Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2010
| Вид материала | Курс лекций |
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 2337.25kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 1246.47kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
- Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.
ТЕМА 3
История теплоэнергетики3.1. Предпосылки возникновения теплоэнергетики
В любом двигателе нужно различать:
- его независимость от местных условий;
- степень его возможной применимости для разнообразных нужд промышленности.
Двигатель, отвечающий этим требованиям, называется универсальным.
Водяное колесо не отвечает первому требованию. Решение первого требования во многом и определило поиски источника энергии. Вопрос об универсальности пока не ставился.
Практика эксплуатации водоподъемных установок показала, что всасыванием поднять воду выше определенной высоты нельзя. Объяснение этому было дано в 1643 году Э.Торичелли, установившем величину атмосферного давления. Само открытие атмосферного давления натолкнуло ученых и изобретателей на огромную силу атмосферного давления, которая была вокруг и могла быть использована.
Третьей предпосылкой было изучение свойств водяного пара. Практически еще до н.э. люди знали об упругих свойствах пара, полученного при кипячении воды в закрытом объеме. Правда, знания о свойствах водяного пара не отличались точностью: еще в XVIII веке многие ученые считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании [2].
Источник тепловой энергии - топливо - имел по сравнению с другими источниками, известными в то время, самую высокую энергоемкость. Поэтому поиски нового двигателя неизбежно приводили к тепловому двигателю.
Весь процесс перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике можно разбить на три этапа:
- двигатель неотделим от исполнительного механизма;
- двигатель обособляется конструктивно;
- двигатель становится универсальным.
3.2. Начальный период развития теплового двигателя
Ранние попытки создания теплового двигателя как двигателя, не зависящего от местных условий, были связаны с решением задачи водоподъема. Фактически первые паровые машины использовались для подъема воды из шахт.
Первым последовательность процессов термодинамического цикла парового двигателя описал француз Папен. В машине Папена все основные процессы (образование пара, превращение тепловой энергии в механическую и конденсация пара) протекали в одном агрегате -цилиндре с поршнем. Основными этапами развития парового двигателя явились отделение цилиндра сначала от котла, а потом от конденсатора.
Первой паровой машиной можно считать паровой водоподъемник англичанина Т.Севери, запатентованный в 1698 году. В этой машине двигатель был конструктивно неотделим от потребителя энергии, но сам двигатель был уже отделен от котла. На работу водоподъема затрачивалось 0,5 % теплоты, заключенной в топливе.
Второй этап становления теплового двигателя можно считать этапом отделения теплового двигателя от рабочей машины. Немалая заслуга в этом принадлежит ученым и изобретателям: Папену (Франция), Лейбницу (Германия), Гюйгейнсу и Готфейлю (Голландия) и т.д. Усовершенствованной установкой Севери можно считать двигатель Ньюкомена-Коули. В этой установке двигатель был отделен от насоса, что давало возможность изменять соотношения диаметров поршней и получать высокое давление в насосе при низком давлении в двигателе, а следовательно, поднимать воду с больших глубин при низком давлении пара в котле.
Паровые двигатели на первых этапах развития хоть и имели независимость от местных условий, но в то же время отличались прерывистостью в работе.
Применять эти двигатели для привода промышленных установок было еще рано. Попытки применения паровых машин для перевозки крупных артиллерийских орудий были сделаны во Франции в 1769 году Жозефом Кюньо [1].
Проблема непрерывности передачи работы нашла свое практическое решение путем объединения (суммированием) работы нескольких полостей поршневого парового двигателя.
3.3. Появление универсального парового двигателя
Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.
Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.
Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м , высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.
Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.
Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине 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 скорости.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].
3.4. Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие
паровых машин
Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.
Самостоятельное направление составили локомобили - передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.
После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы "Уатт и Болтон", доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].
Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 - 300 градусов Цельсия.
Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.
Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.
Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 - 90 годов XIX века.
К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.
Технические возможности поршневого парового двигателя - паровой машины - являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя - паровой турбины.
3.5. Паровой котел
В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин "котел".
Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение
паропроизводительности - количества пара, производимого котлом в час.
Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].
Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].
Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.
Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов : дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.
Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер - так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.
В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5
К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.
3.6. Возникновение парового транспорта
Универсальный паровой двигатель послужил основой технической революции на транспорте, в результате которой на смену гужевому транспорту пришли железные дороги, а на смену парусным судам -пароходы. Новый транспорт, обеспечивший неизмеримо более высокую пропускную способность, явился органическим звеном новой, машинной, системы промышленного производства с ее массовым выпуском широчайшего ассортимента товаров, с ее колоссальной потребностью в перевозках сырья, горючего, продукции.
Вместе с тем сам процесс возникновения парового транспорта сыграл громадную роль в совершенствовании парового двигателя.
Главные требования, предъявлявшиеся к паровому двигателю транспортных систем, сводились к его небольшому весу, реверсивности, возможности запуска с любого положения частей его механизма (отсутствие мертвой точки).
Среди строителей первых паровых повозок известен Ж. Кюньо, в 1769 году спроектировавший установку для транспортировки артиллерийских орудий [1]. Он применил метод суммирования двух цилиндров (как несколько ранее Ползунов), объединил их передаточные механизмы, действующие поочередно на ведущие колеса повозки. Однако котел, который был самой крупной и тяжелой частью повозки, не обеспечивал двигатель достаточным количеством пара.
В 1802 году англичанин Р.Тревитик запатентовал двигатель избыточного давления для применения в самодвижущихся повозках. Однако он нашел менее удачное решение, чем Кюньо. Но Тревитиком был сделан и шаг вперед: он поместил топку внутри жаровой трубы.
Однако из-за низкой паропроизводительности котла паровоз не мог достичь большой мощности. Впервые применил дымогарные трубы, позволившие увеличить удельную паропроизводительность котла, англичанин Дж. Стефенсон. Его паровоз "Ракета" получил приз конкурса 1829 года. Позднее "Ракета" развивала неслыханную по тем временам скорость 45 км/час. Стефенсон первым применил реверсивный механизм, позволявший на ходу переключать парораспределительный механизм машины с переднего хода на задний - "кулиса Стефенсона". В действительности эта кулиса была изобретена работавшим на заводе Стефенсона в Нью-Кастле Вильямсоном, который построил ее в 1842 году.
В России первыми конструкторами паровозов были отец и сын Черепановы. В 1834 году они построили паровоз, перевозивший 3,5 тонны груза со скоростью 15 км/час. Затем ими был построен второй паровоз, который мог перевозить груз массой в 17 тонн. Паровоз был реверсивный и имел котел с большим количеством дымогарных труб.
Таким образом, конструкторы паровозов впервые ввели в паросиловые установки производительные трубчатые котлы, многоцилиндровые двигатели, пар избыточного давления, безбалансирную конструкцию механизма устройства для реверсирования.
Прогресс судовых двигателей был более медленным. Наибольшую известность получил пароход Р.Фултона "Клермонт", хотя двигатель с балансиром и маховиком излишне утяжелял установку.
В России постройка пароходов началась в 1815 году [1]. В 1820 году между Санкт-Петербургом и Кронштадтом курсировали уже четыре парохода, называвшиеся тогда "пироскафами". Позднее судовые машины строились на Ижорском заводе, машины для речных судов - на Пожевском заводе (с 1817 года), на Мальцевских заводах, а позднее - на Сормовском. Ижорскому заводу принадлежит первенство постройки и внедрения безбалансирного двигателя на пароходе "Геркулес" в 1832 году.
Различные виды тепловых машин являются основой современного транспорта. Они приводят в движение автомобили, речные и морские корабли, самолеты и космические ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания.
3.7. Двигатели внутреннего сгорания
Поиски изобретателей по возможному увеличению КПД паросиловых установок привели к созданию нового дешевого и экономичного двигателя - "машины без котла".
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".
Ускоренной разработке такого двигателя способствовало и то, что к началу XIX века была разработана технология производства газового горючего, а позднее и индукционная катушка, позволявшая зажигать горючую смесь в полости цилиндра искровым разрядом.
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Этьеном Лену аром [1], но эта машина была еще весьма несовершенной. Низкая экономичность была следствием нерационального цикла. При всасывании горючей смеси (светильного газа с воздухом) до половины хода поршня расширение ограничивалось второй половиной хода и было всего двухкратным.
В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Но сам Бо де Роша не запатентовал своего предложения и не делал попыток его реализации. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 году 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 века 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 топливо сжигается для нагрева газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит 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.
Расширение производства двигателей внутреннего сгорания вызвало их специализацию по областям применения: в качестве судовых, стационарных, газогенераторных, позднее автомобильных и авиационных.
Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей был запатентован в Германии Г.Даймлером в 1885 году для применения в автомобиле. В XX веке бензиновый двигатель стал применяться в авиации.
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.
Особая линия в развитии двигателей внутреннего сгорания связана с работами немецкого инженера Рудольфа Дизеля, получившего патент в 1892 году на двигатель нового типа [2]. Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию рабочего тела в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего.
Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончанию 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 градусов Цельсия. 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. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп. После демонстрации на Парижской выставке 1900 года двигателя Дизеля начинается дизелестроение. Сам Дизель до конца своей жизни (1913 год) вынужден был защищать свои патентные права, так как горение топлива при постоянном давлении (правда без высокого сжатия) патентовалось рядом изобретателей в разных странах.
Двигатели Дизеля внедрялись в России при очень благоприятных условиях. В частности, керосин в качестве топлива был заменен сырой нефтью. Особенно много было сделано в области конструирования судовых дизельных двигателей. Первым дизельным судном в мире явился нефтевоз "Вандал" (1903 год). В 1904 году был спущен на воду второй, улучшенный вариант судна под названием "Сармат" с двумя двигателями по 180 л.с, их частота вращения достигала 240 об/мин. В 1908 году была построена подводная лодка "Минога", имевшая реверсивный двигатель. Первое буксирное судно "Мысль" (1907 год) получило быстро привившийся термин - теплоход [1].
Более высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси у них выше, чем у карбюраторных двигателей. Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах.
3.8. Паровая турбина
Создание паровой турбины стимулировалось в промышленности применением рабочих машин, имеющих высокую скорость вращения: дисковых пил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов, сепараторов, электрических генераторов. Электрические генераторы в конечном итоге явились самыми главными их потребителями.
Описание принципа действия паровой турбины можно найти в глубокой древности. Еще до н.э. Герон Александрийский сконструировал прибор, названный им "эолипилом". Под действием реакции струи пара шар вращался вокруг оси. В XVII веке итальянец Дж.Бранка предлагал активную паровую турбину для привода пестов.
До 80 годов XIX века применение паровых турбин носило единичный характер. В 30 годах XIX в г.Сиракузах (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Турбины представляли собой модификацию "эолипила" Герона. Громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Густавом Лавалем в 1889 году. В дальнейшем Лаваль создал активную одновенечную турбину, то есть турбину с одним рабочим колесом, которое вращалось со скоростью 30000 об/мин [1].
В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французским профессором Огюстом Рато была представлена разработка многоступенчатой паровой турбины мощностью 1000 л.с. Затем автор подверг эту турбину технической доработке и создал осевой турбокомпрессор - воздуходувку.
В 1903 году швейцарский инженер Генрих Цели усовершенствовал турбину Рато, упростив и удешевив ее. Разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 году американский инженер Чарльз Кертис.
В дореволюционной России первые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом. С началом внедрения паровых турбин на судах военно-морского флота на Балтийском заводе в Петербурге был специально оборудован турбинный цех.
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 достигать 1000 м/сек. 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.
Для производства пара, способного крутить турбину, необходим котел (или место, где его можно получить). Помимо дороговизны и сложности в эксплуатации, котлы первой половины XIX века были взрывоопасны. Частые взрывы нередко сопровождались человеческими жертвами. Развитие котлостроения неразрывно связано с использованием и применением именно паровых турбин. В конечном итоге проблема парообразования была решена к началу XX века.
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 , а температура пара на выходе из турбины обычно 30°С; поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно 65 %, а реальное значение КПД паротурбинных конденсационных электростанций составляет лишь около 40 % [2]. Мощность современных энергоблоков котел - турбина - генератор достигает 1,2 млн 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.
Коэффициент полезного действия использования топлива в такой электростанции (ТЭЦ) повышается до 60 - 70 %.
3.9. Газовая турбина
Стремление избавиться от котла направило изобретателей на использование воздуха в качестве рабочего тела теплосиловых установок, получивших название "калорических". Примером таких установок является установка шведского инженера Д.Эриксона (середина XIX века), работавшая на одном из заводов в Нью-Йорке. Калорическими двигателями было оборудовано морское судно "Эриксон". Подобный двигатель использовался на заводе Нобиля в Петербурге.
Первая попытка реализации газовой турбины была сделана инженером-механиком русского флота П.Д.Кузьминым в 1897 году [1]. Смерть изобретателя в 1900 году не позволила ему привести свое изобретение к законченному виду и преодолеть трудности, среди которых основной было отсутствие жароупорных сплавов. Только с 30-х годов XX века появилась реальная возможность сооружения экономически выгодных газовых турбин.
Воздушный котел и газовая турбина современного двигателя соответствуют по выполняемым ими функциям цилиндру калорического двигателя с расположенной под ним топкой. В современной газовой турбине используются и теплообменник и компрессор. Несмотря на тождество принципиальных схем, вытекающих из тождества принятых циклов, между калорическими двигателями и газовыми турбинами лежит длительный путь исторического развития, разработки эффективных циклов газового двигателя, исследования и обобщения условий теплообмена, осуществление перехода от поршневых конструкций к роторным, освоение технологии получения жаропрочных сталей, достижение высокого КПД турбокомпрессоров.
Что касается теоретических проблем, то до конца XIX века развитие теплоэнергетики характеризуется значительными успехами в исследовании свойств водяного пара и газов. Среди обобщающих теоретических работ следует отметить труды французских ученых Ж.Б.Фурье ("Аналитическая теория тепла ", 1822 год) и С.Карно ("Размышление о движущей силе огня", 1824 год).
Конструктивно газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.
При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5-7 раз.
Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200° С и более. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо - керосин, мазут.
При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до температур 1500°С - 2000°С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается.
Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения.
Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникающая при этом, может быть использована для движения любого вида транспорта.
3.10. Тепловые машины и их влияние на окружающую среду
Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможность 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 различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Если в России 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 30 лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось на 7 %.
Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее прозрачность. Инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению температуры.
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 тонн свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - переход от использования карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединения свинца [3].
Возможность глобальной экологической катастрофы, связанной с применением тепловых машин, не исключается учеными разных стран.
Вопросы для самопроверки
1) Какой смысл вкладывается в понятие «универсальный» двигатель?
2) Почему водяной двигатель не отвечает требованию универсальности (применимости для разнообразных нужд промышленности с малой зависимостью от местных условий)?
3) Какие три основные явления, установленные на практике, легли в основу создания теплового двигателя?
4) Какому этапу перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике соответствуют рудничные и шахтные водоподъемные установки на базе теплового двигателя?
5) Какими основными чертами характеризуется паровой поршневой двигатель?
6) Чем отличался паровой двигатель Уатта от других паровых поршневых двигателей?
7) За счет чего паровой котел является производительным, экономичным и надежным парогенератором?
8) Почему на смену гужевому и парусному транспорту пришел паровой?
9) Какое принципиальное отличие от парового двигателя отражается в названии «двигатель внутреннего сгорания»?
10) Какие рабочие механизмы и почему требуют высоких частот вращения?
11) Чем характеризуются газовые турбины по сравнению с паровыми?
12) В каких взаимоотношениях с окружающей средой находится производство тепловой энергии?