ИДЕАЛЬНЫЙ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕССЫ
Для того чтобы правильно оценить тепловые качества паровой машины, необходимо сравнить показатели ее работы с некоторой образцовой машиной. За такой образец принимается машина, работающая по идеальному циклу без потерь и имеющая органы действительной машины.
Идеальный цикл (с совершенным расширением) паровой машины, предложенный инж. Ренкиным, заключается в следующем.
Питательный насос подает в котел некоторое количество холодной воды (например 1 кг) с температурой t" °С. В котле вода сначала нагревается до температуры t °С, потом происходит ее испарение при постоянном давлении рк и температуре tH, а затем образовавшийся пар перегревается до температуры tne.
Пар из котла без всякой потери тепла и давления поступает в цилиндр машины (фиг. 133).
19 Гарькуша и Юшина. 649
Идеальная паровая машина отличается от действительной отсутствием потерь и характеризуется следующими особенностями:
1) поршень, сальники и распределительные органы машины являются полностью непроницаемыми для пара;
2) все перемещения пара совершаются без потери давления, т. е. происходят обратимые процессы;
3) стенки цилиндра выполнены из материала, не проницаемого для тепла, поэтому расширение пара происходит адиабатически, т. е, без
обмена тепла со стенками;
4) расширение пара доводится до давления пара в холодильнике (конденсаторе), т. е. является совершенным;
5) цилиндр не имеет вредного пространства, т. е. при выпуске весь пар вытесняется в конденсатор, так как поршень вплотную подходит к крышке.
Вследствие отсутствия потерь впуск пара в цилиндр происходит при постоянном давлении р кгісмі2 абс. и отмечается на диаграмме р — S (перемещение поршня пропорционально объему, описанному поршнем) горизонтальным отрезком В1. В точке / происходит отсечка (в цилиндр поступило все количество образовавшегося пара — 1 кг) и начинается адиабатическое расширение до давления рп — давления в конденсаторе (точка 11 диаграммы). Выталкивание пара в холодильник происходит при постоянном давлении и изображается на диаграмме линией ПО. Точки В к О расположены на оси ординат.
Величина площади B111QB на диаграмме пропорциональна работе идеальной машины.
В конденсаторе пар полностью конденсируется, конденсат по вы ходе из него охлаждается до температуры t" и снова поступает в котел, замыкая цикл.
Адиабатическое расширение пара характеризуется уравнением
pvk = const, (286)
где р — давление пара в цилиндре в кг/см2 абс.;
v—удельный объем пара в м2кг при давлении р в кг/см2-,
k — показатель адиабаты.
Показатель адиабаты равен:
1) для насыщенного пара по формуле (240)
k = 1,035+ 0,1л:,
где х — паросодержание в долях единицы;
2) для перегретого пара
k = 1,3.
|
После ознакомления с идеальным циклом необходимо рассмотреть процесс действительной паровой машины (фиг. 134), представленный в виде действительной индикаторной диаграммы. Чтобы было удобнее Фиг. 134. Индикаторная диаграмма действительного процесса. |
Впуск пара. Впуск пара (предварение впуска началось в точке 4 в действительной машине начинается в мертвом положении механизма (крайнее положение поршня). Соответствующее положение поршня отмечается прямой, проведенной параллельно оси ординат на расстоянии S0 от крышки (50 — приведенная длина вредного пространства). Давление пара в цилиндре при мертвом положении механизма равно р’х кг (см2 абс. (точка b диаграммы), причем всегда р’х < рр так как пар теряет свое давление вследствие потерь на трение при протекании впускного вентиля, золотниковой или клапанной коробки и паровых каналов, а также теплообмена с более холодными стенками золотниковой коробки и паровых каналов.
При перегретом паре в период впуска происходит передача тепла более холодным стенкам, вызывающая понижение температуры пара и уменьшение величины удельного объема, а следовательно, и давления Особенно интенсивный теплообмен происходит при поступлении в цилиндр насыщенного пара и сопровождается сильной конденсацией пара с осаждением конденсата на стенки каналов и цилиндра. Это явление носит название начальной конденсации и вызывает значительное увеличение расхода пара.
Перегрев пара в зависимости от его величины частично уменьшает или полностью уничтожает начальную конденсацию.
Линия впуска на диаграмме изображена линией Ы. Первой части впуска пара соответствует максимальное открытие окон и ускоренное движение поршня, двигающегося от крайнего положения.
Потери давления от мятия и трения на этой части впуска будут невелики, но ускоренное движение поршня вызывает ускоренное движение и потока пара, увеличение же кинетической энергии пара возможно только за счет превращения части его потенциальной энергии в кинетическую, что связано с уменьшением давления пара (наклонная прямая в начале линии впуска).
Величина открытия паровых окон после достижения максимального значения уменьшается, так как золотник или клапан начинают двигаться в обратную сторону, уменьшая проходные сечения для пара Это уменьшение сечения, вначале незначительное, постепенно увеличивается, вызывая все большее и большее сопротивление проходу пара. Давление пара за счет мятия начинает быстро уменьшаться. На диаграмме это падение давления характеризуется выпуклой кривой во второй части линии впуска. В положении поршня, отмеченном на диаграмме точкой /, паровпускной орган распределения полностью закрывает канал, происходит отсечка и начинается расширение пара.
Расширение пара. Закономерность изменения давления в цилиндре машины в период расширения изображается кривой 1—2 (фиг. 134). Вследствие потерь при впуске пара линия расширения действительной индикаторной диаграммы 1—2 располагается ниже, чем кривая I—II, характеризующая расширение в идеальной машине.
В отличие от идеального процесса в действительной машине происходит непрерывный теплообмен между паром и стенками цилиндра. Темпе — тура пара по мере его расширения уменьшается. Температура стенок цилиндра также непостоянна и колеблется около некоторого среднего значения, так как при впуске пара и в начале его расширения, когда температура пара выше температуры стенок, тепло передается от пара к стенкам, а в конце расширения — в обратном направлении, потому что температура пара становится ниже температуры стенок. Величина колебания температуры стенок значительно меньше, чем колебание температуры пара.
Интенсивность теплообмена, т. е. количество тепла, переходящее от пара к стенкам и обратно, зависит от целого ряда причин, из которых основные: 1) величина поверхности стенок, через которые происходит передача тепла; 2) величина колебания температуры пара; 3) время, в течение которого каждая порция пара, поступившая в цилиндр, участвует в теплообмене; 4) качество внешней изоляции цилиндра.
Помимо теплообмена на процесс расширения оказывают влияние перетекание пара через уплотнения поршня, органов парораспределения и утечки пара.
Наличие теплообмена указывает, что процесс расширения в действительной машине не адиабатический, а политропический по уравнению
pvп = const, (287)
где л — показатель политропы.
Линия расширения в машинах, работающих насыщенным паром, соответствует уравнению
pv — const, (288)
(равноосная гипербола), представляющему собой политропу с показателем л = 1.
Из исследований действительных индикаторных диаграмм паровых машин, работающих перегретым паром, вытекает, что величина показателя политропы расширения:
1) всегда больше единицы и в некоторых случаях приближается к показателю адиабаты k
2) зависит от степени перегрева пара, т. е. от разности температур М = tne — tH, и увеличивается с увеличением степени перегрева;
3) увеличивается с увеличением числа оборотов машины (уменьшается теплообмен со стенками).
Исследование диаграмм подтвердило, что показатель л имеет большее значение в начале процесса расширения (л = 1,1-г 1,4 т. е. превосходит в некоторых случаях показатель адиабаты k = 1,3) и меньшее— в конце расширения (л = 0,9—г—1,1). Такое изменение величины показателя политропы соответствует тому, что в начале расширения при л > k пар отдает тепло стенкам, а позже при л < k тепло передается в обратном направлении — от стенок пару. Одновременно по мере расширения пара происходит уменьшение степени перегрева М.
Итак, расширение перегретого пара в действительной машине происходит по уравнению политропы с переменным показателем.
Для упрощения исследования и проектирования паровых машин обычно принимается, что процесс расширения протекает по политропе с некоторым средним значением показателя л.
На фиг. 135 и в табл. 26 даны приводимые проф. Л. П. Смирновым [19] значения показателя политропы расширения л в зависимости от степени перегрева пара М при впуске.
Приведенные в табл. 27 опытные данные характеризуют величину изменения показателя политропы во время процесса расширения для различных степеней наполнения машины Sj и температур пара и позволяют
|
Таблица 26 Значения показателя политропы расширениями в зависимости от степени перегрева пара Дt° при впуске
|
|
Таблица 27 Значения показателей политропы в начале расширения пив конце расширения пі в зависимости от температуры пара FС и величины степени наполнения ег при р = 10 ати
|
сделать заключение о незначительности изменения показателя политропы и о возможности пользования средними значениями показателя. Так как п < k, то это указывает, что в процессе расширения происходит переход тепла от стенок цилиндра в пар. Это вполне подтверждает прежние рассуждения.
В положении поршня, соответствующем точке 2 индикаторной диаграммы, паровыпускной орган открывает паровой канал — расширение пара прекращается и начинается предварение выпуска.
Давление пара в конце расширения р2 выше, чем давление в конденсаторе, следовательно, в действительной машине расширение несовершенное или неполное.
Несовершенное расширение уменьшает полезную работу действительной машины по сравнению с идеальной.
Преднарение ныпуска. Предварение выпуска, как уже отмечалось выше, предназначено для подготовки парового тракта к выпуску отработавшего пара. За время, когда поршень проходит путь, равный 52 (фиг. 134), происходит открытие парового окна для выпуска пара из цилиндра. В мертвом положении поршня окно должно быть открыто не меньше чем на 70°/0 своего сечения.
Давление пара во время предварения выпуска должно снизиться до давления, которое будет поддерживаться в цилиндре во время выпуска. Выполнение этого условия зависит от величины степени предварения выпуска е2. Чем больше степень предварения выпуска, тем раньше давление пара в цилиндре снизится до требуемой величины. На диаграмме фиг. 134 изменение давления дается выпуклой линией 2/. В точке 2 линия 2/ должна быть касательна политропе расширения.
|
Фиг. 136. Влияние величины предварения выпуска на работу машины: а — отсутствие предварения выпуска; £ — чрезмерно большое предварение выпуска* |
Выбор слишком больших значений степени предварения выпуска, как и слишком малых, приводит к увеличению потерь действительного процесса (фиг. 136). Так, отсутствие предварения выпуска (фиг. 136, а) приводит к увеличению площади индикаторной диаграммы, полученной при правильном подборе величины є2, на величину площадки, отмеченной знаком плюс, и одновременно к уменьшению на величину площадки, отмеченной знаком минус. Сравнение площадок показывает, что отсутствие предварения выпуска вызывает уменьшение полезной работы машины.
Совершенно такой же результат получается при чрезмерно большом предварении выпуска (фиг. 136, б).
В зависимости от типа машины, степени наполнения и величины числа оборотов машины степень предварения выпуска бывает равна s2 = 2ч-20°10. Меньшие значения s2 встречаются у тихоходных машин и при больших степенях наполнения, большие значения — у быстроходных машин и при малых степенях наполнения. В машинах е золотниковым распределением с увеличением степени наполнения предварение выпуска уменьшается.
В крайнем положении поршня (точка / на фиг. 134) кончается предварение выпуска и начинается собственно выпуск.
Выпуск пара. Выпуск пара производится в среду (атмосферу, конденсатор, приемник или распределитель пара, предназначенных для технологических надобностей) с давлением рц KzjcM2 абс.
Как бы ни были совершенны паровыпускные органы распределения, все же они создают известное сопротивление проходу отработавшего пара, и давление его в цилиндре во время выпуска будет всегда выше, чем давление ри.
В тихоходных машинах давление в цилиндре во время выпуска остается постоянным и изображается линией /3, параллельной оси абсцисс.
В машинах среднеходных (л == 200-—500 об/мин) наблюдается повышение давления в цилиндре, когда поршень двигается сам с наибольшей скоростью и ускоряет поток пара, проходящий каналы.
В быстроходных машинах (л > 500 об/мин) Получается заметное повышение давления в цилиндре в конце выпуска, когда паровыпускной орган начинает уменьшать сечение для прохода пара перед полным его закрытием в точке 3.
Кроме того, на величину давления пара в цилиндре оказывает влияние нагрузка машины. Чем больше нагрузка, тем большее количество пара поступает в машину, тем больше скорость протекания пара и тем выше будет давление в цилиндре.
Если обозначить среднее давление пара в цилиндре во время выпуска через рвып, то при правильно сконструированном парораспределении потеря давления пара при проходе парораспределительных органов равна
дРц = Рвып — Ри = °’1 кг/см2
При выпуске пара через окна в цилиндре (прямоточные машины) потеря давления составит
Арц = 0,05 — г — 0,15 кг/см2
Учитывая это, можно записать, что среднее давление пара в цилиндре во время выпуска равно
Рвып = Ри + АЛі Кг1СМ2 абС — (289>
На индикаторной диаграмме (фиг. 134) линия /3 представляет линию выпуска. В машинах с золотниковым распределением продолжительность выпуска увеличивается вместе с увеличением степени наполнения.
Если выпуск пара осуществляется только через окна в цилиндре, то продолжительность выпуска и продолжительность предварения выпуска равны между собой.
Сжатие пара. Сжатие пара начинается в точке 3 на действительной диаграмме, когда паровыпускной орган полностью закроет паровые каналы, и продолжается до начала предварения впуска в точке 4. На действительной диаграмме линия 3—4 представляет процесс сжатия, который является политропическим (с переменным показателем), как и процесс расширения [уравнение (287)].
Из исследований действительных диаграмм вытекает, что значение показателя политропы сжатия в машинах, работающих насыщенным и слабо перегретым паром, равно и = 1, а в машинах с высокоперегретым паром п > 1 и по своим значениям приближается к показателям политропы расширения, особенно в быстроходных машинах.
Степень сжатия в зависимости от типа и конструкции паровой машины получает различные значения є3 = 6—г—90°/0.
Необходимо отметить, что паровые машины, работающие с конденсацией пара, должны иметь степень сжатия меньшую, чем машины, работающие без конденсации.
Это требование объясняется следующим образом.
Давление в конце сжатия (точка 4 диаграммы) зависит от величины начального давления и степени сжатия. Во время пуска машин с конденсацией давление в конденсаторе будет равно атмосферному, так как разрежение устанавливается только во время работы машины. Поэтому давление пара в конце сжатия при пуске машины будет в несколько раз выше, чем при нормальной работе, может превысить давление пара перед машиной и тем самым затруднить ее пуск.
Всякую машину, рассчитанную на работу с конденсацией, необходимо проверить на возможность работы с выпуском пара в атмосферу при выключенном конденсаторе.
Необходимо также отметить, что наличие сжатия пара несколько уменьшает потери, вызываемые вредным пространством. Кроме того, наличие сжатия способствует более плавному ходу машины, так как давление пара на поршень облегчает остановку поршня при подходе его к крайним положениям
Предварение впуска. Предварение впуска в действительной машине необходимо для подготовки паровпускных органов к впуску пара в цилиндр с минимальными потерями. К моменту прихода поршня, в крайнее положение паровпускные органы должны обеспечить достаточную величину открытия окон для впуска пара в цилиндр с минимальными потерями и своевременное заполнение свежим паром вредного* пространства, т. е. свежий пар, поступая во вредное пространство, должен поднять в нем давление с р4 до р’у
Выполнение этих заданных условий зависит от правильного выбора величины степени предварения впуска. Если выполнить распределение пара без предварения впуска, то в мертвом положении механизма паровые окна будут еще закрыты и давление пара во вредном пространстве будет равно рА (фиг. 137, а). При движении поршня от крайнего положения паровые окна начнут медленно открываться, и поступление пара будет происходить с большим запозданием и потерями, что вызовет понижение мощности машины и ухудшение ее экономичности. Чрезмерное увеличение степени предварения впуска (фиг. 137,6) приводит к тем же результатам, т. е. к уменьшению отдаваемой мощности и к. п. д.
Величина степени предварения впуска обычно бывает равной є4 = = 0,5-4%.
Большую величину степени предварения впуска необходимо назначать: 1) быстроходным машинам, 2) машинам с большим вредным пространством и 3) машинам с малой степенью сжатия (с невысоким давлением pi).
В крайнем положении поршня предварение впуска заканчивается и начинается собственно впуск.
Итак, были рассмотрены все отдельные элементы действительного процесса машины. Теперь необходимо подвергнуть анализу всю действительную диаграмму и сопоставить ее с идеальной.
|
Фиг. 137. Влияние величины предварения впуска на работу машины: а — отсутствие предварения впуска; б — чрезмерно большое предварение впуска. |
Если продолжить вверх политропу расширения 12 (фиг. 134) до пересечения в точке Г с прямой, проведенной через точку Ь параллельно оси абсцисс, то отрезок Ы’ будет представлять условную линию впуска пара при постоянном давлении, равном давлению пара в мертвом положении. Условная теоретическая степень наполнения е)7- находится по величине перемещения поршня 5)7- по формуле (281):
Условная теоретическая степень наполнения $17- позволяет, отвлекаясь от величины падения давления во время впуска, сравнивать процессы отдельных машин и упрощает построение предположительной диаграммы.
Сопоставляя диаграммы идеальной и действительной машин, построенные для одного и того же количества поступающего в цилиндр пара,
можно оценить качество действительной машины, так как площади диаграмм пропорциональны индикаторной работе машины.
Индикаторная диаграмма действительной машины Ы2/34Ь помещается внутри диаграммы идеальной машины BIIIGB, следовательно, площадь диаграммы действительной машины меньше площади идеальной машины.
Причины, вызывающие потери энергии в действительной машине, следующие.
1. Наличие вредного пространства, вызывающего дополнительный расход пара для его заполнения и увеличивающего поверхность, омываемую паром.
2. Падение давления пара в трубопроводе, впускном вентиле, золотниковой или клапанной коробке при проходе паровпускных органов и паровых каналов за счет трения, местных сопротивлений, мятия пара яри проходе через малые сечения и отдачи тепла во внешнюю среду (в цилиндре действительной машины дабление в начале впуска р'{ вместо pi). Эти потери увеличиваются при увеличении давления поступающего пара, при увеличении скорости протекания пара, при увеличении тепловоспринимающей поверхности и ухудшении ее ИЗОЛЯЦИИ.
3. Теплообмен со стенками каналов и цилиндра и внешнее излучение. При работе с насыщенным или слабоперегретым паром теплообмен приводит к начальной конденсации поступающего в цилиндр пара. Эта потеря частично возвращается в конце расширения, когда тепло передается от стенок к пару. Наличие хорошей изоляции цилиндра уменьшает потери на излучение во внешнюю среду, а наличие паровой рубашки уменьшает потери от теплообмена.
4. Несовершенное (неполное) расширение пара только до давления р2, значительно более высокого, чем рц, вызывает также значительное уменьшение полезной работы машины. Для осуществления полного расширения в действительной машине потребовалось бы значительное увеличение объема и размеров цилиндра и веса движущихся частей, а это вызвало бы увеличение потерь от теплообмена и трения движущихся частей, которые и поглотили бы все увеличение полезной работы.
Таким образом, допущение несовершенного расширения в паровой машине имеет свое техническое обоснование.
5. Сопротивление проходу пара через паровыпускные органы вызывает потерю полезной работы, так как давление пара в цилиндре при выпуске выше, чем давление рц.
6. Сжатие пара, оставшегося после окончания выпуска в цилиндре и вредном пространстве, дает уменьшение полезной работы действительной машины, но, как указывалось выше, способствует более плавной работе машины.
7. Утечки пара через неплотности парораспределительных органов, поршневых колец, уплотнений и арматуры уменьшают количество пара, производящего работу, и тем самым уменьшают полезную работу.
Значительные утечки пара из цилиндра во время расширения сказываются на увеличении показателя политропы расширения; наоборот, дополнительное количество пара, поступающего в цилиндр во время
расширения через неплотности паровпускных органов, уменьшает значение показателя.
Таким образом, всякое значительное отклонение величины показателя политропы от нормы дает возможность установить наличие утечек или дополнительного притока пара.
Так как ведется сравнение процесса действительной паровой машины с процессом машины идеальной, а индикаторная диаграмма не учитывает механических потерь, то эти потери не могли войти в перечень потерь действительного процесса в цилиндре.
Влияние предварения выпуска учитывается потерями от несовершенного расширения и при выпуске пара.
Проведенный анализ показывает причины, вызывающие потери в действительной машине по сравнению с идеальной.
При вычерчивании индикаторных диаграмм обычно пользуются графическими методами построения политропы и ее частных случаев — адиабаты и гиперболы, поэтому ниже приводятся общеупотребительные графические методы построения равноосной гиперболы по уравнению (288) и политропы по уравнению (287).
Построение равноосной гиперболы, проходящей через заданную точку 1 (фиг. 138) в системе координат р—5 производится следующим образом. Через заданную точку 1 проводятся прямые — горизонтальная АВ и вертикальная 1C. Отрезок горизонтальной прямой 1В делится на произвольное число равных или неравных частей, и точки деления обозначаются буквами а’, Ь’, с’ и т. д.
Через начало координат (точку О) проводятся лучи Оа , Ob’, Ос’, … и ОБ. Точки пересечения этих лучей с прямой 1C отмечаются буквами а", Ь", с" и т. д. Через точки а’, Ь’, с’, . . . проводятся вертикальные, а через точки а", Ъ", с" . . . — горизонтальные лучи. Пересечение лучей, проходящих через отмеченные одинаковыми буквами точки, дают точки а, Ь, с… , принадлежащие гиперболе. Через полученные точки проводится плавная кривая 12, представляющая собой равноосную гиперболу — линию расширения насыщенного (влажного) пара.
Построение политропы с заданной постоянной величиной показателя (фиг. 139) заключается в следующем.
Из начала координат точки О проводятся прямые: 1) ON под произвольным углом а к оси абсцисс Ох и 2) ОМ под углом к оси ординат Оу. Величина угла р определяется уравнением
l+tgP = (l+tga)« (290)
Через точку /, принадлежащую политропе, проводят прямые: горизонтальную А1 и вертикальную 1В и отмечают точки пересечения ли-
точки политропы. Соединение точек 1, а, b и последующих плавной кривой дает искомую политропу с заданным средним показателем п.
Угол а для построения политропы очень часто принимается равным 30°. Вычисленные для этого случая значения второго угла f) по формуле (290) приведены в табл. 28.
Таблица 28
|
Значения угла р в зависимости от величины показателя политропы п при а — 30°
|
Следует напомнить, что при п = 1 построение даст равноосную гиперболу, а при п = 1,3—адиабату.