Паровой двигатель

Область применения: в энергетических, компрессорных, насосных, вентиляционных установках, транспортных машинах. Задача: повышение коэффициента использования теплоты сгорания топлива при одновременном получении электроэнергии и тепла, а также улучшение весогабаритных характеристик и экономических параметров парового двигателя. Технический результат: для более полного использования энергии сгорания топлива в парогенераторе благодаря одновременному получению электроэнергии или механической работы и тепла в качестве силовой расширительной машины применен серийный роторно-поршневой двигатель, а в качестве утилизатора тепла отработанного пара применен теплообменный аппарат - конденсатор.

Агрегатная мощность парового двигателя может увеличиваться за счет увеличения количества автономных парогенераторов, одновременно работающих в комбинации с одним паровым двигателем. Но, при работе парового двигателя с малыми нагрузками отдельные парогенераторы выключают, достигая в этом случае экономии топлива и ресурса и еще более высокой экономичности силового агрегата, т.к. работающие парогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме.

Полезная модель относится к паровым машинам, в частности, к паровым двигателям.

Существуют различные типы паровых двигателей. Это поршневые паровые машины (паровозы, пароходы, локомобили), паротурбинные (ТЭЦ, корабли), паровые детандеры и др. В настоящее время в мире и России введутся исследования по применению паропоршневых машин на основе серийных двигателей внутреннего сгорания. (См. статью Дубинина B.C. и Лаврухина К.М. «К вопросу о применении паропоршневых машин», журнал Турбины и дизели 2 2006 г. с.16-19).

При работе парового двигателя под воздействием давления пара, полученного в парогенераторе или паровом котле, на поршни двигателя происходит получение полезной работы. При этом в двигателе происходит расширение пара.

Поршневая паровая машина является первым тепловым двигателем, получившим в свое время широкое промышленное применение. В 19 веке почти вся энергия, используемая человеком, производилась с помощью паровых машин, которые сыграли исключителью роль в прогрессе промышленности и транспорта *См. «Паровая машина», Советский энциклопедический словарь 1981 с. 981).

Даже первые автомобили были с паровыми двигателями.

С появлением паровых турбин паровые машины оказались невостребованными, особенно в электроэнергетике при централизованном энергоснабжении с разветвленными энергосетями. Однако в настоящее время надежность централизованного электроснабжения понизилась, а стоимость возросла. Поэтому автономное энергообеспечение становится востребованным.

В этой связи за рубежом вполне обоснованно осваивается производство современных паровых двигателей, позволяющих в автономных условиях, используя местное топливо, получать с меньшими затратами и не меньшей эффективностью электроэнергию и использовать отходящее тепло.

Отечественная промышленность производит паровые котлы малой мощности с топками для различных видов топлива, генераторы, эффективные теплообменные аппараты - не выпускаются только паровые машины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является поршневая паровая машина паровоза и локомобиля, содержащая общие признаки, присущие силовым расширительным машинам объемного типа.

Недостатками прототипа являются наличие поступательно движущихся поршней с остановками в мертвых точках, а также шатунов, кривошипов, без которых невозможно преобразование поступательного движения поршней во вращение.

Задачей предлагаемой полезной модели является более простое использование давления пара для получения вращения выходного вала парового двигателя объемного типа, без применения шатунов, кривошипов и поступательно движущихся поршней, а также для улучшения весогабаритных характеристик парового двигателя.

В результате использования предлагаемой полезной модели - работающего на паре роторно-поршневого двигателя (РПД), как наиболее совершенного из современных двигателей, повышается эффективность использования пара при одновременном получении электроэнергии и тепла, т.е. за счет когенерации энергии сгораемого топлива. Это легкий, компактный двигатель не имеет поршней, шатунов, коленчатого вала, клапанов, золотников и других деталей (всего на 40% меньше деталей паропоршневого двигателя), частота вращения достигает 10000 об/мин, а крутящий момент при работе на паре возрастает с уменьшением частоты вращения - как у поршневой паровой машины.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в качестве силовой паровой расширительной машины применен паровой РПД.

Таким образом, чтобы с нуля не создавать новый паровой двигатель, в качестве основного элемента полезной модели может быть использован, например, РПД, работающий совместно с парогенератором в составе автономной энергоустановки малой мощности (от 100 до 1000 кВт).

В таком паровом РПД происходит работа пара, получаемого в автономном парогенераторе или отводимого из паровой системы ТЭЦ, атомной энергетической установки корабля с преобразованием энергии пара в полезную механическую работу для привода различных механизмов - насосов, компрессоров, вентиляторов, генераторов, дымососов и т.д. Отработанный в паровом РПД пар может после конденсации возвращаться в пароводяную систему ТЭЦ или корабля.

Предлагаемый паровой двигатель объемного типа, а не лопаточного типа исключает потребность высокого расхода рабочего тела (пара) для получения одинаковой мощности.

В зависимости от величины давления пара на входе в паровой двигатель и необходимости его понижения в процессе работы до минимального давления цикла двигатель может иметь несколько ступеней понижения давления.

Выбор количества ступеней понижения давления пара в РПД будет определяться требованиями по мощности, весу, габаритам, крутящему моменту на выходном валу парового двигателя.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена общая схема парового двигателя. Паровой двигатель по схеме содержит парогенератор 1, силовой агрегат, преобразующий энергию пара для получения полезной работы, - роторно-поршневой двигатель 2, конденсатор 3, а также вспомогательные элементы: конденсатный насос 4 для подачи воды в парогенератор и электрический генератор 5 для обеспечения нагрузки на паровой двигатель.

Работает автономный паровой двигатель следующим образом.

Пар из парогенератора с рабочим давлением поступает в роторно-поршневой двигатель, где совершает полезную работу с получением мощности на приводном валу электрического генератора, во время работы двигателя понижается давление пара почти до атмосферного. Затем отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется.

Получаемая в конденсаторе вода конденсатным насосом подается в парогенератор и вновь превращается в пар от теплоты, получаемой от сгораемого в парогенераторе топлива. Замкнутый цикл повторяется.

При необходимости, несколько парогенераторов могут группироваться для обеспечения работы одного парового двигателя большой мощности большой мощности или для создания паровых двигателей различной мощности на основе нескольких одинаковых парогенераторов. Но, при работе с малыми нагрузками отдельные парогенераторы отключаются, обеспечивая повышенную экономию топлива и ресурса энергетической установки. В этом случае работающие парогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме, а остановленные парогенераторы не расходуют топливо и ресурс.

Важная особенность полезной модели - многотопливность (уголь, газ, мазут, торф, древесные отходы и др.).

Паровой двигатель, состоящий из парогенератора, конденсатора, конденсатного насоса и расширительной машины, отличающийся тем, что в качестве расширительной машины применен роторно-поршневой двигатель.