История теплоэнергетики

М.Ю. ЕЛАГИН

Д.т.н., профессор

Конспект лекций по дисциплине

«ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»

Для студентов направления 653400

Организация перевозок и управление на транспорте

Тула 2010

Содержание

Стр.

Лекция 01

Лекция 02

Лекция 03

Лекция 04

Лекция 05

Лекция 06

Лекция 07

Лекция 08

Лекция 09

Лекция 10

Лекция 11

Лекция 12

Лекция 13

Лекция 14

Лекция 15

Лекция 16

Лекция 17

Литература

ЛЕКЦИЯ 01

План лекции:1. Предмет «Транспортная энергетика» и её связь с другими отраслями знаний.

2. История теплоэнергетики.

3. Техническая термодинамика и её метод.

4. Основные понятия технической термодинамики.

1. Предмет «Транспортная энергетика» и ее связь

С другими отраслями знаний

Дисциплина «Транспортная энергетика» занимает особое место в процессе формирования специалистов в области авто­мобильного транспорта. С одной стороны, для успешного осво­ения этой инженерной дисциплины требуется хорошая подго­товка студентов по предшествующим предметам: высшей мате­матике, прикладной информатике, физике, теоретической и прикладной механике, теории эксплуатационных свойств авто­мобиля, экологии. С другой стороны, для ряда последующих предметов, связанных с изучением транспортной логистики, технологии транспортного производства, взаимодействия видов транспорта, грузовых и пассажирских перевозок, а также эко­номики транспорта, транспортная энергетика — одна из базо­вых дисциплин.

История теплоэнергетики

Современная теплоэнергетика базируется на результатах практического опыта и научно-технического поиска многих поколений талантливых изобретателей, конструкторов, испытателей и ученых, внесших значительный вклад в совершенствование производительных сил общества [22]. Глубокому пониманию теоретических положений теплотехники, изначально сугубо прикладной науки, должно способствовать ознакомление с ее основами.

Развитие учения о теплоте началось с практической термометрии. Первый термометр был продемонстрирован Г. Галилеем на лекции в Падуе в 1597г. Г.Амонтон впервые высказал мысль о том, что термометр измеряет не количество теплоты, а степень нагретости тел. В 1724 г. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с нулевой отметкой при температуре смеси льда, воды и нашатырного спирта; позднее он ввел точку кипения
воды, обозначив ее 212°. М.В.Ломоносов при проведении иссле­дований часто пользовался своей шкалой, у которой 0° соответствовал замерзанию, а 150° — кипению воды. Наконец, в 1742 г. А. Цельсий ввел стоградусную шкалу с 0° при замерзании и 100° при кипении воды.

Развитие калориметрии, связанное с исследованиями по оп­ределению теплоты плавления и парообразования веществ, привело к появлению первой научной абстракции — понятия теплорода как особой невесомой формы текучей материи и способствовало становлению кинетической теории теплоты. М.В.Ломоносов, отвергая флюидную теорию теплоты, в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744г.) утверж­дал, что «достаточное основание теплоты заключается в движе­нии. А так как движение не может происходить без материи..., теплота состоит во внутреннем движении материи». В работе 1748г. «Опыт теории упругости воздуха» М.В.Ломоносов развил свою теорию теплоты и основы молекулярно-кинетической теории газов, получившей всеобщее признание ученых только в середине XIX в.

Начало XIX в. ознаменовалось переворотом в экономике от­дельных стран — началом развития крупной промышленности и машиностроения, пришедших на смену кустарному производ­ству. К этому времени в различных областях хозяйственной де­ятельности уже получила широкое распространение паровая машина Дж. Уатта, созданная им в 1769г. на основе коренного усовершенствования конструкции комбинированного двигате­ля, изобретенного в начале XVIII в. англичанами Т. Ньюкоменом и Н.Коули, который можно было использовать и в качестве насоса.

Следует отметить, что необходимая для транспортных потре­бителей возможность непрерывного действия паровой машины, по мнению отечественных ученых [22], была впервые в мире обоснована русским механиком И. И. Ползуновым. В 1763г. он передал начальнику Колывано-Воскресенского завода доклад­ную записку и проект изобретенного им «огнедействующего» двигателя. Непрерывное действие машины обеспечивалось при­менением двух цилиндров, поршни которых поочередно приво­дили в действие общий вал.

Использование И. И. Ползуновым принципа суммирования энергии, получаемой в разных рабочих полостях двигателя, в отличие от чисто механического аккумулирования потенциаль­ной (груз-балансир) или кинетической (маховик) энергии было для того времени новаторским шагом, открывшим возможность создания быстроходных Тепловых машин.

На протяжении XIX в. одновременно с повышением мощностных и топливно-экономических показателей паросиловой тех­ники (агрегатная мощность увеличилась с 7,4... 14,7 кВт до 7,4... 11,0 МВт, степень использования тепловой энергии топ­лива возросла в среднем с 5 до 15 %) происходила ее глубокая специализация: создавались паровые молоты и прокатные ста­ны, водо- и шахтоподъемные установки, воздуходувные агре­гаты и т.д.

В это время наряду с традиционными конструкциями теп­ловых двигателей разрабатывались реверсивные, роторные и коловратные паровые установки, для приведения в действие которых использовалось природное ископаемое топливо.

Создание теплового двигателя стимулировало развитие тран­спорта. Паровая самодвижущаяся повозка французского инже­нера Ж. Кюньо, построенная в 1769г. для перевозки пушек, счи­тается первым транспортным средством на нашей планете [22]. С середины XIX в. сначала в Англии, а позднее на европейском континенте стали появляться промышленные передвижные па­росиловые установки — локомобили, первые образцы которых имели небольшую мощность (2,9...5,9 кВт при давлении пара 300... 400 кПа и частоте вращения вала до 150 мин^-1).

В России первыми конструкторами паровозов были отец и ын Черепановы. Паровоз, построенный ими в 1834г., мог перевозить 3,5 т груза со скоростью 15 км/ч.

Первые паровые суда А. Эванса были оснащены двигателем избыточным давлением 0,6... 1 МПа и лопастными гребными устройствами. Первый русский пароход «Елизавета» (1815г.) совершал рейсы между Санкт-Петербургом и Кронштадтом. Он был полностью изготовлен из дерева (железные, а позднее стальные суда начали строить с середины XIX в.), а дымовая труба была выложена из камня.

Массовое внедрение тепловых двигателей на транспорте и в промышленности резко изменило общий уклад жизни в наиболее передовых странах и способствовало их интенсивному развитию, но в то же время оказалось причиной быстрого истощения невозобновляемых природных энергетических ресурсов, прежде всего каменного угля и нефти.

Теоретическая база теплоэнергетики начала развиваться и оформляться в самостоятельную область научных знаний (термодинамику) в XIX в. на основе «воскрешения» идей броуновской кинетической теории газов и механической теории теплоты М. В.Ломоносова после того, как паровой двигатель успеш­но зарекомендовал себя в промышленности и на транспорте.

Научные сведения о свойствах водяного пара были получены в первой четверти XIX в. Дж. Дальтоном, Ж. Гей-Люссаком, П.Дюлонгом, А. Пти и Д. Араго. В 40-х гг. XIX в. А.Реньо начал Обстоятельно исследовать отклонения от законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака для реальных газов, а также свойства на­сыщенного и перегретого пара. Р. Клаузиус вывел уравнение, связывающее изменение объема при парообразовании с тепло­той парообразования, согласующееся с теоретическими вывода­ми Б. Клапейрона. Это уравнение в теплотехнической науке по­лучило название уравнения Клапейрона — Клаузиуса. На осно­ве обобщения выводов теории парообразования А. Реньо пред­ложил таблицы термодинамических параметров водяного пара. К первым фундаментальным изысканиям в теплоэнергети­ческой науке относят труды Ж. Фурье, С. Карно. В работе «Ана­литическая теория тепла» (1822г.) Ж.Фурье излагает теорию теплопроводности. Непосредственно с задачами практики свя­зана теоретическая работа С. Карно «Размышления о движущей силе огня» (1824 г.), которому принадлежат исключительно важ­ные для естествознания обобщения. В частности, в указанной работе он пишет: «...недостаточно создать теплоту, чтобы выз­вать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезна... Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы».

Открытие закона сохранения и превращения энергии уско­рило формирование термодинамических научных положений, поскольку первый закон термодинамики, устанавливающий эк­вивалентность теплоты и механической работы, является одним из его проявлений при переходе энергии из одного вида в другой.

Следует отметить, что со вторым законом термодинамики, в частности с распространением механистического понятия энт­ропии на всю Вселенную, не обошлось без научных казусов («апокалипсических» выводов), разрешение которых произош­ло лишь в первой половине XX в. Так, на основании этого за­кона, в 1857 г. У. Томсон, а позднее Р. Клаузиус в работе «О дви­жущей силе теплоты» пришли к теоретическому заключению о всеобщей тенденции рассеяния энергии в окружающей среде и неизбежности «тепловой смерти» Вселенной. Этот пример де­монстрирует несостоятельность распространения частных тео­ретических обобщений, хотя и чрезвычайно полезных для теп­лотехнической практики, на все бесконечно многообразные явления природы.

Современная теплотехника базируется на фундаментальных представлениях об ограниченности реального человеческого знания (И. Гете) и неиссякаемости в масштабах бесконечного мироздания (Вселенной) материи, энергии, движения, жизни и информации (В.И.Вернадский).

В России во второй половине XIX в. складывается самобытная школа физики процессов, происходящих в паровых котлах [22], представителями которой являются Н.Н.Божерянов, И.П.Алы­мов, И.В.Вышнеградский, Н.П.Петеров, И.А.Тиме, Г.Ф.Депп, В.Г.Шухов (создатель самого распространенного котла в Рос­сии), позднее В.И.Гриневецкий, М.В.Кирпичев и многие дру­гие.

Важное значение для мировой науки и практики имели тру­ды Д.И.Менделеева, в частности вывод уравнения состояния для идеальных газов, открытие критического состояния веще­ства и обоснование его термодинамических параметров.

Требования к повышению быстроходности и мощности теп­ловых машин, а также развитие электротехники, в частности генераторостроения, создали предпосылки для разработки паровых турбин. Г. Лаваль разработал первые конструкции паровых тур­бин, а Т. Парсон объединил турбину с электрогенератором.

На примере творчества шведского инженера Г. Лаваля мож­но увидеть характерную черту развития теплотехники в XIX в.: он создавал работоспособные конструкции паровых турбин, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теория гиб­кого вала, впервые примененного Г.Лавалем, была разработана затем чешским ученым А. Стодолой, а исследования закономер­ностей работы сопел Лаваля продолжаются и в настоящее время.

Потребность в создании экономичного, малогабаритного и быстроходного транспортного двигателя внутреннего сгорания вместо громоздких паровых машин смогла реализоваться в се­редине XIX в. благодаря трем достижениям науки и практики теплотехники и электротехники, а именно:

• освоению промышленного производства светильного газа (предназначавшегося в основном для освещения улиц и домов в крупных городах);

• созданию катушки индуктивности, позволявшей легко осу­ществлять зажигание газовой смеси в полости цилиндра с по­мощью электрической искры;

• накоплению значительного опыта создания паровых порш­невых двигателей, что позволило при разработке ДВС (также поршневого типа) применить целый ряд проверенных в эксплу­атации конструктивных решений.

В результате в январе 1860г. французским инженером Э. Ленуаром была запатентована конструкция первого ДВС. Позднее, на парижской выставке 1867г., немецкими инженерами был про­демонстрирован ДВС, который привлек всеобщее внимание благодаря малому расходу топлива, что обеспечивалось глубо­ким расширением газов до достижения вакуума. В 1870-х гг. по­явились первые заводы по производству газовых ДВС.

Считается [22], что первый ДВС, работающий на легком жид­ком топливе — бензине, создан в Германии инженером Г. Дайм­лером (патенты 1883 и 1885 гг.). Почти одновременно с Г.Дайм­лером получил патент на автомобиль К. Бенц, впоследствии организовавший их производство во Франции.

Вместе с тем в отечественной литературе по истории автомо­билестроения [22] можно найти упоминания о том, что в 1879г. капитаном русского флота И.С.Костовичем (ранее, чем Г.Дайм­лером) был сконструирован легкий бензиновый двигатель, предназначенный для воздухоплавательного аппарата — дири­жабля. Об этом изобретении им было доложено в том же году на заседании Первого русского общества воздухоплавателей. Двигатель И.С.Костовича был изготовлен на Охтинской судо­строительной верфи в Санкт-Петербурге. В 1896г. на Нижего­родской выставке (ярмарке) демонстрировался ряд оригиналь­ных конструкций ДВС русских изобретателей.

В 1892г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент на дви­гатель, в котором предполагалось, следуя параметрам цикла Карно, реализовать сжатие газа до высокого давления с после­дующим расширением при постоянной температуре [22], а в качестве топлива использовать каменноугольную пыль. Такое смелое, с теоретических позиций, и многообещающее, с точки зрения топливной экономичности, предложение дало основание концерну «Крупп» (Германия) профинансировать изготовление экспериментальных образцов двигателя. Последовавшие опыты не оправдали ожиданий изобретателя. Предполагаемые свой­ства двигателя удалось реализовать лишь в части сильного сжа­тия всасываемого воздуха с постепенным сгоранием почти при постоянном давлении не угольной пыли, а керосина.

Новый рабочий цикл с достигнутыми термодинамическими параметрами вошел в мировую теплотехнику под названием цикла Дизеля, а опытное подтверждение в 1897г. самого высо­кого (в ряду тепловых машин) КПД этого цикла предопредели­ло широкое распространение дизелей. Любопытно заметить, что изобретенные Р. Дизелем двигатели, выпускавшиеся с 1899г. по лицензии на заводе Э. Нобеля в Санкт-Петербурге, за грани­цей называли русскими [22].

Первое упоминание о газовой турбине, относящееся к 1791г., связано с получением английским изобретателем Дж. Барбером патента на тепловой двигатель, по принципу действия аналогич­ный современной газовой турбине. Горючая смесь воздуха и газа нагнеталась компрессором в камеру сгорания, а образовавшие­ся после воспламенения и сгорания смеси газы непрерывным потоком поступали с большой скоростью на лопатки рабочего колеса турбины.

Конструкцию комбинированной газопаровой турбинной ус­тановки предложил в 1850г. англичанин В. Фернихоу. Но изоб­ретения Дж. Барбера и В. Фернихоу опередили потребность в таких дорогостоящих машинах и технические возможности их создания в конце XVIII — начале XIX в. Тем не менее их рабо­ты послужили толчком к дальнейшим изобретениям в данной области теплотехники.

Только при расширении применения электричества в бурно развивающейся промышленности конца XIX в. вместо громозд­ких поршневых паровых машин потребовались быстроходные приводные агрегаты.

Первая опытная газовая турбина была построена в 1893 — 1897гг. морским инженером П.Д. Кузьминским. В феврале 1893г. он сделал доклад в Русском техническом обществе о ре­зультатах испытания реверсивной судовой турбины с частотой вращения 800 мин^-1. Это был прообраз конструкции радиальной турбины, которая в последующие годы нашла широкое приме­нение в паротурбостроении. В 1897г. газотурбинная установка была построена, однако работы по ее практическому совершен­ствованию не были завершены, так как в мае 1900г. П. Д. Кузь­минский скончался.

С 1900г. в Германии началось конструирование газовых тур­бин постоянного давления. Первые опыты с газовыми турбинами в США относятся к 1902г. Во Франции инженер Р. Арменго 1904г. создал оригинальный образец газовой турбины постоянного давления.

До Второй мировой войны газовые турбины находили применение в основном в крупных турбогенераторных установках и дизелях в качестве агрегата турбонаддува. В послевоенные годы их стали использовать в авиации (так как поршневые двигатели не могли обеспечить близкие к звуковым, а тем более сверхзвуковые скорости полета) и на судах морского флота, кроме того, они нашли весьма ограниченное применение в автотракторной технике.

Основным видом тепловых машин в современной транспортной энергетике являются поршневые ДВС, в развитие которых значительный вклад внесли отечественные ученые. Перечислим их основные теоретические разработки.

Выдающийся русский теплотехник В. И. Гриневецкий (1871 — 1919) исследовал рабочие процессы, происходящие в паровых машинах, котельных агрегатах и ДВС. В труде «Тепловой расчет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания» он изложил основы теории двигателей и впервые предложил метод теплового расчета, которым широко пользуются и в наши дни. Примером смелого инженерного решения служит предложенная им поршневая машина с двухступенчатым сжатием и расширением рабочей смеси — прообраз комбинированного ДBC.

Член-корреспондент АН СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Н.Р. Брилинг (1876— 1961) — основоположник теории автотракторных двигателей. Под его руководством сконструирован ряд оригинальных авиационных и быстроходных автомобильных двигателей. Он автор первого учебника на русском языке по ДВС. Им получена известная формула для расчета коэффици­ента теплоотдачи.

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор тех­нических наук, профессор Е.К. Мазинг (1880— 1944), развивая идеи своего учителя В.И.Гриневецкого, усовершенствовал методику теплового расчета двигателей, исследовал вопросы гене­рирования газа и его использования в двигателях. Его труды по вопросам сгорания твердого и жидкого топлива находят приме­нение при проектировании современных двигателей.

Академик АН СССР, профессор, лауреат Государственной и Ленинской премий СССР Б.С. Стечкин (1891 — 1969) — выдаю­щийся ученый в области гидроаэромеханики и теплотехники, ученик Н.Е.Жуковского. Его труды в области термодинамики и газовой динамики лопаточных машин широко используются в теории и практике поршневых и комбинированных ДВС.

Б.С. Стечкин внес весомый вклад в исследование индикаторно­го процесса двигателей, разработал основы теории воздушно-реактивных двигателей.

Профессор Е.Д.Львов (1888— 1974), конструктор и организа­тор производства первых отечественных тракторов, в 1927г. опубликовал капитальный труд по теории, конструкции и рас­чету тракторных двигателей.

Основополагающие исследования в области неустановив­шихся режимов работы тракторных двигателей выполнены ака­демиком В.Н.Болтинским (1904— 1977). В 1951г. был издан его учебник по теории, конструкции и расчету автотракторных дви­гателей для подготовки инженеров-механиков в области сельс­кого хозяйства.

Лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н.Семенов (1896— 1986), изучая процесс сгорания топливовоздушных сме­сей, создал новую теорию цепного воспламенения, наиболее полно и адекватно описывающую кинетику окисления топлива в ДВС.

В изучение физико-химических явлений при сгорании топливовоздушной смеси и рабочих процессов карбюраторных дви­гателей значительный вклад внесли профессора А. С. Соколик, А.Н.Воинов, В.И.Сороко-Новицкий и П.М.Ленин. Теория и практика разработки современных дизелей обогащены трудами профессоров Н.В.Иноземцева, В.В.Кошкина, К.С.Орлина, Д.Н.Вырубова, В.И.Крутова, М.С.Ховаха, Н.Х.Дьяченко, В.Н.Луканина, А.В.Николаенко, С.А.Батурина, а также многих других конструкторов и ученых.

3. Техническая термодинамика и её метод

Техническая термодинамика ТТД - это наука, которая занимается исследованием закономерностей преобразования тепла в работу.

Основная цель исследования - определение условий наиболее полного преобразования располагаемого тепла в работу.

Основные задачи, решаемые в ходе исследования:

- определение свойств рабочего тела, описание его состояния и процессов изменения состояния;

- установление количественных соотношений между подводимым теплом и получаемой работой в различных термодинамических процессах;

- определение принципиальной структуры тепловой машины;

- определение эффективности преобразования тепла в работу при различной организации процессов в тепловой машине;

- выработка рекомендаций по повышению эффективности преобразования тепла в работу.

Основные понятия технической термодинамики

ТТД не рассматривает какие-либо конкретные тепловые двигатели, а изучает только количественные соотношения между подводимым теплом, получаемой работой и изменением состояния термодинамической системы, преобразующей тепло в работу.

Термодинамическая система (ТС) - sto совокупность макроскопических тел, взаимодействующих между собой и окружающей средой.

Каждая ТС может быть условно представлена рядом подсистем, для каждой из которых все остальные будут являться окружающей средой.

Любая ТС может иметь три вида взаимодействия с окружающей средой: тепловое, механическое и материальное.

Тепловое взаимодействие имеет место при наличии разности температур между рассматриваемой системой и окружающей средой (телами). Мерой этого взаимодействия является количество переданной энергии - тепла Q.

[Q]=Дж

Механическое взаимодействие имеет место при перемещении граничных тел, когда одна ТДС совершает работу под другой. Мерой механического взаимодействия является количество совершённой работы L.

[L] = Дж

Материальное взаимодействие имеет место при обмене веществом между различными ТДС и связанной с этим веществом энергией. Мерой материального взаимодействия является количество переданного вещества миграционной энергии.

Обозначения: количество переданного вещества - Y

количество переданной энергии - Z

Закрытая ТДС - ТДСне имеющая материального взаимодействия с окружающей средой. Исследование закрытых ТДС позволяет установить все основные закономерности преобразования тепла в работу и дать основные рекомендации по повышению эффективности преобразования.

В дальнейшем, если не будет специально оговорено, будут рассматриваться только закрытые ТДС.

Адиабатическая ТДС - закрытая ТДС не имеющая теплового взаимодействия с окружающей средой.

Изолированная ТДС - адиабатическая ТДС не имеющая механического взаимодействия с окружающей средой.

Одной из главных ТДС участвующих в преобразовании тепла в работу является рабочее тело.

Рабочее тело - это определенное количество газа или пара, которое при определённых условиях способно совершать работу.

Основной метод термодинамики - теоретическое построение аналитического аппарата на основе очень небольшого числа основных экспериментально найденных законов или начал.

Первый закон - всеобщий закон сохранения и превращения энергии, открытой великим русским учёным М.В.Ломоносовым. Применительно в к ТДС закон был впервые сформулирован Юлиусом Робертом Майером в 1842 году.

Второй закон - характеризует направление протекающих в окружающей нас природе макроскопических процессов. Имеет много формулировок.

Одна из частных формулировок 2-го закона ТТД: "Тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему".

При изучении ТТД мы будем отвлекаться от молекулярной и атомарной структуры вещества, а скрытое или тепловое движение этих частиц будем характеризовать известной величиной - температурой.

Введение понятия температуры является очень важным положением, и его часто представляют как нулевой закон термодинамики, и формулируют в виде аксиомы: "Все тела теплового равновесия характеризуются одинаковой температурой".