8. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПАРОВОЙ МАШИНЫ
Рабочий процесс одноцилиндровой паровой машины насыщенного пара является весьма несовершенным ввиду наличия значительных внутренних потерь. При давлении поступающего в машину пара = = 10-4-16 ата перепад температур и давлений в цилиндре достигает больших значений и вызывает большие потери от теплообмена со стенками (начальная конденсация) и от утечек через неплотности золотника и поршня.
Потери от утечек являются окончательными, так как пар перетекает в пароотводящую трубу.
Теоретические и практические изыскания привели к нахождению путей повышения экономичности рабочего процесса машины, а именно:
1) применению многократного расширения пара;
2) повышению давления пара;
3) применению перегретого пара;
4) увеличению быстроходности;
5) введению промежуточного перегрева пара.
Повышение экономичности всей установки помимо улучшения рабочего процесса производится также использованием тепла отработавшего пара для подогрева питательной воды перед ее поступлением в котел и для производственных и хозяйственных нужд.
Многократное расширение пара представляет собой разделение рабочего процесса на ряд последовательных ступеней, совершаемых в отдельных цилиндрах. Применяемое число ступеней бывает от двух до четырех, но наиболее часто применяются паровые машины двукратного расширения, или двухсгупенные.
Такое деление рабочего процесса на два, три или четыре в соответственное число раз уменьшает перепад температур и давлений в каждом отдельном цилиндре, что ведет к значительному уменьшению потерь от теплообмена (начальной конденсации) и утечек через неплотности поршня и золотника.
Эти утечки в цилиндрах высокого и среднего давления не будут окончательными, так как утечки вместе с паром, отработавшим в этих цилиндрах, поступают в цилиндры последующих ступеней, где совершают соответствующую работу.
В машинах многократного расширения усилия, действующие на поршневые штоки и кривошипные механизмы, меньше, чем в машинах однократного расширения, что ведет к облегчению указанных частей машины.
В машинах многократного расширения достигается большая общая степень расширения пара, чем в машине однократного расширения; степени наполнения в отдельных цилиндрах больше, чем в соответствующей машине однократного расширения.
На фиг. 141 в координатах р — V представлена объединенная или совмещенная диаграмма машины двукратного расширения, изображающая процесс машины, отнесенный к объему цилиндра низкого давления (последней ступени).
Индексы ‘ показывают, что величины относятся к цилиндру высокого давления, а " — к цилиндру низкого давления.
Индикаторные диаграммы ц. в. ц и ц. н. д. в общих масштабах давлений и объемов нанесены в одной системе координат. При этом получается, что линия расширения пара в ц. н. д. представляет собой как бы продолжение линии расширения ц. в. д. Линия Г 2′ представляет линию расширения машины однократного расширения, эквивалентную данной машине. Величина степени наполнения этой условной
значительно меньше степеней наполнения
И ВЦ. Н. Д. — Єх = -^5-
|
нию удельного расхода пара [при постоянном давлении пара за машиной (pff)]. Причину этого легко проследить по диаграмме теплосодержание — энтропия і—S[25], по которой видно, что затрата тепла на получение 1 кг сухого насыщенного пара (паросодержание л: = 1) почти не меняется с повышением давления. Так, при давлении сухої о насыщенного пара 10 ата его теплосодержание равно 663,3 ккал/кг’, наибольшее |
достигается в машинах, работающих насыщенным паром. При перегретом паре экономия меньше, так как начальная конденсация полностью или частично уничтожается и заменяется конвективной передачей тепла при небольших значениях коэ — фициента теплоотдачи перегретого пара.
При работе насыщенным паром замена машины однократного расширения машиной двукратного дает уменьшение удельного расхода пара на 20 — 35°/о> а машиной трехкратного расширения— на 30—40°/о, при применении же высокоперегретого пара экономия будет значительно меньше. Так, машины двукратного расширения дают уменьшение удельного расхода пара только на 10—20°/0, и такая же, примерно, величина экономии получается в машинах трехкратного расширения. Несмотря на больший вес и стоимость, паровые машины многократного расширения до начала использования перегретого пара получили очень широкое распространение во всех областях их применения, в том числе и в локомобильных установках.
Повышение давления пара перед машиной (рх) ведет к уменыпе —
значение теплосодержания 669,6 ккал/кг относится к давлению пара 29,5—33 ата, а при дальнейшем повышении давления теплосодержание опять уменьшается. При р — 61) ата теплосрдержание пара равно г’ = 665,4 ккалікг, а при р = 100 ата і= 651,7 ккал(кг.
В то же самое время работоспособность пара, выражаемая перепадом тепла при адиабатическом расширении, увеличивается, а удельный расход пара в идеальной машине tf0, определяемый формулой (313), уменьшается. Этот характер изменения величины d0 при посюянном значении давления рп хорошо виден по данным табл. 31.
Удельный расход пара в идеальной машине d0 в кг/л. с. ч. при различном
давлении пара и работе машины сухим насыщенным паром (*=1)
|
Таблица 31
|
При работе машины перегретым паром повышение давления также ведет к уменьшению удельного расхода пара, так как при одинаковой температуре пара с повышением его давления затрата тепла на получение 1 кг пара уменьшается, а перепад тепла при адиабатическом расширении увеличивается. Значения удельного расхода пара в идеальной машине в зависимости от давления пара перед и за машиной приведена в табл. 32.
|
Таблица 32 Удельный расход пара в идеальной машине dQ в кг(л. с.ч. при различных давлениях пара и работе машины перегретым паром с температурой Г, == 350° С
|
Данные, приведенные в табл. 31 и 32, показывают, что быстрое снижение удельного расхода пара происходит до давления пара 40— 60 ата. При дальнейшем повышении давления рх уменьшение удельного расхода пара становится незначительным. Минимальное значение расхода пара достигается при давлениях пара 160—200 ата. Ввиду этого повышение давления пара перед машиной сверх 100 ата становится уже нерациональным. Не нужно забывать также, что повышение давления пара вызывает возрастание его утечек и что при давлениях выше 80—100 ата потери от утечек могут уже уменьшать к. п. д. машины.
Помимо уменьшения расхода пара повышение давления пара рх ведет к уменьшению размеров цилиндров машины.
Примеиеиие перегретого пара способствует значительному повышению экономичности рабочего процесса машины, так как при достаточной степени перегрева полностью уничтожается начальная конденсация в период впуска. Отдача тепла от перегретого пара стенкам цилиндра происходит посредством конвекции и при небольших значениях коэфи — циентов теплоотдачи перегретого пара будет невелика. Если при охлаждении перегретого пара его температура остается выше температуры насыщения, то конденсация и связаннные с ней потери исключаются.
Кроме всего этого, уменьшение расхода перегретого пара по отношению к насыщенному зависит от того, что удельный объем перегретого пара больше, чем насыщенного, и для заполнения того же объема цилиндра нужно меньшее весовое количество пара. С увеличением степени перегрева удельный объем пара увеличивается.
Качество масла для смазки цилиндров машины и качество материалов ограничивает повышение температуры пара. Выпускаемые в настоящее время нашей промышленностью цилиндровые масла (см. табл. 4) допускают работу паровых машин при температуре перегретого пара не выше 400—430° С.
Проводимые исследования по применению графитовой смазки цилиндров дают благоприятные результаты и открывают дальнейшие возможности повышения температуры пара.
Увеличение быстроходности машин. В тихоходных машинах в связи с тем, что пар в период впуска и расширения довольно длительный промежуток времени соприкасается со стенками цилиндра, потеря тепла, вызываемая начальной конденсацией и теплообменом, может в отдельных случаях достигать значительных размеров — порядка 30°/0 и даже выше от теплоты пара, подводимого к машине. Сокращение продолжительности впуска и расширения пара уменьшает время соприкосновения пара со стенками цилиндра, что приводит к снижению тепловых потерь пара.
Опыт показывает, что чем выше число оборотов машины, тем меньше колебания температуры внутренней поверхности стенки цилиндра и тем меньше потери от начальной конденсации и теплообмена в цилиндре.
Таким образом, увеличение быстроходности машины способствует снижению потери от начальной конденсации.
Необходимо обратить внимание на то, что увеличение числа оборотов вала машины ведет к очень значительному уменьшению размеров и габаритов всей машины и к уменьшению затраты материалов.
Промежуточный перегрев пара. При работе паром высокого давления и глубоком вакууме в конденсаторе пар в конце расширения получает значительную влажность, вызывающую, как об этом было выше сказано, увеличение тепловых потерь. Для устранения указанного недостатка необходимо было бы с повышением начального давления повышать и начальную температуру пара, однако это возможно лишь до определенных границ из условий смазки и условий теплостойкости применяемых металлов.
В целях устранения высокой влажности в конце расширения применяется, так называемый промежуточный перегрев пара, достигаемый за счет тепла уходящих из котла газов или теплоты пара, подводимого к машине.
При применении промежуточного перегрева конечное состояние пара при выходе из машины будет близко к сухому насыщенному пару, а сам процесс расширения будет протекать в области перегретого пара. Таким образом удается достигнуть, так называемого, сухого процесса в ц. н. д., что приводит к повышению к. п. д. машины.
Экономия, получаемая от промежуточного перегрева, является значительной, например, при начальном давлении пара порядка 15 ата она может доходить до 6—7°/0.
Несмотря на экономию в расходе пара и топлива, локомобильные машины с промежуточным перегревом пара больше не выпускаются. Трудность конструктивного выполнения промежуточных пароперегревателей и нарушение нормальной их работы от присутствия в отработавшем в ц. в. д. пара масла были причинами отказа от выпуска таких машин.
Повышение температуры перегретого пара до 380—420° С дает возможность достичь почти тех же экономических показателей, что и при промежуточном перегреве пара, при меньших эксплоатационных расходах.
Использование тепла отработавшего пара. Тепло отработавшего пара весьма значительно, и использование его хотя бы частично весьма сильно повышает экономический к. п. д. установки.
В качестве способов использования тепла отработавшего пара является подогрев питательной воды котла, осуществляемый в паровых водо — подогревателях, установка турбины мятого пара и использование тепла отработавшего пара для хозяйственных и производственных нужд. Полное использование тепла отработавшего пара может повысить экономический к. п. д. паровой установки до 50—60°/с.