Паровые машины

Лабораторная работа

«Тепловые двигатели и их применение»

Цель работы: изучение разных видов тепловых двигателей и их назначения.

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, так как люди 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.

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. рис. 3) состоит из сталь­ного цилиндра, внутри кото­рого находится вал с ук­репленными на нем рабочими колесами (рис. 2). 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.

Рис. 2. Лопатки на рабочем колесе паровой турбины.

Рис. 3. Схема устройства 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, 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 4. 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.

Рис. 5. Примерный энергетический баланс паровой 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.

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).

Рис. 6. Примерный энергетический баланс ТЭЦ