Тепловые двигатели и их применение

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.

    

 

Устройство цилиндра и золотниковой коробки паровой  машины а) Пар входит в

цилиндр слева  б) Пар входит в цилиндр справа

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.

    

 

Внутри цилиндра может передвигаться поршень. Поршень  представляет собой полый, с

одной стороны  закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящими кольцами

2, вло

    

 

женными в канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — не

пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем

и стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим

стержнем 3

    

 

(«пальцем»), служащим  для соединения поршня с шатуном  4. Шатун в свою

очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу 5.