Испарительно-конденсационная машина Уатта

История изобретения

    Решающие усовершенствования машины Ньюкомена, позволившие радикально улучшить её КПД, были сделаны шотландским механиком Уаттом (James Watt). В 1755 году, после годичного обучения ремеслу слесаря-инструментальщика в Лондоне, Уатт в возрасте 19 лет вернулся в родную Шотландию в г. Глазго. Благодаря ходатайству профессора Блэка (Joseph Black), ставшего со временем его старшим другом и научным консультантом, Уатт получил разрешение разместить свою мастерскую на территории университета Глазго и занимался в основном выполнением заданий университетских профессоров.
    В 1763 году, работая над заказом по ремонту машины Ньюкомена, Уатт убедился в том, насколько она неэффективна и стал размышлять над путями её усовершенствования. Очевидно, не без консультаций с профессором Блэком, который был в это время самым компетентным в мире специалистом в области теплофизики, Уатт установил, что главным источником непроизводительного расхода топлива была необходимость постоянно повторять нагрев стенок цилиндра, охлаждавшихся во время впрыскивания холодной воды для конденсации пара. Для устранения этого недостатка он решил ввести специальный конструктивный элемент – конденсационный насос или, более кратко, конденсатор, сообщающийся с цилиндром с помощью трубки, снабжённой клапаном (см. Схему машины Уатта). Стенки конденсатора охлаждались снаружи проточной водой, благодаря чему попавший в него пар конденсировался на стенках, а образовавшийся конденсат стекал в водяной коллектор. Таким образом, в машине Уатта стенки цилиндра оставались горячими в течение всего рабочего цикла и непроизводительные затраты энергии были устранены. Как показала дальнейшая эксплуатация машины Уатта, в результате этого нововведения расход топлива в ней был в 3-4 раза меньше, чем в прототипе Ньюкомена. Патент на конденсатор Уатт получил в 1769 году.
    В доработанном варианте конструкции машины, поступившей в производство в 1775 году, был дополнительно введен специальный нагнетательный насос, который закачивал в бойлер конденсат, собравшийся в коллекторе. Таким образом, были созданы два независимых контура для циркуляции воды:
— замкнутый контур циркуляции (см. Фиг. 1) игравшей роль рабочего тела воды, подвергавшейся попеременно испарению и конденсации;
— открытый контур охлаждения стенок конденсатора проточной водой, игравшей роль хладагента.
    Важным для эксплуатации машины следствием введения замкнутого контура циркуляции рабочего тела стало избавление бойлера от образования накипи.

Рабочий цикл

Рабочий цикл у получившейся в результате всех нововведений испарительно-конденсационной машины Уатта можно представить как поочерёдную работу нагнетающего испарительного насоса (бойлер + полость цилиндра) и вакуумного конденсационного насоса (полость цилиндра + конденсатор). Этот цикл состоял из двух тактов.

Рабочий такт испарительного насоса и подготовительный такт конденсационного насоса.

В момент, когда поршень находился в крайнем нижнем положении,
открывались: клапан 1↔2 между бойлером и полостью цилиндра под поршнем и клапан 4↔1 между водяным коллектором и бойлером;
закрывались: клапан 2↔3 между полостью цилиндра и конденсатором и клапан 3↔4 между конденсатором и водяным коллектором.
При этом происходили следующие события:
— главный поршень под давлением пара сдвигался вверх, а на освободившееся место поступал пар, имеющий те же температуру и давление, что и в бойлере;
— шток поршня водяного насоса, прикреплённый к тому же плечу коромысла, что и шток главного поршня, совершал свой рабочий такт и вода, собравшаяся в коллекторе, передавливалась в бойлер.

Рабочий такт конденсационного насоса и подготовительный такт испарительного насоса.

В момент, когда главный поршень находился в крайнем верхнем положении,
открывались: клапан 2↔3 между полостью цилиндра и конденсатором и клапан 3↔4 между конденсатором и водяным коллектором;
закрывались: клапан 1↔2 между бойлером и полостью цилиндра под поршнем и клапан 4↔1 между водяным коллектором и бойлером.
Во время второго такта в результате конденсации пара на стенках конденсатора и стекания конденсата в водяной коллектор давление в полости цилиндра падало ниже атмосферного, благодаря чему главный поршень, а вместе с ним и поршень водяного насоса перемещались вниз.

1) Бойлер → 2) Полость цилиндра → 3) Конденсатор → 4) Водяной коллектор

↑_________________________________________________________________________↓

Фиг. 1. Контур циркуляции рабочего тела в машине Уатта

Изменение состояний рабочего тела в машине Уатта не может быть описано термодинамическим циклом

Следует отметить, что циркуляция воды по замкнутому контуру совсем не означала, что в машине Уатта имел место замкнутый термодинамический цикл. В термодинамике рассматриваются только квазистатические процессы, представлющие собой последовательность состояний равновесия. Это означает, в частности, что интенсивные параметры, описывающие состояние рабочего тела, удовлетворяют условию однородности, т.е. в каждый момент времени имеют одинаковые значения во всём занимаемом рабочим телом объёме. В случае машины Уатта условие однородности не выполнено.
В самом деле, при работе машины рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру между четырьмя камерами (см. Фиг. 1). При этом процессы в двух камерах – полости цилиндра и водяном коллекторе – можно считать адиабатными, а поле температур в них – однородным. В то же время в остальных двух камерах – бойлере и конденсаторе – имеют место процессы фазового перехода, обязательно сопровождающиеся теплообменом и, следовательно, требующие наличия градиента температуры.

В бойлере и конденсаторе машины Уатта содержится неравновесная двухфазная среда с неоднородным полем температур:

в бойлере – смесь опускающейся к нагревателю воды, которая имеет температуру, меняющуюся от температуры конденсата в водяном коллекторе до температуры насыщения, и поднимающихся вверх пузырей насыщенного пара;
в конденсаторе – стекающая вниз по охлаждаемой стенке плёнка конденсата, имеющая перепад температур по толщине от температуры насыщения до температуры охладителя, и соседствующий с ней ещё не сконденсировавшиися пар с температурой, меняющейся от температуры насыщения до температуры, получившейся при адиабатном расширении.

Коэффициент полезного действия испарительно-конденсационной машины

    Введём обозначения:
  А – площадь главного поршня;
H – высота цилиндра,
р_а_t – атмосферное давление;
р_b – давление в бойлере;
р_c – давление насыщенного пара при температуре воды, охлаждающей стенки конденсатора;
р_st(t) – давление пара в полости цилиндра в момент времени t;
р_st^↑(х), р_st^↓(х) – давление пара при прохождении поршня через точку х снизу вверх (на первом такте) и сверху вниз (на втором такте) соответственно.
х(t) – расстояние поршня от нижней крайней точки в момент t;
τ – длительность одного такта,

    Полезная работа W_piston, производившаяся действовавшими на поршень давлением пара, направленным снизу вверх, и атмосферным давлением, направленным сверху вниз, в течение рабочего цикла, определяется формулой:
2τ
W_piston = А ∫ [р_st(t) – р_а_t] dx/dt dt.                                                              (1) 0
Поскольку атмосферное давление постоянно, его суммарная работа за цикл равна нулю и, следовательно,
2τ Н
   W_piston = А ∫ р_st(t) dx/dt dt = А ∫ [р_st^↑(х) – р_st^↓(х)] dx.                                  (2)
0                                   0
На первом такте, т.е. при работе нагнетающего испарительного насоса, давление пара в полости цилидра близко к давлению в бойлере, т.е.
           р_st^↑(х) = р_b,                                                                                         (3)
а на втором такте (при работе конденсационного насоса) давление падает, постепенно приближаясь к давлению насыщенных паров при температуре поверхности жидкой плёнки, стекающей по стенкам конденсатора. Скорость падения давления пара на втором такте была тем больше, чем больше площадь проходного сечения клапана 2↔3 между полостью цилиндра и конденсатором, а также, чем больше площадь поверхности охлаждаемых стенок конденсатора. В идеальном предельном случае большого проходного сечения и большой площади конденсации можно принять приближённо
          р_st^↓(х) ≈ р_c                                                                                    (4)
и, следовательно,
   W_piston ≈ (р_b – р_c)V = (р_b – р_c) тυ_b,                                                            (5)
где
  V = АН – объём полости цилиндра,
т – масса пара в цилиндре в конце первого такта,
υ_b– удельный объём насыщенного пара в бойлере.

    Для получения полезной работы W_useful нужно из работы W_piston, произведенной паром на главном поршне, вычесть работу W_pump, производимую насосом, возвращающим конденсат в бойлер:
        W_useful = W_piston – W_pump,                                                                           (6)
причём работа W_pump, как нетрудно убедиться, определяется формулой
            W_pump = (р_b – р_c) тυ_с,                                                                          (7)
где
   υ_с– удельный объём насыщенной жидкости при температуре воды, охлаждающей стенки конденсатора.
    Подставляя (5) и (7) в (6), получаем окончательное выражение для полезной работы, производимой паром:
         W_useful = (р_b – р_c) т (υ_b – υ_с).                                                                  (8)
    С другой стороны, затраты Q тепла, необходимые для догрева возвращённой в бойлер жидкости и превращения её в пар, определяются соотношением
             Q = т (h_b – h_с),                                                                               (9)
где
   h_b – удельная энтальпия пара, выходящего из бойлера,
   h_с – удельная энтальпия насыщенной жидкости при температуре воды, охлаждающей стенки конденсатора.
    Из формул (8) и (9) следует выражение для теоретического КПД η испарительно-конденсационной машины
              η = W_useful/Q = (р_b – р_c)(υ_b – υ_с)/ (h_b – h_с).                                         (10)

Реальный КПД всегда меньше теоретического, т.к. в действительности давление на первом такте меньше р_b, давление на втором – больше р_с, а также в результате других не учтённых при выводе несовершенств.

    Заметим, что выражение в знаменателе правой части (10) можно представить в виде
             h_b – h_с = L + c_p (T_b – T_c),                                                                   (11)
где
   L – скрытая теплота испарения,
   c_p – изобарная удельная теплоёмкость жидкости,
   T_b – температура пара, выходящего из бойлера,
T_с – температура охладителя конденсатора.

КПД испарительно-конденсационной машины не зависит от температуры нагревателя бойлера, но зависит от температуры охладителя конденсатора.

При давлениях в бойлере, намного меньших критического, затраты L тепла на испарение жидкости оказывались значительно больше затрат c_p (T_b – T_c) на догрев жидкости до кипения. Необходимость тратить тепло на испарение сильно снижало КПД испарительно-конденсационного цикла и, в конечном счёте, привело к тому, что в ХХ веке машина Уатта проиграла соревнование с двигателями внутреннего сгорания.

Дальнейшие улучшения, сделанные Уаттом

    После запуска в производство первого варианта машины Уатт вносил в конструкцию всё новые усовершенствования, позволявшие улучшить эксплуатационные характеристики машины и расширить область её применения. Одним из наиболее существенных улучшений конструкции было создание в 1783 году машины двойного действия, в которой пар из бойлера подавался поочерёдно на обе стороны цилиндра, так что стали рабочими оба такта рабочего цикла (машина стала не только «тянуть», но и «толкать»). Это свойство оказалось полезным для многих применений и, в частности, дало возможность в 1786 году изготовить конструкцию, в которой использовался кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
    Машина Уатта образца 1786 года была далеко не первой конструкцией паровой машины, осуществляющей вращательное движение. В 1769 году наверняка ничего не знавший об изобретениях Уатта французский изобретатель Куньо (Nicolas-Joseph Cugnot) продемонстрировал первое в мире самоходное транспортное средство (т.е. автомобиль), которое он назвал «паровой телегой» («fardier à vapeur»).
    Известны также несколько разных моделей пароходов, разработанных независимо от Уатта, в основном, американскими изобретателями. Однако наиболее успешным из них был всё-таки пароход, построенный Фитчем (John Fitch), который располагал чертежами каких-то вариантов машины Уатта. Пароход Фитча прошел первые испытания в 1787 году, а затем, с 1788 года осуществлял  регулярное сообщение по реке Делавер между Пенсильванией и Берлингтоном.
    В дальнейшем преимущества конструкции Уатта стали настолько очевидными, что все поршневые паровые машины, использовавшиеся в ХIX и XX веке, можно в какой-то степени рассматривать как варианты машины Уатта.

Испарительная машина

    Основным направлением развития паровых машин в XIX веке и первой половине ХХ века стало применение всё более высоких давлений в бойлере, что позволило многократно увеличить удельную мощность машины.
    Ради увеличения удельной мощности машин, использовавшихся на железнодорожных локомотивах, где объём и масса машины играли наиболее существенную роль, пришлось даже отказаться от основной идеи Уатта – конденсатора – и разомкнуть цикл воды как рабочего тела, выбрасывая отработанный пар прямо в атмосферу. Таким образом, паровозные паровые машины в отличие от машины Уатта были чисто испарительными машинами – в них использовался только нагнетающий испарительный насос. Это упрощение позволило отказаться от запаса воды, которую нужно было бы везти на паровозе для охлаждения стенок конденсатора, но привело к ряду неудобств при эксплуатации – паровозам приходилось дозаправляться водой для бойлера на всех более или менее крупных станциях и часто чистить бойлеры от накипи. Кроме того, несколько уменьшился теоретический КПД, который для испарительных машин должен был определяться по формуле:
              η = W_useful/Q = (р_b – р_а_t) υ_b / (h_b – h₀),                                         (12)
где
   h₀ – удельная энтальпия холодной воды, подаваемой в бойлер.

Использовавшиеся на паровозах испарительные машины не имели охладителя, а их КПД не зависел от температуры нагревателя бойлера.

Отсутствие непрерывной подпитки бойлера недогретой до кипения водой привело к тому, что температурное поле в большей части объёма бойлера испарительной машины можно было считать однородным и стационарным. Поскольку к одному и тому же бойлеру были обычно подсоединены несколько цилиндров со сдвинутыми по фазе циклами, можно считать, что свойствами однородности и стационарности обладало и давление, а скорость выхода пара из бойлера – постоянной. Таким образом, рабочий процесс в испарительной машине можно было рассматривать как изобарно-изотермический квазистатический процесс, с меняющимися с постоянной скоростью паросодержанием и объёмом. Это процесс мог продолжаться столько времени, насколько хватало воды в бойлере.

Дата последнего обновления: 2010-12-09