Тепловые двигатели и их применение

Тепловые двигатели  и их применение

   Тепловой  двигатель – устройство, преобразующее  внутреннюю энергию топлива в  механическую энергию.

   К тепловым  двигателям относятся: паровая  машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины,  реактивный двигатель. Их топливом  является твердое и жидкое  топливо, солнечная и атомная  энергии.

    Тепловые  двигатели - паровые турбины - устанавливаются на тепловых  электростанциях, где они приводят  в движение роторы генераторов  электрического тока, а также  на всех атомных электростанциях  для получения пара высокой  температуры. На всех основных  видах современного транспорта  преимущественно используются тепловые  двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего  сгорания, на водном - двигатели внутреннего  сгорания и паровые турбины,  на железнодорожном - тепловозы  с дизельными установками, в  авиации - поршневые, турбореактивные  и реактивные двигатели. Без  тепловых двигателей современная  цивилизация немыслима.  Мы не  имели бы в изобилии дешевую  электроэнергию и были бы лишены  всех двигателей скоростного  транспорта.

Паровые машины

Паросиловая станция. 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.

Рис.1. Схема оборудования

паросиловой станции

Вода 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.

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.

Паровая турбина  – тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную  энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются  преимущественно на электростанциях  и на транспортных силовых установках – судовых и локомотивных, а  также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и  других агрегатов.

Турбина (см. рисунок 2) состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки (b). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляю­щие лопатки (a). 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.

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.

В зависимости от степени расширения пара в рабочих  лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине  расширяется только в соплах, и  его давление при прохождении  каждого венца с рабочими лопатками  не изменяется. Поэтому активная турбина  называется также турбиной равного  давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.

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.     

Лопатки на рабочем  колесе паровой турбины

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[1], в основном сохранились  до наших дней. 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.

В основу краткой  классификации паровой машины могут  быть положены признаки:

·           по назначению: стационарные, паровозные, судовые, локомобильные, автомобильные и др.;

·           по расположению и числу цилиндров: горизонтальные, вертикальные, наклонные; одноцилиндровые и многоцилиндровые – тандем-машины и компаунд-машины;

·           по числу оборотов: тихоходные, среднеходные, быстроходные;

·           по давлению и способу использования  отработавшего пара: конденсационные, с выхлопом в атмосферу, с противодавлением, с промежуточным отбором пара;

·           по действию пара на поршень: простого и двойного действия;

·          по типу парораспределения: золотниковые, клапанные, крановые, прямоточные.

Устройство паровой  машины показано на рисунке 3. 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.

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.). К. п. д. паросиловой  станции может быть не более 10 - 15 %, паровой машины на паровозе – 8 %. 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. 

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.

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. Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей. 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).

Двигатели внутреннего  сгорания

Бензиновый двигатель  внутреннего сгорания. 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 (см. рисунок 6). 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 передвигается поршень. Поршень  представляет собой полый, с одной  стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящими кольцами 2, вложенными 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.

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми  клапанами. Через один из каналов  — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются  продукты сгорания. Клапаны имеют  вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются  при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством  стальных стержней (толкателей). Кроме  клапанов, в верхней части цилиндра поме­щается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей  смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке 7. Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому  валу, то сквозь отверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемый  при помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он как раз  доходит до конца ее. Это достигается  тем, что поплавок, поднимаясь при  натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 и  тем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя  с большой скоростью мимо конца  трубочки 2, засасывает бензин и распыляет  его (по принципу пульверизатора). Таким  образом получается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7.

Работа двигателя  состоит из четырех тактов:

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан 1, 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— 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.