Стартовая >> Архив >> Энергетика завтрашнего дня

Современные двигатели - Энергетика завтрашнего дня

Оглавление
Энергетика завтрашнего дня
Современные двигатели
Усовершенствование тепловых двигателей
Электроэнергия
Термоэлектронные преобразователи
Применение преобразователей
Термоэлектрические преобразователи
Магнитогидродинамические генераторы
Проблемы при создании МГД-генераторов
Разработка МГД-генераторов
Будущее МГД-генераторов
С помощью топливных элементов
Особенности топливных элементов
Классифиция топливных элементов
Примеры топливных элементов
Натриевые топливные элементы
Достоинства топливных элементов

Не будем рассказывать об истории развития двигателей от древнейших времен до наших дней. Рассмотрим сегодняшний двигатель.
Прежде всего, вспомним, что двигателями называют машины, служащие для преобразования различных видов энергии в механическую энергию, в полезную работу. Двигатели бывают первичными и вторичными. Первичные двигатели преобразуют энергию природных источников (топлива, ветра, движущейся воды), а вторичные используют энергию, получаемую от первичных двигателей. К первичным относятся тепловые, гидравлические и ветряные двигатели. Вторичные — это электрические двигатели и двигатели, работающие на сжатом воздухе.
Какие же двигатели применяются, допустим, на современных кораблях? Давно миновала эпоха гребного, а затем и парусного флота. Гребные шлюпки служат теперь почти только для развития у моряков крепкой мускулатуры и выносливости. В основном для учебных целей используют и немногие в наши дни парусные суда. Основной тип двигателя на современных кораблях и судах — тепловой. В нем химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию, которая тем или иным способом превращается в механическую работу. Если необходимо получить электроэнергию, то ее получают преобразованием механической работы.
Современные атомные энергетические установки кораблей принципиально ничем не отличаются от других тепловых двигателей. Только тепловая энергия получается в них не за счет сжигания мазута или бензина, а в результате ядерных реакций.
Из энергетических установок современных кораблей есть смысл рассмотреть котлотурбинные, дизельные, газотурбинные и атомные. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на легком топливе (бензине), на кораблях более или менее значительного водоизмещения почти не применяются. Не следует останавливаться и на установках с паровыми машинами. Такие установки, хотя еще и есть на многих судах, менее экономичны, чем паровые турбины, и наименее совершенны из всех тепловых машин.
Начнем с котлотурбинной установки. Основными элементами ее являются паровой котел, главная паровая турбина и главный конденсатор, а также различные вспомогательные механизмы.
Каким же образом химическая энергия топлива преобразуется в такой установке в механическую работу?
Из цистерн, в которых размещается топливо (обычно мазут) на корабле, оно топливными насосами подается в топку котла. В топке мазут сгорает, и в процессе горения его химическая энергия преобразуется в тепловую. Эго тепло передается воде, находящейся в котле. Вода испаряется, и в котле образуется пар, обладающий запасами потенциальной энергии, которые зависят от температуры и давления пара. По главному паропроводу этот пар подается из котла к турбине (для простоты рассмотрим только один из существующих типов турбин). В специальных устройствах — соплах — потенциальная энергия пара, находящегося под значительным давлением, преобразуется в кинетическую энергию его струи, вытекающей из сопел со значительной скоростью. На лопатках, укрепленных на роторе турбины, кинетическая энергия струи пара превращается в механическую работу, создавая определенный крутящий момент, который с помощью валопровода передается на винт корабля. Отработавший в турбине пар поступает в главный конденсатор, где охлаждается забортной водой. Этот пар превращается в воду (конденсат), которая возвращается в котел.
Если заставить турбину вращать электрогенератор, то механическая энергия будет преобразовываться в электрическую.
Как видим, процесс получения механической энергии из химической энергии топлива при помощи котлотурбинной установки весьма сложен. Во-первых, он требует промежуточных преобразований энергии. Во- вторых, конструктивное оформление таких установок получается весьма громоздким.
Другой вид теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания (дизель). У таких двигателей преобразование химической энергии топлива в тепловую (сгорание топлива), а также последующие преобразования тепловой энергии в потенциальную энергию давления газов и получение в результате этого механической работы происходят в одном месте — в цилиндре двигателя. В цилиндр подается топливо и необходимый для его горения воздух. Тепло, выделившееся при сгорании топлива, нагревает продукты горения — газы. Газы расширяются и толкают поршень, производя тем самым механическую работу. Возвратно-поступательное движение поршня с помощью шатунно-кривошипного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
Двигатели внутреннего сгорания принципиально проще паросиловых установок. Здесь нет промежуточного рабочего тела — пара, получение которого требует дополнительного оборудования (котла, конденсатора, паропроводов и т. д.) и ведет к излишним потерям энергии. Однако и в двигателях внутреннего сгорания имеются промежуточные преобразования энергии и преобразования одного вида движения в другое.
После второй мировой войны на военных кораблях и торговых судах стал применяться новый тип двигателя — газовая турбина. В камеру сгорания такого двигателя подаются топливо и воздух.

Химическая энергия топлива преобразуется в потенциальную энергию давления газов, которые затем поступают к проточной части (соплам и лопаткам) турбины. Там потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, а последняя — в механическую работу.
Такова схема работы простейшей газовой турбины. Но и в более сложных установках сохраняются в основном те же самые промежуточные преобразования энергии. По своему конструктивному оформлению газотурбинная установка является весьма сложным агрегатом, предъявляющим очень высокие требования к материалам, особенно идущим на изготовление проточной части.
Коротко остановимся на атомных энергетических установках.
Основное отличие атомных установок от других энергетических установок состоит в том, что в них в качестве источника энергии применяется ядерное горючее. При расщеплении этого горючего выделяется огромное количество энергии, во много раз больше, чем при сгорании того же количества обычного топлива. Например, при расщеплении 1 кг урана-235 выделяется 86 млрд, кдж 1 тепла, тогда как при сжигании 1 кг каменного угля можно получить только 29,3 тыс. кдж, а при сжигании 1 кг мазута — 41,4 тыс. кдж.
Расщепление ядерного горючего происходит в специальном устройстве—атомном реакторе. Выделяющееся при этом тепло нагревает циркулирующий через реактор теплоноситель. В качестве последнего используют воду под большим давлением, можно также применять некоторые металлы в расплавленном виде или газы. Нагретый теплоноситель подается в парогенератор.
Парогенератор, по сути дела, — обыкновенный паровой котел. Только нагрев и испарение воды в нем происходят благодаря теплу, которое приносит теплоноситель из реактора.
На этом, собственно говоря, и кончается атомная энергетика. Дальше идет обычная паровая турбина, работающая на паре, образующемся в парогенераторе.
Таким образом, отличие обычной котлотурбинной установки от так называемой атомной состоит только в источнике тепла, идущего на испарение воды. В атомной установке также сохраняются промежуточные преобразования энергии, а по конструкции она сложнее обычной.
Из рассмотрения основных типов корабельных энергетических установок видно, что все они требуют промежуточных преобразований энергии и сложны по конструкции. Но может быть это оправдано высокой экономичностью установок? Рассмотрим цифры, характеризующие коэффициент полезного действия перечисленных выше энергетических установок.
Коэффициент полезного действия стационарных котлотурбинных установок с конденсацией пара достигает 28—32%, у транспортных установок к. п.д. несколько ниже и не превышает 22—25%.
У двигателей внутреннего сгорания высокого сжатия к. п. д. достигает 37—41%.
Газотурбинные установки сложных схем могут иметь к. п. д. 26—29%, а некоторые даже свыше 30%.
Коэффициент полезного действия первой в мире советской атомной электростанции — около 17%· Для более совершенных установок к. п. д. может достигать 25—27%. При этом необходимо иметь в виду, что приведенные цифры характеризуют только полезное использование тепловой энергии, выделенной в реакторе. Если же брать коэффициент полезного действия не по теплу, а по использованию собственно атомной энергии, то он равен примерно 0,1%.
Оказывается не так уж хороши наши двигатели, если только сравнительно небольшую часть содержащейся в топливе энергии они преобразуют в полезную работу, а вся остальная энергия пропадает без пользы.
В чем же дело? Может быть, инженеры недостаточно хорошо продумали их конструкцию? Оказывается, дело не в этом. Современные тепловые энергетические установки и так достаточно отработаны. Тепловые схемы и конструкции их тщательно рассчитаны и испытаны в работе. Можно, конечно, внести еще кое-какие улучшения, но и они не дадут резкого увеличения экономичности. Речь может идти только о единицах, а то и о десятых долях процента.
Чтобы понять причины этого, надо обратиться к термодинамике, которая освещает вопросы, связанные с превращением тепловой энергии в механическую работу.

1 В СССР с 1963 года введена Международная система единиц СИ, в которой количество тепла измеряется в джоулях (дж) или килоджоулях (кдж); 1 кдж=0,24 ккал.

В основе термодинамики лежат два принципа, или закона. Первый закон устанавливает количественную зависимость между тепловой энергией и механической работой при их взаимных преобразованиях. Первый закон можно выразить следующим образом: при взаимных превращениях определенному количеству тепловой энергии соответствует вполне определенное количество механической работы и наоборот.
Второй закон термодинамики определяет условия, при которых тепловая энергия может быть преобразована в механическую работу. Получить работу за счет теплоты возможно только при переходе тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. При этом нельзя превратить все тепло горячего источника в механическую работу. Для того чтобы выполнить это, потребовалось бы вести процесс охлаждения до полного прекращения теплового движения молекул, т. е. до температуры 0°К1, что практически невозможно.
Рассмотрим для примера работу паросиловой установки. Горячий источник — паровой котел, холодный источник, или приемник тепла, — главный конденсатор. Рабочим телом служит водяной пар. В котле пар получает определенное количество тепла, которое обозначим Q1. При поступлении пара в турбину часть тепла будет преобразована в механическую работу, а остальное тепло будет унесено паром в конденсатор. Количество тепла, унесенное паром в конденсатор, обозначим Q2. Тогда количество тепла, преобразованное в турбине в механическую работу, будет равно Q1 — Q2. Все тепло в механическую работу превратить невозможно. Поэтому коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть равен единице, а всегда меньше ее.
Из термодинамики известно, что идеальным термодинамическим циклом тепловой машины является цикл Карно. Если машина будет работать по этому циклу, то тепло будет наиболее полно преобразовываться в механическую работу.

1 В Международной системе единиц СИ температура измеряется в градусах Кельвина; 0° К=—273° С.

Необходимо помнить, что действительные тепловые машины работают по циклам, отличающимся от идеального, и экономичность этих циклов всегда ниже, чем у цикла Карно.

Тепловой к. п. д. цикла Карно определяется выражением
где Т1 и Τ2 — температуры в градусах Кельвина источника и приемника тепла, т. е. температуры, в пределах которых работает данная машина.
Из этого выражения можно сделать следующие выводы:

  1. тепловой к. п. д. цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, а определяется только значениями температуры источника и приемника тепла;
  2. для повышения теплового к. п. д. цикла Карно следует увеличивать температуру и уменьшать температуру Τ1;
  3. тепловой к. п. д. цикла Карно может быть равен единице только при Т1 = оо или Т2 = 0, что практически неосуществимо.

Из всего сказанного о современном состоянии тепловых двигателей следует, что положение в данной области не так уж блестяще, как это могло показаться бывшему жителю островов Тристан-да-Кунья.
Двигатели сложны по конструкции, недостаточно экономичны, и простым их усовершенствованием добиться коренных изменений в этой области невозможно. Сама природа тепловых двигателей предполагает неизбежность потерь с уходящим из двигателя теплом. Кроме того, промежуточные преобразования энергии также вызывают дополнительные потери. Да еще трение, утечки рабочего вещества через неплотности, накипь, нагарообразование и прочие неприятности, неизбежные при эксплуатации. Вот и получается, что больше половины содержащейся в топливе энергии в современных двигателях так и не преобразуется в полезную работу, а идет на совершенно бесполезное дело—подогрев окружающего воздуха или забортной воды.
Специалисты пришли к выводу, что способы преобразования энергии топлива в полезную работу, которые применяются в настоящее Бремя, еще очень далеки от совершенства. И не только из-за низкой экономичности.

Иногда с этим можно было бы смириться. Но уж очень сложен и многоступенчат процесс преобразования энергии в современных установках. Отсюда и сложность конструкции. Трубопроводы, зубчатые передачи, клапаны, сальники, десятки подшипников. Попробуйте, оставьте все это надолго без ухода. А сколько шума, вибраций, дыма и других неприятностей...
Но какой же выход из этого положения?



 
« Электроэнергия - основа сельского хозяйства   Энергетика и экология »
электрические сети