Поршневая или турбинная машина для охлаждения газа за счет его расширения

Обновлено: 02.07.2024

Наддувные моторы постепенно вытесняют атмосферные. Однако некоторые производители сокращают интервал ТО для автомобилей с турбодвигателем. Почему? Давайте разбираться.

Чем турбомотор отличается от атмосферного?

Атмосферный мотор засасывает воздух в цилиндры под действием разрежения, которое возникает, когда поршень движется к нижней мертвой точке. В большинстве случаев давление в цилиндре в конце хода впуска чуть ниже атмосферного. И вот с этим количеством воздуха и осуществляется рабочий цикл мотора. Наддувный двигатель получает на входе в цилиндр воздух, сжатый компрессором до определенного давления, а потому его в цилиндр войдет больше, чем у мотора со свободным всасыванием. Больше воздуха — больше кислорода, а значит, и топлива сгорит больше, и мощность при том же рабочем объеме поршневой части будет выше (или мотор компактнее при сохранении мощности).

Поскольку воздух в компрессоре подогревается, температуру перед подачей в цилиндр желательно снизить. Это делает специальный охладитель — интеркулер. Компрессоры могут использоваться разных типов — и с приводом от коленвала, и волновые обменники давления, но наиболее распространен турбонаддув. Последний способ использует энергию выхлопных газов для вращения центростремительной турбины, а сидящее на том же вале колесо центробежного компрессора обеспечивает сжатие воздуха перед подачей в цилиндры.

Наддувный двигатель потребляет сжатый в компрессоре и охлажденный в интеркулере воздух. И тот же мотор является источником газов с высокими температурой и давлением, которые вращают турбину.

Как видим, конструкция наддувного мотора сложнее, чем атмосферника. Отсюда и первый недостаток турбомоторов.

1. Низкая надежность

Наддувные двигатели состоят из большего числа агрегатов, а надежность многокомпонентной системы всегда ниже, чем у более простой. Нагрузки на детали больше из-за большей литровой мощности. Да и конструкционные материалы в автомобильной промышленности используются преимущественно недорогие. Это же вам не аэрокосмическая отрасль…

К примеру, у турбокомпрессора есть система регулирования давления наддува, которая порой может заедать и отказывать. У редакционного Volkswagen Golf уже дважды при пробеге 80 000 и 100 000 км полностью теряла подвижность тяга привода клапана перепуска газов мимо турбины.

2. Недостаточный ресурс

3. Необходимость более частого и высококвалифицированного обслуживания

Многие производители для своих моделей с турбомоторами снизили периодичность ТО с 15 000 до 10 000 км. Так поступили, к примеру, Geely и Haval.

Наддувный мотор сложнее в обслуживании и особенно в диагностике. У него гораздо больше количество дополнительных соединений в системе турбонаддува. Потерять герметичность могут: подвод и отвод воздуха, подвод и отвод отработанных газов, системы подачи масла под давлением и его слива, а также подачи охлаждающей жидкости. Все это требует дополнительного внимания и опыта у сервисмена во время ТО.

4. Дорогой ремонт

Ремонт наддувного мотора всегда обходится дороже. Даже если турбокомпрессор в ремонтной фирме и не трогали, то прайс на восстановление двигателя все равно выше. Просто потому, что разбирать-собирать все перечисленные выше системы дольше и сложнее. А если предстоит замена турбокомпрессора, то готовьтесь выложить от 60 000 руб. Восстановление узла может потребовать половину этой суммы.

5. Обязательно применять хорошее топливо и смазки

6. Необходимость дополнительного охлаждения

7. Проблемы с ликвидностью

Впрочем, есть у турбомоторов и неоспоримые плюсы.

1. Отличная характеристика крутящего момента

Разгон автомобиля — хоть с механической коробкой передач, хоть с автоматом — очень зависит от того, насколько быстро мотор из режима холостого хода сможет достигнуть оборотов максимальной мощности. А мощность, как известно, пропорциональна произведению оборотов коленвала на крутящий момент. Именно поэтому нужно, чтобы мотор на как можно более низких оборотах выдавал большой крутящий момент.

2. Низкий расход топлива

У атмосферного двигателя значительная часть энергии сгоревших газов теряется вместе с горячими выхлопными газами. Наддувный двигатель использует температуру и давление выпускных газов, срабатывая их в турбине. Меньше энергии пропадает зря, значит, больше используется для движения автомобиля. Но, повторюсь, при условии спокойной манеры вождения.

Турбодвигатели совершенствуются и захватывают все новые модельные ряды автомобилей самых разных производителей на всех континентах. Вначале они оккупировали дороги старушки Европы. Япония давно и массово загружает ими внутренний рынок. США и Корея немного более сдержанны в распространении турбированных двигателей. Зато Китай в последнее время массово пересаживается на турбонаддув. Так что за наддувными двигателями будущее. Если, конечно, их не вытеснят электрокары.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

расширения,
сжатия,
нагрева,
охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Источник тепла.
Газ.
Радиатор.
Поршни.

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

тепла чашки кофе,
тепла ладони руки,
температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

обычный воздух,
водород,
гелий,
другой газ.

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Детальное описание функционала

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

давление,
объём,
температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Охлаждение воздуха для ГПУ и ГТУ. Повышение эффективности ГТУ

При повышении температуры воздуха на всасывании в ГТУ объем вырабатываемой электрической мощности снижается, а объем потребления газа повышается. Существуют различные технические схемы охлаждения газовой турбины, среди которых наиболее перспективной считается применение абсорбционных холодильных машин (АБХМ) для повышения эффективности газовой турбины.

АБХМ представляет собой холодильную установку, работающую за счет тепла, а не электрической энергии. Источником тепловой энергии может служить горячая вода, выхлопные газы, пар, природный газ и другие виды топлива.

Для решения проблемы снижения вырабатываемой ГТУ электрической мощности при повышенных температурах наружного воздуха, предлагается установить теплообменник, через который будет проходить захоложенная вода из АБХМ с температурой +5 — +10°C. Холод, вырабатываемый АБХМ, служит для охлаждения приточного воздуха на входе в ГТУ до +15 — +20°C.

АБХМ могут использовать как напрямую выхлопные газы ГТУ и ГПУ, так и горячую воду/пар из котлов-утилизаторов. Таким образом, холод производится, в основном, за счет потребления бросовых источников тепла.

Описание эффекта

Известно, что обычно ГТУ работают с постоянным расходом воздуха, соответственно при повышении его температуры, снижается его плотность и следовательно снижается мощность ГТУ. Снижение температуры подаваемого в турбину воздуха с 40°С до 15°С предотвращает снижение мощности ГТУ на 30%, которое произойдет при подаче воздуха на всасывание турбины с высокой температурой.

Также благодаря возможности АБХМ Thermax охлаждать жидкость до 0°С, можно получать охлажденный воздух более низкой температуры, что позволяет получать эффект большее количество часов в году.

График изменения электрической и тепловой мощности газовой турбины в зависимости от температуры подводимого воздуха приведен на рис. 3.

Рис. 2. Пример зависимости мощности ГТУ от температуры наружного воздуха

Рис.3. Изменение электрической и тепловой мощности газовой турбины в зависимости от температуры воздуха на входе

Принципиальная схема применения

Описание реализации отдельных элементов системы

Воздухоохладитель

Для правильного расчета теплообменника необходимо иметь следующие параметры:
• размеры воздухозаборного устройства
• расход воздуха
• температуры воздуха и воды на входе и выходе из охладителя
• максимально допустимые потери давления по воздуху и по воде

Необходимо учитывать, что любое дополнительное сопротивление на входе воздуха в ГТУ негативно сказывается на основных показателях работы ГТУ. При охлаждении воздуха на теплообменнике при определенных условиях может образовываться конденсат, для предотвращения уноса конденсата в турбину необходимо предусмотреть каплеуловитель. Также важным моментом является вопрос использования воды или гликоля в качестве холодоносителя, т.к. применение гликоля значительно снижает мощность по холоду, а использование воды влечет необходимость продувки системы для предотвращения заморозки.

Дренажный поддон

Для сбора и отвода воды, конденсирующейся на теплообменной поверхности батареи, в нижней части блока устанавливается специальный дренажный поддон. Его ширина должна быть достаточной, чтобы обеспечить отвод воды также и из каплеотбойника. Дренажный поддон изготавливается из нержавеющей стали. Конструкция поддона должна обеспечить достаточный объем для сбора воды, а также ее легкий отвод из системы через дренажные каналы, диаметр которых зависит от объема воды. На выходе из дренажной системы необходимо предусмотреть сифон.

Источник холода

Согласно рекомендациям Ассоциации по охлаждению приточного воздуха TICA, США, в ГТУ наиболее целесообразно, в случае наличия бросовых источников тепла, использовать АБХМ. В России АБХМ Thermax используются на нужды охлаждения воздуха на различных объектах с 2006 года, а за рубежом в портфолио Thermax более 300 проектов с охлаждением приточного воздуха в ГТУ, ГПУ, воздушные компрессора и другие установки.

Технологические установки и газораспределительные станции, перерабатывая энергию сжатого газа, позволяют не только получать холод. Они способны вырабатывать механическую и электрическую энергию. Такое устройство известно, как турбодетандер, принцип действия которого основан на перепадах давления. Данные установки позволяют получать не использованный энергетический потенциал.

Устройство турбодетандера

Турбодетандерная установка представляет собой лопаточную турбинную машину с непрерывным действием. С помощью турбодетандера производится расширение газа с целью его дальнейшего охлаждения. Освобожденная энергия позволяет совершать полезную внешнюю работу. Турбодетандер осуществляет низкотемпературную обработку газа в промышленных установках, принимают непосредственное участие в сжижении газа и разделении многокомпонентных газовых смесей.

В конструкцию турбодетандера входит корпус, ротор, сопловой регулируемый аппарат, а также направляющий аппарат, оборудованный поворотными механизмами. Агрегат полностью герметичен и не нуждается в электрической энергии. Направление движущегося потока газа определяет его конструкцию. Поэтому турбодетандеры могут быть центробежными, центростремительными и радиальными (осевыми). В соплах наблюдается различная степень расширения газа. В связи с этим турбодетандеры разделяются на активные и реактивные.

В первом случае давление понижается лишь в неподвижных направляющих каналах, а во втором случае – еще и во вращающихся каналах ротора. Конструкции установок могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, в зависимости от количества ступеней.

Принцип работы турбодетандерных установок

Прохождения газа или сжиженных газовых смесей происходит через отверстия неподвижных направляющих каналов, исполняющих функции сопел. В этом месте потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, благодаря которой приводятся в действие вращающиеся лопаточные каналы ротора. Резкое расширение газа приводит к падению давления, в результате чего ротором совершается механическая работа с одновременным интенсивным охлаждением газового потока. Одновременно с ротором вращается колесо компрессора, насаженное на него.

Как правило, при использовании установок в промышленности, на входе турбины поддерживается постоянное давление в соответствии с проектным уровнем. В такой ситуации давление регулируется специальными клапанами, что не совсем рационально. Более эффективными считаются турбины с переменным давлением при полностью открытых входных клапанах. Используемые клапана должны иметь максимально большие размеры. Это позволяет достигнуть необходимого дросселирования при перепадах давления всего лишь 5-10%. Для традиционных клапанов этот показатель составляет 25 – 50% из-за слишком малых размеров. То же самое касается насосов, создающих давление газа. Они подбираются в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.

Наиболее оптимальным вариантом является применение турбодетандера для производства электроэнергии за счет избыточного давления. Одновременно, газ, проходящий через агрегат, используется по прямому назначению, независимо от режима работы и без каких-либо потерь. Таким образом, весь цикл представляет собой термодинамический обратимый процесс.

Использование турбодетандеров в промышленности

Применение турбодетандеров практикуется совместно с новыми установками или теми из них, которые были подвергнуты существенной модернизации. В обязательном порядке учитывается экономическая целесообразность и условия конкретного предприятия.

В промышленности широко используются турбодетандеры, принцип действия которых позволяет вырабатывать электрическую или механическую энергию, приводящих в движение вентиляторы или компрессоры. Но, несмотря на оптимальную энергетическую эффективность применения этих агрегатов, они должны соотноситься с общей предполагаемой потребностью и балансом пара на предприятии. При чрезмерном количестве или мощности устройств вполне возможно избыточное производство пара под низким давлением. Чаще всего этот пар просто стравливается в атмосферу, что значительно снижает энергетическую эффективность.

Основным условием должна стать доступность парового потока, необходимого для нормальной работы турбодетандера в течение точно установленного и довольно продолжительного отрезка времени. В случае нерегулярного или непредсказуемого поступления пара, его полезное применение существенно затрудняется, и турбина будет работать вхолостую. Наиболее эффективное использование турбодетандеров требует существенных перепадов давления и большого расхода газа. Поэтому агрегаты нашли широкое применение в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.

Читайте также: