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.
