Тепловой двигатель

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).

|Удельная теплота  сгорания некоторых   |

|сортов топлива                        |

|Топливо         |Удельная теплота     |

|                |сгорания, МДж/кг     |

|Керосин         |44                   |

|Бензин          |46                   |

|Уголь каменный  |30                   |

|-бурый          |20                   |

|Дерево          |10                   |

 

 

      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

                                    [pic]

      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.

                                    [pic]

                     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, 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.  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 (пульверизатор, § 182).  Таким

образом получается горючая смесь (пары бензина и  воздух), приток  которой  в

цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7. Работа  двигателя  состоит  из

четырех тактов.

             Четыре такта работы двигателя  внутреннего сгорания

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

      IV  такт  —  выпуск  (выхлоп).  Открывается  выпускной  клапан  3,  и

отработанные  продукты горения выбрасываются  сквозь глушитель в атмосферу.

      Из четырех тактов двигателя  (т. е. за два  оборота   коленчатого  вала)

только  один,  третий,  является  рабочим.   Ввиду   этого   одноцилиндровый