Принцип работы парового двигателя

Прямоточный котёл

В наше время среди любителей паровой тяги большую популярность занимает прямоточный котёл. Чаще всего он ассоциируется с котлом Абнера Добля, американского создателя совершенной, для своего времени модели парового автомобиля. По сути своего устройства такой котёл представляет собой длинную трубу, обогреваемую теплом сгораемого топлива, в которую с одной стороны входит вода, а с другой выходит пар.

Котёл Добля первых серий, без катушки пароперегревателя в огневой камере. Картинка нарисована Кеном Хелмиком.

Оно хоть прямоточный котёл и безопасен, но внезапная потеря пара в сложной дорожной ситуации может здорово осложнить жизнь, поэтому он тоже должен быть проверен тщательно на прочность. Один из первых котлов прямоточного типа применил на автомобиле француз Серполе.

Его котёл не имел практически никаких регулировок. Топка, работавшая на угле, практически никак не регулировалась, и подобно топкам паровозов могла быть постепенно притушена и так же постепенно раскочегарена. В раскалённые приплюснутые трубки, залитые чугуном, образующим толстые «рубашки», для предохранения труб от жара и удержания у них сплюснутой формы по мере необходимости в паре впрыскивалась вода и от тепла, накопленного в трубках с рубашками, мгновенно превращалась в пар.

Однако такой принцип работы котла неэкономичен. Очень много тепла уходит в трубу, когда машина работает на малых режимах или на время останавливается. Кроме того перегретые трубы, даже снабженные толстыми чугунными рубашками склонны прогорать, особенно в зонах интенсивной передачи тепла, где они нагреваются докрасна.

Из-за этого конструкционного перегрева металла труб, котёл Серполе этого типа с толстыми трубами был очень тяжёл. Не случайно, в более поздних моделях своих автомобилей Серполе отказался от такого принципа работы котла и перешёл к регулированию горения в соответствии с отбором пара.

На первый взгляд намотать энное количество катушек из энного количества витков и изготовить прямоточный котёл из подходящей трубы не представляется особо сложным. В принципе так оно и есть, при определенных навыках и наличии некоторых несложных приспособлений такие котлы наматываются даже в условиях гаражной мастерской и даже балкона.

Но изготовление змеевиков котла это ещё далеко не все проблемы, которые должен решить изготовитель прямоточного котла. Какие же вопросы встанут перед человеком, который задумал построить прямоточный котёл? Самый первый, — а сколько же нужно этой самой трубы и как расположить катушки, если не циклиться на конфигурации классического котла Добля и не воспроизводить его один к одному?

Ведь расположение катушек может быть различным, в зависимости от компоновки, условий теплопередачи и технологии изготовления. Ведь кроме классического котла Добля существуют десятки других конструкций прямоточных колов и некоторые из них превосходят этот неплохой по всем показателям парогенератор.

Из каких же соображений выбирать длину трубы? Замечу сразу, что «труба» у котла Добля (КД) состоит из труб разного диаметра с его увеличением по длине от начала к концу котла. Для чего это сделано, думаю понятно. Можно конечно углубиться в скрупулёзный расчёт, отталкиваясь от теории теплопередачи, но такая задача пока не входит в рамки данного текста.

Мы просто воспользуемся общими средними практическими данными, хотя для серьёзного проектирования хорошего котла мимо расчётов не пройти. В среднем известно, что для котлов такого типа с одного квадратного метра поверхности теплообмена можно снять порядка 100 кг/час пара.

Пример компактного прямоточного котла SES (Steam Energy Systems) для машины до 150 лс.

На какой же расход пара следует ориентироваться паромоторостроителю-самодельщику? Для России, где у любителей практически нет серьёзных наработок и знаний в области паровых машин, можно ориентироваться на показатели автомобилей Стенли, как наиболее неэкономичных.

Они потребляли от 18 до 20 фунтов (8-9 кг) пара на 1 л.с. развиваемой мощности в час. Отмечу, что давление в котле этих автомобилей было около 35 бар, а в паровой коробке машины в среднем, примерно вдвое меньше. Пар в исторических автомобилях Стенли был насыщенным или едва-едва перегретым.

Машина была классической конструкции с плоским коробчатым золотником, то есть самой неэкономичной конфигурации. При всём при этом, общий кпд установки на дороге был до 7%. Примерно такой же КПД имел знаменитый грузовик НАМИ 012, построенный после Советско-Германской войны в Cовдепии спустя полвека. Он был гораздо совершеннее по своей концепции, однако переплюнуть Стенли ему не удалось. Но вернёмся к прямоточному котлу.

Допустим, Вы определились с величиной необходимой площади теплообмена. При этом следует всегда заложить некоторый избыток, так как резерв мощности никогда не повредит. Встаёт задача о расположении катушек, числа витков, о соотношениях длин для труб разного диаметра, если Вы приняли решение применить трубы разного диаметра для разных зон нагрева.

Можно и, наверное, даже нужно для первого котла взять трубу одного диаметра или максимум двух для простоты. При наматывании катушек следует добиваться соблюдения условий максимальной теплопередачи, а это значит надо по максимуму использовать радиационный теплообмен, эффективность которого наибольшая.

В конвективной части надо постараться добиться максимальной скорости газов и турбулентности потока, хотя скорость газов палка о двух концах и повышать её свыше определенного предела не нужно, потому что сопротивление газового тракта не должно быть слишком большим по соображениям тяги и мощности дутьевого вентилятора.

В докладе NASA 70-х годов прошлого века рекомендовались следующие расстояния между труб в плоских катушках. В ряду поперек потока около 1.4 d между центрами труб, а вдоль потока 1 d. Трубки располагаются в шахматном порядке. При такой плотности пучков труб достигается минимизация размеров котла при хорошей эффективности теплопередачи.

Надо добавить, что эти данные соответствуют наиболее горячей зоне котла, и в этой рекомендации не учитывалось увеличение плотности газов по мере их охлаждения. В более холодной части газового тракта трубы должны быть уложены плотнее. Везде где можно, необходимо применять принцип противотока.

Но допустим, Вы решили все эти согласования, обошли все трудности конструирования, изготовления и построили свой котёл. Теперь перед Вами встаёт задача его регулирования. Поэтому сейчас я хотел бы остановиться на главной трудности, которая присуща всем прямоточным котлам, особенно котлам для транспортных установок и котлам, работающим в условиях частых переменных нагрузок.

Имея в себе небольшой запас воды, прямоточный котёл должен очень быстро реагировать на изменение мощности машины. Иначе машина может его быстро высушить до «дна», если питательный насос адекватно не отреагирует на резкое повышение её нагрузки и повышения в связи с этим расхода пара.

Это чревато прогоранием труб, потому что при повышении мощности автоматика будет стремиться дать побольше «огня». Или наоборот, машина может получить «глоток воды» при резком снижении развиваемой мощности, если питательный насос так же не среагирует вовремя. Это чревато для машины летальным исходом.

Итак, что же мы видим? Питание водой прямоточного котла при его работе должно быть непрерывным и точно соответствовать потреблению пара в каждый момент времени. Из-за того, что в прямоточном котле воды очень немного, скорость срабатывания системы регулирования котла должна быть достаточно высокой.

Подача воды должна быстро и точно реагировать на изменение нагрузки. Для изменения производительности питательного насоса можно или изменять его обороты, или величину его рабочего хода (вытесняемый объём), или иметь байпас насоса с управляемым клапаном, чтобы иметь возможность быстро сбросить избыток воды с напора насоса обратно в бак.

Место, где в трубе прямоточного котла заканчивается вода и начинается пар, то есть зона фазового перехода не имеет чётко выраженных границ и постоянно смещается вокруг некоторой точки в ту или другую сторону от того места где, согласно расчёта, количество подведённого тепла уже достаточно для фазового перехода.

Если считать в процентах от длины трубы, то для прямоточного котла, для довольно широкого ряда давлений, по эмпирическим данным — примерно 60% зона экономайзера, 20% зона объемного кипения, 10% зона плёночного кипения и 10% зона пароперегревателя. При увеличении расчётного давления на подогрев воды (зона экономайзера) потребуется увеличение относительной площади.

Произойдёт уменьшение зоны испарения и пароперегрева, а при уменьшении давления, наоборот. Уже в зоне плёночного кипения температура пара начинает повышаться от температуры насыщения, которую имеет вся зона перехода фаз. Примерно в этом месте должен стоять датчик температуры. В некоторых котлах этот датчик температуры стоит на выходе из котла.

У Добля этим датчиком служил кварцевый регулятор, который измерял температуру, используя разницу коэффициентов температурного расширения кварца и стали. Увеличение температуры выше определенного значения, соответствующего нормальной работе котла, означает что «уровень» воды в котле понизился, и эта зона попала в зону перегрева пара.

Разница тепловых расширений кварцевого стержня и стальной трубки, в которой находится стержень, вызывает прикрытие байпаса питательного насоса и увеличение поступления воды в котёл. Этот процесс регулирования имеет очень большую инерционность по сравнению с очень малой инерционностью самого котла, и поэтому нельзя дожидаться, когда кварцевый регулятор остынет естественным образом, вследствие подъёма уровня воды в котле, иначе вода по инерции быстро достигнет машины со всеми вытекающими из этого неприятностями.

Чтобы быстро остудить перегретый регулятор у котла Добля был применен впрыск воды через точно подобранное отверстие в точке перед регулятором. Это устройство назвали нормализатором. Фактическим изобретателем его явился шофёр испытывавший автомобиль Добля, Паки Нолан.

Утомлённый скачками уровня в котле и соответствующими колебаниями температуры, при испытаниях модели D, в которой ещё не было никакого нормализатора, он сказал – нельзя ли как то успокоить эти скачки температуры? Нельзя ли попис..ть струйку воды в начале пароперегревателя перед регулятором?

Добль запатентовал нормализатор со скоростью света. Имени Нолана в списке соавторов, однако, не оказалось. (Абнер Добль был человек гордый, и многие податели подобных идей всплыли гораздо позже, и не найдены в списках соавторов его изобретений.) Впрыск осуществлялся одновременно с закрытием байпаса питательного насоса.

В поздних моделях Добль применил второй нормализатор, на выходе из котла, чтобы регулировать температуру выходящего пара в жёстко заданных пределах, при сильных перегрузках котла, что тоже очень важно, если мы не хотим сжечь масло в машине. Жиклёр для впрыска воды подбирали при настройке автоматики для каждого котла индивидуально.

В наше время задачу измерения температуры может взять на себя термопара, которая будет управлять производительностью насоса и подачей воды в нормализатор. Это можно сделать средствами электроники и электромеханики, хотя введение электроуправления в паровую систему имеет очень много противников, потому что эти системы ненадёжны.

Добль, внедрив электрические системы управления в свои автомобили, внёс очень большой элемент ненадёжности в их работу и добавил сложности с их обслуживанием. Существует множество различных других вариантов датчиков температуры для прямоточных котлов.

Например, можно использовать регулировку по патенту Р. Смита. Там датчиком температуры является прямой длинный кусок паропровода, выходящего из котла. Этот прямой отрезок с одной стороны закреплён, а с другой он может свободно расширяться и при своём расширении посредством рычага с большим плечом приводить в действие клапан байпаса или микровыключатель электроклапана его.

Полуметровый кусок стальной трубы при нагревании на 10С в диапазоне температур около 300С удлиняется примерно на 0.07 мм, поэтому система должна ловить хотя бы половину от этого значения, а лучше ещё меньше. При такой системе тоже не надо забывать о нормализаторе, в этих системах обратная связь необходима.

В любом случае управление монотрубным котлом является чем-то вроде танцев на канате. Впрочем, скорость срабатывания и термопар и механических регуляторов, которые здесь описаны и список которых ими не исчерпывается, в принципе достаточна для применения прямоточного котла даже на автомобилях, не говоря о стационарных установках.

Надо ещё добавить, что такой котёл требует употребления дистиллированной воды, очень тщательного подхода к очистке питательной воды от масла в системе с конденсацией и регулярных продувок и мероприятий по удалению отложений внутри трубы котла. Существует, однако, и другая конструкция котла, которая позволяет на порядок упростить регулировку и получить более надёжный котёл, чем котёл Добля. Прежде всего, имеется в виду котёл Ламонта. Но о нём позже.

Есть ещё один способ регулирования прямоточного котла. Вместо кварцевого регулятора в месте, где он находился, труба котла разрывается и туда врезается «стояк» (stand pipe). Этот стояк делается из трубы большого диаметра, и достаточной для сепарации высоты.

Он образует как бы небольшой барабан-сепаратор в котором существует чётко выраженный уровень. Объём стояка добавляет котлу резерва, поэтому его надо выбрать достаточным, скажем, объёмов пять(?)-10 воды в трубе змеевика до него, может быть и больше. В такой же степени увеличится критическое время, за которое система регулирования котла должна сработать.

Резерва должно быть достаточно, чтобы иметь возможность питать им машину хотя бы половину минуты. Тогда запас времени для того чтобы система контроля сработала, увеличится в той же степени. (Надо сказать, что наличие достаточного резерва является в огромной степени необходимым для транспортного средства.

Без него это средство сильно теряет в своих динамических характеристиках.) В этом барабане уже можно мерить уровень и регулировать подачу воды в котёл в соответствии с ним. Если уровень воды в барабане стал слишком большим, производительность питательного насоса надо уменьшить, а если мал – увеличить. Можно применить так называемый контроль Вотермана. Он осуществляется посредством применения парового насоса.

Паровой насос представляет собой устройство, состоящее из парового и водяного цилиндров, связанных непосредственно. Шток парового поршня соединён со штоком плунжера насоса. Никаких колёс и преобразований во вращательное движение. Конструкций парового насоса может быть множество, как правило, паровая часть представляет собой цилиндр паровой машины двойного действия.

Все паровые насосы имеют полную степень наполнения цилиндра, то есть пар входит в рабочий паровой цилиндр практически весь ход поршня и работают насыщенным и влажным паром. Такой тяни-толкай, в Америке называют Ослиный насос (Donkey pump). Если запитать такой насос паром из барабана, в котором мы хотим регулировать некий уровень в точке, где находится этот самый уровень, появляется прекрасная возможность держать этот уровень постоянным, не имея больше никакой нужды в дополнительных датчиках и регуляторах. Единственное условие, производительность этого насоса по воде должна превышать максимальное потребление пара.

Когда уровень низок и в насос поступает чистый пар, то производительность насоса высокая и уровень в барабане начинает повышаться. Когда он повышается и начинает подбрызгивать воду в насос, то последний начинает замедляться, а когда туда поступает чистая вода, то и вовсе начинает работать очень медленно, но он, тем не менее, продолжает работу подобно поршневому гидромотору.

Уровень в котле начинает падать, поскольку производительность насоса упала. И так всё время. Уровень в барабане не может превысить точки, где запитан паровой питательный насос, система получается полностью саморегулируемая. Встроить в систему паровой насос можно двумя способами, пар на выходе из него может идти дальше в тракт пароперегревателя и в машину или же он может выходить через подогреватель питательной воды в конденсатор.

Такая система монотрубника с барабаном очень удобна. На старте, если барабан пуст, время запуска котла такое же, как и прямоточного, но зато когда по мере движения резервуар наполнится, у Вас будет хороший резерв пара для выполнения необходимых манёвров при движении.

В котлах системы spill-over Беслера питательный насос подавал всегда некоторый избыток воды (10-20%), и этот избыток постоянно стравливался из стояка и через подогреватель питательной воды и подавался на вход питательного насоса. Уровень регулировался игольчатым, клапаном через который стравливалась лишняя вода из барабана.

Эта система является некоторым аналогом котла Ламонта с очень малой кратностью рециркуляции 1,1-1,2. Однако питательный насос требует больших затрат энергии на привод, что в совокупности с теплом потерянным при стравливании из барабана приводило к некоторому снижению экономичности котлов системы спилл-оувер.

Можно, вероятно поступить и другим способом. Уменьшив подачу воды в котёл просто подождать, когда её избыток в стояке-барабане испарится за счёт того, что при уменьшенной подаче воды в барабан начнёт попадать пар несколько перегретый и будет испарять лишнюю воду из него.

Можно и вовсе поместить стояк в зону котла, чтобы он тоже постоянно грелся. Тогда при уменьшении подачи воды произойдёт ещё более быстрое уменьшение её уровня. При таком способе регулирования с барабаном-стояком можно отказаться от использования кварцевого регулятора или других температурных датчиков для измерения уровня воды.

Уровень воды в стояке можно мерить уже любым прямым измерителем уровня, от поплавкового до расширительной трубы Стенли или электроконтактного датчика сделанного из обычной автомобильной свечи зажигания. Такая система представляется наиболее подходящей для самодельщика.

Барабан-стояк заменяет сложный кварцевый регулятор и избавляет от проблем с температурными датчиками. Хотя надо хорошо продумать такую ситуацию, если уровень в стояке больше нормы, а в трубу испарительной части подаётся слишком мало воды, так что она начинает перегреваться.

Поскольку воды много, то питательный насос работает на байпас, а пара для работы машины поступает в норме и датчик давления не отключает горелку. Поэтому труба испарительной части может перегреться. Как мы узнаем, что такая ситуация наступила? Просится температурный датчик на выходе из испарительной секции.

На выходе из котла температурный датчик иметь всё-таки также желательно для контроля температуры рабочего пара, уровень, которой можно понижать в случае чего впрыском воды или подачей насыщенного пара из барабана, что лучше из-за того, что в паре нет растворённых солей.

Одним лишь только регулированием подачи воды в котёл дело, однако, не исчерпывается, ведь эту воду надо превратить в пар, что делает тепло выделяемое при сгорании топлива. Поэтому необходимо так же помнить о необходимости регулирования интенсивности горения, которое должно изменяться соответственно изменению нагрузки машины.

Какой параметр должен вызывать изменение количества подводимого в котле тепла в соответствии с потреблением пара? Предположим, что мы резко тормознули, или нагрузка генератора отключилась. Что произойдёт с котлом? Давление в нём начнёт повышаться, так как автомат прикроет поступление пара в машину или в случае «стоп машина» полностью перекроет пар.

Ясно, что дальнейшее действие автоматики должно быстро погасить огонь в топке. Поскольку пар будет некоторое время продолжать выделяться, то излишек его надо или стравить, или накопить в ресивере. Таким образом, когда давление начинает превышать заданное, датчик давления должен отключить горелку, и наоборот.

Так было сделано у Добля. Горелка котла Добля работала на бензине и керосине, поэтому осуществить режим работы ВКЛ/ВЫКЛ было относительно просто. Так и работал этот котёл, его горелка была однорежимной и постоянно, то включалась на полную мощь, то выключалась в соответствии с текущим режимом работы машины «среднеимпульсно» выделяя необходимое количество тепла.

Но кого в наше время может интересовать паровая машина, работающая на бензине, если её к.п.д. не будет равен, или по крайней мере близок к.п.д. бензинового мотора? Если бы такую машину удалось создать, то все автомобилисты переключились бы на неё, потому что паровик имеет очень много преимуществ перед ДВС для применения на транспорте в качестве тяглового мотора, и только недостаточный к.п.д.

современных ПМ при их несколько бОльшем весе не даёт паровику прорваться на арену массового применения. Вряд ли мы с вами сможем сразу построить такую экономичную паровую систему. Но стоило бы нам научиться использовать дрова и прочую биомассу как топливо, то паровик на уровне уже достигнутых в прошлом веке результатов сразу приобрёл бы популярность, хотя и был бы поначалу несколько неуклюж, как и все прототипы современных мощных моторов.

(Так и представляется этакий паровой полугрузовичок типа УАЗ фермер с бункером всяких сухих початков и прочих плевел за кабиной. 😉 Так вот в случае питания монотрубного котла дровами, возникает сложность с отключением топки. То есть реализовать режим ВКЛ/ВЫКЛ в этом случае весьма затруднительно.

В Америке когда то жил человек по имени Джон Ветз. Он тоже любил пар и паровые машины. Джон был очень беден и не имел металлорежущих станков, поэтому его машины были сконструированы так, чтобы избежать по возможности станочных работ. Это был талантливый кулибин и изобретатель.

Он создал целый ряд паровых устройств, автомобиля и садового трактора на принципе пиролизного(газогенераторного) сжигания древесины, выполненных из подручных средств, при помощи «ножовки по металлу и кувалды». Он придумал, как совместить сжигание твёрдого топлива с монотрубным котлом, и при этом сохранить гибкость регулирования присущую таким котлам на жидком топливе.

Для того чтобы не перегревать котёл жаром от углей, при остановке или резком уменьшении потребления пара, он сделал обогрев своего котла сверху как и положено котлу Добля. Намотан был котёл так же по подобию котла Д.. Над котлом установлен бункер с дровами из железной бочки, и топка устроена наподобие пиролизного котла или газификатора.

Можно, однако, сам котел повернуть на 90 градусов и расположить под углом от бункера-горелки. Система регулирования питания котла Джона Ветза, это предмет для долгого и обстоятельного изучения, ибо при всей кажущейся её простоте и примитивном устройстве, я до сих пор никак не пойму как она работает.

Однако, по отзывам людей, запускавших его систему, работает она хорошо. Система же очень проста по устройству и работает тоже за счёт расширения металлического паропровода, который через рычаг давит на кнопку микровыключателя соленоидного клапана байпаса питательного насоса.

Постоянно осуществлять ВКЛ/ВЫКЛ режим не обязательно. На автомобилях Уайт был применен пропорциональный режим изменения интенсивности горения в соответствии с поступающей в котёл водой. Это делал специальный регулятор, который Уайты назвали флоумотор.

Он следил, чтобы вода и топливо подавались в котёл в строгой пропорции на любых режимах работы двигателя. Сигнал на увеличение/уменьшение подачи воды давал датчик давления в котле. Изменение давления приводило в движение поршенёк флоумотора, и тот реагировал изменением подачи воды и топлива в нужном количестве и в нужной пропорции.

За перегревом пара следил термостат наподобие кварцевого регулятора Добля, только стержень его был медным. Расширяясь гораздо сильнее чугунной трубы, в которой он находился, этот медный стержень управлял иглой водяного клапана, который добавлял воды, если пар слишком перегрелся.

Вот как описывает авторитетный эксперт в области паровых автомобилей Джим Кранк работу системы управления автомобиля Уайт.