Стартовая >> Архив >> Энергетика завтрашнего дня

Усовершенствование тепловых двигателей - 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

Когда убедились, что современные тепловые двигатели страдают рядом крупных, органически им присущих дефектов и дальнейшее усовершенствование этих двигателей не может коренным образом улучшить их показатели, стали искать выход из создавшегося положения.
Особенно интенсивно эти поиски проводятся в последние годы. И не только потому, что лишь теперь вскрылись недостатки существующих тепловых двигателей. Нет! Недостатки были видны и раньше. Но только благодаря развитию науки и техники стало возможным наметить пути к их устранению.
Проникновение пытливой человеческой мысли в строение вещества, успех науки об электричестве и развитие химии, создание новых материалов — все это позволило приступить к разработке новых методов преобразования энергии, к разведке боем путей в энергетику будущего.
Выше было показано, что для повышения экономичности тепловой машины необходимо увеличить температуру источника тепла Т1 и уменьшить температуру приемника тепла Т2. Другими словами, надо расширить интервал температур, в пределах которых работает тепловая машина. Там же было сказано, что тепловой к. п. д. цикла Карно может быть равен единице только при условии  Т1= оо или Т2 = 0, что практически неосуществимо.
Хорошо! Пусть к. п. д. не может быть равен единице. Но, может быть, его можно сделать близким к единице? Это тоже будет неплохо!
Очевидно, для резкого увеличения теплового к. п. д. требуется значительно снизить температуру Т2 или повысить Τ1. Начнем с Т2— температуры приемника тепла.
В условиях корабля температура Т2 не зависит от конструкции и типа энергетической установки, так как практически Т2 — это температура забортной воды, которая прокачивается через холодильник. Температура забортной воды зависит от района плавания корабля, и она всегда выше 273° К, а в некоторых морях может достигать и 303° К. А эти величины все же слишком далеки от нуля!
Некоторые могут сказать, что современная холодильная техника позволяет получить температуру, очень близкую к абсолютному нулю. Казалось бы, стоит только разработать приемник тепла (конденсатор) с температурой, близкой к нулю (хотя бы 3° К), — и проблема будет решена. Тепловой к. п. д. двигателя с таким холодильником будет близок к единице.
Но это только кажется. Дело в том, что на работу холодильной установки, которая понижала бы температуру приемника тепла, потребуется затратить определенную часть полезной работы, производимой самой энергетической установкой. И эта часть будет тем больше, чем ниже температура холодильника. Так что общий коэффициент полезного действия установки от такого «усовершенствования» не только не улучшится, но может и ухудшиться. Попробуем теперь увеличить температуру Τ1.
В реальных тепловых двигателях температура Τ1 является температурой рабочего тела данного двигателя. В паросиловых установках — это пар, в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах — смесь продуктов сгорания топлива с воздухом. Прежде чем говорить об увеличении температуры Т1, посмотрим, каковы эти температуры в современных тепловых двигателях.
У паросиловых установок температура перегретого пара достигает 773—873° К, У двигателей внутреннего сгорания в период горения топлива в цилиндре температура достигает 1873—2073° К, после чего она снижается до 773—873° К, у газотурбинных установок температура смеси газов и воздуха перед турбиной составляет 873—973° К. Газовые турбины авиационных двигателей, имеющие небольшой срок службы, работают и при более высоких температурах.

Как-будто температуры не так уж высоки, и их можно еще увеличить. Однако в действительности это сделать не просто. Материалы, из которых делают машины, с повышением температуры быстро теряют свои механические свойства и не могут противостоять воздействию на них значительных усилий. Если бы эти усилия определялись только давлением пара или газа, положение было бы совсем не плохое. Но, например, роторы и рабочие лопатки современных турбин испытывают, кроме того, огромные нагрузки вследствие центробежных сил, возникающих при вращении этих узлов. А вращаются они со скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту, да и диаметр у них немалый.
Над созданием новых жаростойких материалов работают многие ученые и инженеры. Возможно, в ближайшем будущем появятся материалы, из которых можно будет изготавливать движущиеся части турбин, работающие длительное время при температурах 1800—2300° К. Однако и такие температуры не смогут обеспечить резкого повышения экономичности двигателей.
На основании приведенных выше рассуждений можно прийти к выводу, что для значительного увеличения коэффициента полезного действия двигателей необходимо либо сделать тепловую машину без движущихся частей (что позволит резко повысить температуру Τ1) и устранить промежуточные преобразования энергии, которые приводят к дополнительным потерям, либо разработать принципиально новый преобразователь энергии, экономичность которого не определяется законами термодинамики.
Для существенного упрощения конструкции двигателей и других преобразователей энергии необходимо прежде всего упростить сам метод преобразования энергии, сведя к минимуму все промежуточные процессы.



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