досягти?

Щоб досягти максимального ККД, потрібно максимально використовувати теплоту конденсації пари, що відповідає максимально можливої ​​конденсації пари в рідину. Як домогтися конденсації пари? Тут все просто: пар, здійснюючи механічну роботу і одночасно розширюючись, охолоджується і конденсується. Вся справа тільки в коефіцієнті розширення. Те-є, у скільки разів збільшився початковий обсяг пара. Для пари низького тиску - один коефіцієнт розширення, для перегрітої пари високого тиску буде потрібно набагато більший коефіцієнт розширення.

Кінцевий результат однаковий. Пар перетвориться в воду. Майже весь. Невелика частина залишиться у вигляді насиченої пари. Якщо є рідка вода, є і пар над її поверхнею, незалежно від температури. Навіть над поверхнею снігу і льоду завжди є невелика кількість водяної пари. ККД рівний 100% неможливий, тому що вся пара не може перейти в рідину. Та й для переходу всього пара в рідина, можливо, буде потрібно коефіцієнт розширення, рівний нескінченності. У будь-якого парового двигуна коефіцієнт розширення пара - величина кінцева і не дуже велика. Практично збільшити ступінь розширення можна, використавши багатоступінчате розширення пара, подібно до того, як це зроблено в поршневих парових тандем-машинах. Чим більше ступінь розширення, тим вище ККД. Наскільки близько вдасться наблизитися до недосяжною позначці 100%, залежить від конструктивних обмежень. Використання великих коефіцієнтів розширення вимагає збільшених габаритів і ваги обладнання. Іншими словами, чим більше габарити, тим вище ККД. Наскільки великого ККД вдасться досягти, покаже тільки час. У будь-якому випадку, паровий двигун низького тиску повинен мати великі габарити, обумовлені великим обсягом і низькою щільністю пара.

Одна з переваг двигуна Ємеліна те, що основні елементи конструкції двигуна пустотілі і тонкостінні. Це дозволяє при зростанні габаритів зберегти вагу обладнання в розумних межах.

Тут до речі варто згадати про гвинтових парових машинах, вони також допускають використання вологої пари. Але їх робочі органи вдають із себе гвинтові вали, виконані з монолітної сталі. При збільшенні габаритів гвинтових валів буде різке наростання ваги. Це обмежує їх використання в області пара низького тиску.

Заявка на винахід № 2013129116 від 25 червня 2013р.

«Спосіб перетворення теплової енергії в механічну за допомогою двигуна зовнішнього згоряння і Двигун Ємеліна».

Автор: Ємелін Сергій Олександрович.

E-mail: [email protected]

Ідея пристрою створена з використанням ТРВЗ. Хід вироблення технічного рішення освітлений на сайті ТРИЗ за адресою http://www.metodolog.ru/node/896

Стаття про використання двигуна Ємеліна в енергетиці «Гроші на вітер або як вирішити проблему сучасної енергетики» за адресою: http://izobretatel.by/

Чому саме цей пристрій?
Який величини ККД можна досягти?
Як домогтися конденсації пари?