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

Котел состоит из барабана и труб, через стенки которых теплота от горячих топочных газов передается воде. Иногда вода находится снаружи труб, а по трубам идут топочные газы (огнетрубный котел, дымогарные трубы). Иногда, наоборот, вода находится внутри труб, а горячие газы омы­вают их (водотрубный котел). Во многих паровых котлах пар подвергается перегреванию в особых змееви­ках, омываемых горячими газами. При этом он из насыщенного делается ненасыщенным. Этим достигается уменьшение конденсации пара (на стенках паропроводов и в турбине) и повышается к. п. д. станции.

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.

с)

Лопатки на рабо­чем колесе паровой турбины

Паровая турбина. Из котла пар по паропроводу по­ступает в турбину или в поршневую машину. Рассмотрим сначала турбину (а). Турбина состоит из сталь­ного цилиндра, внутри которого находится вал ее с ук­репленными на нем рабочими колесами. На рабочих ко­лесах находятся особые изогнутые лопатки (б и с), где изображено одно из рабочих колес с соплом). Ме­жду рабочими колесами помещаются сопла или направляю­щие лопатки. Пар, вырываясь из промежутков между на­правляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя ра­боту. Причиной вращения колеса в паровой турбине яв­ляется реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе (а). Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применение паро­вых турбин на транспорте, но очень удобно для враще­ния электрических генерато­ров.

а) Схема устройства паровой турбины,