Rozdział 7 - Para impulsowa

Zjawisko "pary impulsowej" jest dobrze znane inżynierom, a jego zastosowanie do silnika parowego oferuje drogę do znacznych ulepszeń sprawności wytwarzania pary.

Woda pod ciśnieniem pozostaje w stanie ciekłym w wyższych temperaturach i nie wrze bądź paruje. Jeżeli taką podgrzaną i znajdującą się pod ciśnieniem wodę przydławić poprzez kryzę do niższego ciśnienia, część wody natychmiast i w sposób wybuchowy zamienia się w parę - proces znany pod nazwą "impulsu".

Parę impulsową wykorzystuje się dziś w takich zastosowaniach jak elektrownie geotermiczne. W tego typu obiektach, wodę wyciąga się z dużych głębokości, gdzie znajduje się ona w wysokiej temperaturze i pod znacznym ciśnieniem. Po osiągnięciu poziomu powierzchni, woda ta "impulsuje" w komorze, gdzie tworzy parę pod ciśnieniem, a następnie rozpręża się w mniej lub bardziej konwencjonalnej turbinie połączonej z prądnicą wytwarzającą energię elektryczną.

Jak widać, para impulsowa umożliwia stworzenie nowoczesnego silnika parowego w zupełnie nowatorski sposób. W Rozdziale 3 opisano przepływową wytwornicę pary. Jest to rodzaj wytwornicy preferowany w ostatnich wytwarzanych pojazdach z napędem parowym, a często spotykano go również w zastosowaniach stacjonarnych bądź w napędach okrętów. I nadal, także dzisiaj, ten rodzaj wytwornicy stosuje się w eksperymentalnych pojazdach z napędem parowym. Przy wytwornicy opartej na parze impulsowej, idea wytwornicy przepływowej jest krokiem naprzód.

Rys. 2 - Impulsowa wytwornica pary

Zasadnicza różnica pomiędzy tymi dwoma rodzajami wytwornic polega na tym, że jak wyjaśniono wcześniej, wytwornica przepływowa wytwarza parę w wężownicy, zawierającej w swej pierwszej części wodę, w drugiej zaś parę nasyconą, a w trzeciej parę przegrzaną. Para podawana jest do cylindra silnika za pomocą zaworu. Natomiast w wytwornicy pary impulsowej, wężownica zawiera jedynie wodę. Wężownica ogrzewana jest w podobny sposób jak w wytwornicy przepływowej, z tą różnicą, że ciśnienie wody podnosi się do poziomu powyżej temperatury nasycenia, a następnie woda ta jest wtryskiwana do cylindra silnika (Rys. 2).

Poniższa tabela stanowi wyciąg ze standardowych tabel (właściwości) pary i pokazuje, że np. temperatura nasycenia wody pod ciśnieniem 10000 kPa wynosi 584K. Stąd też, zakładając, że jeśli wartość ciśnienia zawsze utrzymywana będzie powyżej 10000 kPa, woda w wężownicy cały czas pozostanie w stanie ciekłym i nie zamieni się w parę.

WYCIĄG Z TABELI PARY

Ciśnienie kPa	100	500	1000	5000	10 000	20 000
Temperatura °K	372	425	453	537	584	639

Jako, że w tym układzie nie ma żadnej pary w wężownicy, zawór wlotowy pary zastąpiono wtryskiwaczem, kierującym bardzo gorącą i znajdującą się pod wysokim ciśnieniem wodę bezpośrednio do cylindra. Zastosowanie wtryskiwacza wtryskującego wodę, zamiast zaworu wlotowego pary, ma zasadnicze znaczenie praktyczne. Po pierwsze, ilość wody wtryśniętej podczas każdego suwu jest znacznie mniejsza, niż objętość pary przechodzącej przez zawór wlotowy w silniku wyposażonym w przepływową wytwornicę pary (para pod ciśnieniem atmosferycznym zajmuje 1650 razy większą objętość niż woda). Tę niewielką ilość wody znacznie łatwiej rozprowadzić poprzez zastosowanie wtryskiwacza, niż robi to zawór wlotowy ze znacznie większą ilością pary w silniku przepływowym. To zaś przekłada się na kolejną korzyść - mianowicie prędkość. Takie niewielkie ilości wody można dozować z prędkością równą prędkościom spotykanym w silnikach wysokoprężnych. W odróżnieniu od tego para, która musi przejść przez zawór wlotowy, w poważnym stopniu obniża swe ciśnienie, gdy silnik zaczyna pracować szybciej. Jest to wywołane zjawiskiem, które specjaliści od pary nazywają "dławieniem przepływu".

Jako, że ciśnienie w cylindrze silnika jest zawsze znacznie niższe niż ciśnienie nasycenia wody w wężownicy, kiedy już wtrysk wody nastąpi, nie ma możliwości, aby woda ta pozostała w stanie ciekłym, i część z niej błyskawicznie zamienia się w parę.

Proces ten skutkuje powstaniem pary mokrej dlatego, że tylko część wody zamienia się w parę, zaś reszta, w wyniku "impulsu" błyskawicznie wytworzy drobne kropelki wody. Ilość wody zamienionej w parę można wyliczyć przez odjęcie wewnętrznej energii wody pod niskim ciśnieniem, od tej energii pod wysokim ciśnieniem. Stosuje się w tym celu wzór:

Uf P1 - Uf P2 x 100 = % pary impulsowej
hfg

w którym
Uf P1 = energia wewnętrzna wody pod wysokim ciśnieniem (kJ/kg)
Uf P2 = energia wewnętrzna wody pod niskim ciśnieniem (kJ/kg)
h fg = entalpia parowania (kJ/kg)

Stosując powyższy wzór do warunków, w których ciśnienie wody zwiększa się do poziomu pow. 20000 kPa, co pozwala na jej ogrzanie do temperatury 639 K, otrzymuje się:

1786.9 - 417.86 x 100 = 60.6% pary impulsowej.
2257.6

Dlatego, w powyższych warunkach 60% wtryśniętej masy wody błyskawicznie zamienia się w parę w cylindrze, ale pozostałe 40% wody pozostaje w stanie ciekłym, rozpylanym do postaci drobnych kropelek wskutek zaistnienia dwóch zjawisk. Pierwsze z nich stanowi efekt gwałtownego spadku ciśnienia ciekłej wody w dyszy, podobnie jak ma to miejsce w przemysłowych systemach spryskiwania cieczowego. Drugie zjawisko wynika z wybuchowości samego procesu impulsowania. Oba zjawiska zachodzą równocześnie, i oba wzmacniają wzajemnie swój efekt w trakcie gdy ma miejsce wtrysk wody. To wyjątkowo efektywne rozpylanie ma zasadnicze znaczenie dla następnej fazy procesu rozprężania w cylindrze.

Gdyby wodę wtrysnąć do zimnego cylindra silnika, para impulsowa natychmiast skropliłaby się i nie byłoby wzrostu ciśnienia. Aby pokonać ten problem, zarówno głowica cylindra jak i ścianki są ogrzewane, dostarczając tym samym dodatkowy strumień cieplny do pary mokrej wchodzącej do cylindra. Wskutek wybuchowego charakteru procesu impulsowania, rozpylone kropelki wody doświadczają wyjątkowo wielu zderzeń ze ściankami cylindra. Nieznaczne wielkości tych kropelek, w połączeniu z wielką ilością wspomnianych zderzeń, zapewniają szybką absorpcję ciepła pozwalającego na szybkie przejście w parę, która jest następnie podgrzewana do pary przegrzanej.

Impulsowa wytwornica pary pozwala na konstrukcję jednostki wytwarzającej parę o znacznie bardziej zwartym kształcie, i o znacznie mniejszych stratach ciepła niż konwencjonalny kocioł parowy.

Uwaga: Przepływowe wytwornice pary czasem mylnie nazywane są kotłami impulsowymi lub impulsowymi wytwornicami pary. Zasadnicza różnica pomiędzy wytwornicą przepływową i impulsową polega na tym, że w tej pierwszej w podgrzewanej wężownicy znajduje się i para i woda, a w tej drugiej tylko woda do momentu, gdy wskutek spadku ciśnienia na zaworze lub wtryskiwaczu zamieni się ona w parę.

>> Inne systemy napędu parowego (Rozdział 8)