Тепловые машины

Теплова́я маши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.

 

Паровая машина. Первые практически действующие универсальные паровые машины были созданы русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джемсом Уаттом.

   В машине Ползунова  из котла по трубам пар с  давлением, немного превышающим  атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам для трех медеплавильных печей.

   Постройка машины  Ползунова была закончена в  августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту  цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт.

   Машина Ползунова  создавала непрерывное усилие  и была первой универсальной  машиной, которую можно было  применять для приведения в  движение любых заводских механизмов.

   В паровой машине  Д. Уатта два цилиндра были  заменены одним закрытым. Пар  поступал попеременно по обе  стороны поршня, толкая его то  в одну, то в другую сторону.  В такой машине двойного действия  отработавший пар конденсировался  не в цилиндре, а в отдельном  от него сосуде — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика  поддерживалось центробежным регулятором.  Разработка парового двигателя  была завершена Д. Уаттом в  1784 г.

   Главным недостатком  первых паровых машин был низкий  КПД. У паровозов КПД не превышал 9%.

 

Паровая турбина  и ТЭЦ. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в результате изобретения паровой турбины.

   Первая паровая  турбина, нашедшая практическое  применение, была изготовлена шведским  инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500 °С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.

   Современные паровые  турбины обладают высоким КПД  преобразования кинетической энергии  струи пара в механическую  энергию, превышающим 90%. Поэтому  электрические генераторы практически  всех тепловых и атомных электростанций  мира, дающие более 80% всей вырабатываемой  электроэнергии, приводятся в действие  паровыми турбинами.

   Температура пара, применяемого в современных паротурбинных  установках, не превышает 580 °С (температура нагревателя T1 = 853 К), а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холодильника T2 = 303 К); поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно

 

,

 

а реальные значения КПД  паротурбинных конденсационных  электростанций составляют лишь около 40%.

   Мощность современных  энергоблоков котел — турбина  — генератор достигает 1,2 * 106 кВт.

   Для повышения  КПД на многих электростанциях  тепло, отбираемое от паровой  турбины, используется для нагревания  воды. Горячая вода поступает  в систему бытового и промышленного  теплоснабжения.

 

 

Тепловые машины и транспорт. Различные виды тепловых машин являются основой современного транспорта. Тепловые машины приводят в движение автомобили и тепловозы, речные и морские корабли, самолеты и космические ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания.

 

 

Двигатель внутреннего  сгорания. Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

   Отсюда и происхождение  названия — «двигатель внутреннего  сгорания».

   Первый двигатель  внутреннего сгорания был создан  в 1860 г. французским инженером  Этьеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

   В 1862 г. французский  изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

   Развитие нефтяной  промышленности в конце XIX в.  дало новые виды топлива —  керосин и бензин. В бензиновом  двигателе для более полного  сгорания топлива перед впуском  в цилиндр его смешивают с  воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую  смесь называют горючей смесью.

   Для полного сгорания  в составе смеси на один  килограмм бензина должно приходиться  не менее пятнадцати килограммов  воздуха. Это означает, что рабочим  телом в двигателях внутреннего  сгорания фактически является  воздух, а не пары бензина. В  отличие от паровых машин здесь  топливо сжигается для нагревания  газа, а не для превращения  жидкости в пар. Правда, наряду  с нагреванием воздуха происходит  и частичное изменение его  состава: вместо молекул кислорода  появляется несколько большее  количество молекул углекислого  газа и водяного пара. Азот, составляющий  более 3/4 воздуха, испытывает лишь  нагревание.

 

 

Двигатель Дизеля. Для дальнейшего повышения КПД двигателя внутреннего сгорания в 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела.

   Высокая степень  сжатия без детонации достигается  в двигателе Дизеля за счет  того, что сжатию подвергается  не горючая смесь, а только  воздух. По окончании процесса  сжатия в цилиндр впрыскивается  горючее. Для его зажигания  не требуется никакого специального  устройства, так как при высокой  степени адиабатического сжатия  воздуха его температура повышается  до 600— 700 °С. Горючее, впрыскиваемое  с помощью топливного насоса  через форсунку, воспламеняется  при соприкосновении с раскаленным  воздухом.

   Подача топлива  управляется особым регулятором,  в результате чего процесс  горения протекает не столь  кратковременно, как в карбюраторном  двигателе, а происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп.

 

Тепловые машины и охрана окружающей среды. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания.

   Отрицательное влияние  тепловых машин на окружающую  среду связано с действием  разных факторов.

   Во-первых, при сжигании  топлива используется кислород  из атмосферного воздуха, поэтому  содержание кислорода в воздухе  постепенно уменьшается. Если  в СССР пока количество кислорода,  производимого лесами, превышает  количество кислорода, потребляемого  промышленностью, то, например, в  США леса восстанавливают лишь 60% используемого промышленностью  кислорода.

   Во-вторых, сжигание  топлива сопровождается выделением  в атмосферу углекислого газа. За последние двадцать лет  содержание углекислого газа  в атмосфере Земли увеличилось  примерно на 5%.

  В-третьих, при сжигании  угля и нефти атмосфера загрязняется  азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение  в крупных городах и промышленных  центрах.

   Более половины  всех загрязнений атмосферы создает  транспорт. Кроме оксида углерода  и соединений азота, автомобильные  двигатели ежегодно выбрасывают  в атмосферу 2—3 млн.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды —  переход от использования в автомобилях  карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют  соединения свинца.