Реферат: Тепловые двигатели

и их применение

Условия, необходимые для работы тепловых двига­телей. Простейшей машиной, при помощи которой люди давно использовали энергию излучения Солнца для полу­чения работы, являются ветряные мельницы (ветряные двигатели). Вращение крыльев двигателя, приводящее в движение вал, совершающий какую-либо работу, возни­кает под действием ветра. Для возникновения ветра не­обходима разность давлений, а эта последняя возникает вследствие различия в температуре различных частей ат­мосферы. Ветер есть не что иное, как конвекционное дви­жение атмосферы, обусловленное неравномерным нагрева­нием ее.

Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может быть использована для получения работы в ветряном дви­гателе только при условии, что имеется разность тем­ператур отдельных частей атмосферы, создаваемая погло­щением лучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство. Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающая работу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело называют нагрева­телем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику). Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.

Машины[1] , производящие механическую работу в резуль­тате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую темпера­туру. В этих случаях работа совершается за счет использо­вания внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты ма­шин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного прак­тического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделя­ющуюся в реакторе, где происходит расщепление и пре­образование атомных ядер.

Паросиловая станция. Раньше всего (в конце XVIII века) были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустя примерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работа этих двига­телей производится посредством пара. В огромном боль­шинстве случаев — это водяной пар, но возможны ма­шины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электриче­ских станциях и на больших кораблях. Поршневые дви­гатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и паро­ходы).

Для работы парового двигателя необходим ряд вспо­могательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции . На паро­силовой станции все время циркулирует одна и та же вода.

Схема оборудования паросиловой станции

Она превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конден­сатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. Итак, круговорот воды происходит по следующей схеме:

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке цир­кулирует практически одна и та же вода (утечка пара не­велика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. В следующих параграфах мы рассмотрим части пароси­ловой станции по отдельности.

Паровой котел. Он состоит из топки и собственно котла. Уголь или дрова сжигаются в топке на колоснико­вых решетках. Жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии; распыление обычно производится с помощью пара в форсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстия в трубке, засасывает жид­кое топливо и разбрызгивает его.

Схема устройства форсунки

Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 — водотрубная часть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба для подачи воды в котел, 6 — поддувало, 7 — предохрани­тельный клапан, 8 — заслонка в борове

На котле имеются манометр для наблюдения за дав­лением пара и предохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превысит допустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения за уровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опустится настолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не со­прикасаются с водой, то возможен взрыв котла.

Энергия горячих топочных газов передается воде в котле не целиком. Часть ее рассеивается в котельной, часть уносится с газами в дымовую трубу. Кроме того, значи­тельную потерю может дать неполное сгорание топлива. Признаком этого является черный дым из труб станции. Черный цвет придается дыму крупинками несгоревшего угля.

б) Расположение на валу ее турбины лопаток: а — направляющих, b — рабочих

Весьма важной для элект­рических станций является возможность строить турби­ны на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности дру­гих типов тепловых двигате­лей. Это обусловлено равно­мерностью вращения вала турбины. При работе турби­ны отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.

Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце XVIII века[2] , в основном сохранились до наших дней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знав­шей машин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время она частично вытеснена другими ти­пами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, за­ставляющие иногда предпочесть ее турбине. Это — про­стота обращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.

Устройство паровой машины показано на рисунке. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, в котором хо­дит поршень 2. Рядом с цилиндром расположен парорас­пределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3 сообщается с кон­денсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая — через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, а отработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когда поршень дви­жется налево (рис. б), золотник передвигается так, что свежий пар входит в правую часть цилиндра, а отрабо­танный пар из левой части уходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, а только в начале его. После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. На паровозах обычно установлены два цилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в один цилиндр, а затем во второй. Так как пар в первом цилиндре расширяется, то диаметр второго цилиндра значительно больше первого. На паровозах, как правило, ставятся огнетрубные котлы; имеется пароперегреватель.

В конце IX и начале XX века строили паровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозах ставили конден­саторы, и пар в них циркулировал так же, как и в паро­силовой станции[3] .

Конденсатор. Как было указано ранее, после тур­бины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары долж­ны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть уст­роен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.

Схема поверхностного конденсатора

Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холодная вода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасыва­ется от конденсатора по трубе, показанной снизу. В кон­денсаторах давление пара обычно значительно ниже ат­мосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), и воздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.

Коэффициент полезного действия теплового двига­теля . Назначение теплового двигателя — производить меха­ническую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совер­шаемой двигателем, к израсходованной энергии называет­ся коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.). Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топ­лива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топ­лива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива приведена в табл. 25 (цифры округлены).

Рассмотрим пример. Пусть в двигателе сожжено 3 кг бензина. Выделившаяся при этом энергия равна 46 МДж/кг х З кг=138 МДж. Если при израсходовании 3 кг бензина двигатель произвел работу 29 МДж, то его к. п. д.= 29 : 138 = 0,21, т. е. равен 21 %.

Коэффициент полезного действия паросиловой станции. Энергетический баланс паросиловой станции с турби­ной показан на рисунке. Он является примерным; к. п. д. паросиловой станции может быть и больше (до 27 %). Потери энергии, которые имеют место при работе пароси­ловой станции, можно разделить на две части. Часть по­терь обусловлена несовершенством конструкции и может быть уменьшена без изменения температуры в котле и в конденсаторе. Например, устроив более совершенную теп­ловую изоляцию котла, можно уменьшить потери теплоты в котельной. Вторая, значительно большая часть — по­теря теплоты, переданной воде, охлаждающей конден­сатор, оказывается при заданных температурах в котле и в конденсаторе совершенно неизбежной. Как было отмечено ранее, условием работы теплового двигателя является не только получение некоторого количества теплоты от нагревателя, но и передача части этой теплоты холодильнику.

Примерный энергетический баланс паросиловой станции с турбиной

Большой научный и технический опыт по устройству тепловых двигателей и глубокие теоретические исследо­вания, касающиеся условий работы тепловых двигателей, установили, что к. п. д. теплового двигателя зависит от разности температур нагревателя и холодильника. Чем больше эта разность, тем больший к. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при условии устранения всех технических несовершенств конструкции, о которых упоминалось выше). Но если разность эта невелика, то даже самая совершенная в техническом смысле машина не может дать значительного к. п. д. Теоретический рас­чет показывает, что если термодинамическая температура нагревателя равна Т₁ , а холодильника Т₂ , то к. п. д. не может быть больше чем

Так, например, у паровой машины, пар который имеет в котле температуру 100 °С (или 373 К), а в холо­дильнике 25 °С (или 298 К), к. п. д. не может быть больше (373—298)/373=0,2, т. е. 20 % (практически, вследствие несовершенства устройства, к. п. д. такой установки бу­дет значительно ниже). Таким образом, для улучшения к. п. д. тепловых машин нужно перейти к более высоким температурам в котле, а следовательно, и к более высоким давлениям пара. В отличие от прежних станций, работав­ших при давлении 12—15 атм (что соответствует темпе­ратуре пара 200 °С), на современных паросиловых стан­циях начали устанавливать котлы на 130 атм и более (тем­пература около 500°С).

Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижать температуру в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым. При очень низ­ких давлениях плотность пара очень мала и при большом количестве пара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины и конденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.

Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по пути использования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающей конденсатор.

Примерный энергетический баланс ТЭЦ

Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей в химической или текстильной промышленности. Можно также производить расширение пара в турбинах только до давления 5—6 атм. Из турбины при этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промыш­ленных целей.

Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей не только электрической энергией, получен­ной за счет механической работы, но и теплотой. Она назы­вается теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энер­гетический баланс ТЭЦ представлен на рисунке.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания . Перей­дем теперь к другим типам тепловых двигателей. Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

Рассмотрим устройство четырехтактного бензино­вого двигателя автомобильного типа. Устройство двига­телей, устанавливаемых на тракторах, танках и самоле­тах, в общих чертах сходно с устройством автомобильного двигателя.

Основной частью двигателя внутреннего сгорания яв­ляется один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и на­звание двигателя.

Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан /, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт — сгорание. Когда поршень достигает верх­него положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, дава­емой свечой. Сила давления газов — раскаленных про­дуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и рас­ширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота ко­ленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двига­теля ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установ­ленных на общем валу так, что при каждом такте по край­ней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Схема устройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля

Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имею­щего место при нормальной работе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно дей­ствует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры 1. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе 2. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В ра­диаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором 3.

Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенные двухтактные двигатели.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом пре­имуществ, являющихся причиной его широкого распро­странения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор). Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям для уменьшения частоты вращения (например, к зубчатой передаче).

Коэффициент полезного действия двигателя внутрен­него сгорания. Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмо­сфера; она играет роль холодильника.

Так как температура газов, получающихся при сго­рании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.

Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получает­ся более высокая температура во время горения смеси. Однако в двигателях автомобильного ти­па нельзя употреблять сжатие более 4—5-кратного. При боль­шей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение вто­рого такта настолько, что вос­пламеняется раньше, чем нуж­но, и детонирует.

Это затруднение обойдено в двигателе, сконструирован­ном в конце XIX века Р. Ди­зелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически по­казано на рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не го­рючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500— 600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр вбрызги­вается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором[4] . Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобиль­ном двигателе, поршень движется вниз и производит ра­боту. Затем производится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь зна­чительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теп­лоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом ди­зеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.

Схема двигателя Дизеля

Схема устройства реактивного двигателя

Передача теплоты от холодного тела к горячему. Мы убедились на ряде примеров, что работа производится тогда, когда теплота переходит от горячего тела (нагре­вателя) к холодному (холодильнику), причем холодильник получает меньше теплоты, чем отдает нагреватель. Внут­ренняя энергия нагревателя убывает не только потому, что он передает теплоту холодильнику, но также и потому, что производится работа.

Выясним, при каких условиях имеет место обратный процесс — передача теплоты от холодного тела к горя­чему?

Примером такого рода могут служить холодильные машины, применяемые в пищевой промышленности (для изготовления мороженого, для хранения мяса и т. п.). Схема устройства компрессорной холодильной машины является обратной устройству паросиловой установки.

Она показана на рисунке. Рабочим веществом в холодиль­ной машине обычно служит аммиак (иногда углекислый газ, сернистый ангидрид или какой-либо из галоидоводородов, получивших специальное название «фреоны»). Ком­прессор 1 нагнетает пары аммиака под давлением 12 атм в змеевик 2 (он соответствует конденсатору). При сжатии пары аммиака нагреваются, и их охлаждают в баке 3 про­точной водой. Здесь пары аммиака обращаются в жидкость. Из змеевика 2 аммиак через вентиль 4 поступает в другой змеевик 5 (испаритель), где давление около 3 атм.

Схема устройства компрессорной холодильной машины

Схема устройства абсорбционной холодильной машины

Возникает вопрос, почему в конденсаторе газообразный аммиак сжижается, а в испарителе он испаряется, хотя температура испарителя ниже, чем температура конденсатора? Это достигается благодаря тому, что вся система заполнена водородом при давлении около 20 атм. Когда нагревают генератор, то газообразный аммиак выделяется из кипящего раствора, причем давление его доходит примерно до 20 атм. Аммиак вы­тесняет водород из верхней части генератора и конденсатора в испари­тель и абсорбер. Таким образом, аммиак в конденсаторе находится под собственным высоким давлением и поэтому сжижается при температу­ре, близкой к комнатной, в испаритель же жидкий аммиак попадает под низким парциальным давлением, а находящийся в испарителе водо­род обеспечивает нужное суммарное давление, равное давлению в кон­денсаторе и других частях системы.

Смесь водорода и газообразного аммиака из испарителя переходит в абсорбер, где аммиак растворяется в воде, что вызывает нагревание раствора, а водород проходит сквозь теплый раствор и, нагревшись там, переходит благодаря конвекции в холодный испаритель. На место же растворившегося аммиака в испарителе испаряются его новые порции, вызывая дальнейшее охлаждение испарителя. Преимущество этой кон­струкции состоит в отсутствии движущихся механических частей. Цир­куляция аммиачного раствора (между 1 и 4) и циркуляции водорода (между 4 и 3) осуществляется за счет разности плотностей, обусловлен­ной разностью температур (раствор в 1 горячее, чем в 4, а водород в 4 теплее, чем в 3).

Итак, чтобы осуществить передачу теплоты от холод­ного тела к горячему, нужно произвести работу внешней силой. При этом горячее тело получит не только то коли­чество теплоты, которое отдано холодным телом, но также и то, которое эквивалентно произведенной работе.

[1] Слово «машина» употребляется в смысле «дви­гатель» — устройство, совершающее работу за счет получаемой теплоты, тогда как раньше мы говорили о простых машинах, понимая под ними ме­ханизмы, передающие работу,

[2] Ф. Энгельс говорит, что «паровая машина была первым действи­тельно интернациональным открытием» (К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч.— 2-е изд., т. 14, с. 570). Энгельс упоминает Папина (француз), Лейбница (немец), Сэвери и Ньюкомена (англичане), а также Уатта (англичанин), придавшего «паровой машине в принципе ее современный вид». Энгель­су в то время не были известны материалы о русском горном инженере, работавшем на Урале и в Сибири, И. И. Ползунове (1728—1766), на 21 год раньше Уатта разработавшем проект паровой машины.

[3] В наше время паровозы почти вытеснены тепловозами и электро­возами

[4] В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и вбрызгивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление.