Реферат: Тепловые двигатели
и их применениеУсловия, необходимые для работы тепловых двигателей. Простейшеймашиной, при помощи которой люди давно использовали энергию излучения Солнцадля получения работы, являются ветряные мельницы (ветряные двигатели). Вращениекрыльев двигателя, приводящее в движение вал, совершающий какую-либо работу,возникает под действием ветра. Для возникновения ветра необходима разностьдавлений, а эта последняя возникает вследствие различия в температуре различныхчастей атмосферы. Ветер есть не что иное, как конвекционное движениеатмосферы, обусловленное неравномерным нагреванием ее.
Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может бытьиспользована для получения работы в ветряном двигателе только при условии, чтоимеется разность температур отдельных частей атмосферы, создаваемая поглощениемлучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство.Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы засчет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающаяработу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело называютнагревателем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику).Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя,а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.
Машины[1],производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами,называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагреваниеполучается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточновысокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использованиявнутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуютмашины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин,использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие неимеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируютсятакже тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, гдепроисходит расщепление и преобразование атомных ядер.
Паросиловая станция. Раньше всего (в конце XVIII века)были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустяпримерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работаэтих 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 ина больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применениетолько в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).
Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машини устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции.На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.
/>
Схема оборудования паросиловой станции
Она превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине(или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемомпроточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредствомнасоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. Итак,круговорот воды происходит по следующей схеме:
/>
В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор —холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода(утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почтине получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, таккак накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действиякотла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. В следующихпараграфах мы рассмотрим части паросиловой станции по отдельности.
Паровой котел. Он состоит из топки и собственнокотла. Уголь или дрова сжигаются в топке на колосниковых решетках. Жидкоетопливо сжигается в распыленном состоянии; распыление обычно производится спомощью пара в форсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстияв трубке, засасывает жидкое топливо и разбрызгивает его.
/>
Схема устройства форсунки
/> <td/> />Котелсостоит из барабана и труб, через стенки которых теплота от горячих топочныхгазов передается воде. Иногда вода находится снаружи труб, а по трубам идуттопочные газы (огнетрубный котел, дымогарные трубы). Иногда, наоборот, воданаходится внутри труб, а горячие газы омывают их (водотрубный котел). Вомногих паровых котлах пар подвергается перегреванию в особых змеевиках, омываемыхгорячими газами. При этом он из насыщенного делается ненасыщенным. Этимдостигается уменьшение конденсации пара (на стенках паропроводов и в турбине) иповышается к. п. д. станции.
Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 —водотрубная часть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба дляподачи воды в котел, 6 — поддувало, 7 — предохранительный клапан, 8 — заслонкав борове
На котле имеются манометр для наблюдения за давлением пара ипредохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превыситдопустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения зауровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опуститсянастолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не соприкасаютсяс водой, то возможен взрыв котла.
Энергия горячих топочных газов передается воде в котле не целиком.Часть ее рассеивается в котельной, часть уносится с газами в дымовую трубу.Кроме того, значительную потерю может дать неполное сгорание топлива.Признаком этого является черный дым из труб станции. Черный цвет придается дымукрупинками несгоревшего угля.
/> <td/> />с)
Лопатки на рабочем колесе паровой турбины
Паровая турбина. Из котла пар по паропроводу поступаетв турбину или в поршневую машину. Рассмотрим сначала турбину (а). Турбинасостоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал ее с укрепленнымина нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутыелопатки (б и с), где изображено одно из рабочих колес с соплом). Междурабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки. Пар, вырываясь изпромежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочегоколеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращенияколеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины паррасширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит изнее по очень широкой трубе (а). Отметим, что турбина может вращатьсятолько в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широкихпределах. Это затрудняет применение паровых турбин на транспорте, но оченьудобно для вращения электрических генераторов./> <td/> />а)Схема устройства паровой турбины,
б) Расположение на валу ее турбины лопаток: а —направляющих, b— рабочих
Весьма важной для электрических станций является возможность строитьтурбины на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительнопревышающие максимальные мощности других типов тепловых двигателей. Этообусловлено равномерностью вращения вала турбины. При работе турбиныотсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршнявзад и вперед.
Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневойпаровой машины, изобретенной в конце XVIII века[2], в основном сохранились до нашихдней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знавшеймашин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время она частичновытеснена другими типами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, заставляющиеиногда предпочесть ее турбине. Это — простота обращения с ней, возможностьменять скорость и давать задний ход.
Устройство паровой машины показано на рисунке. Основная ее часть —чугунный цилиндр 1, в котором ходит поршень 2. Рядом с цилиндромрасположен парораспределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки,имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3сообщается с конденсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовуютрубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. Вкоробке находится золотник 6, движимый специальным механизмомпосредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), леваячасть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая —через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, аотработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когдапоршень движется налево (рис. б), золотник передвигается так, чтосвежий пар входит в правую часть цилиндра, а отработанный пар из левой частиуходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, атолько в начале его. После этого благодаря особой форме золотника паротсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимсяи охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. На паровозахобычно установлены два цилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в одинцилиндр, а затем во второй. Так как пар в первом цилиндре расширяется, тодиаметр второго цилиндра значительно больше первого. На паровозах, как правило,ставятся огнетрубные котлы; имеется пароперегреватель.
/> <td/> />Устройство цилиндра и золотниковой коробки паровой машины а) Пар входит в цилиндрслева б) Пар входит в цилиндр справа
В конце IX и начале XX векастроили паровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозахставили конденсаторы, и пар в них циркулировал так же, как и в паросиловойстанции[3].
/>
Конденсатор. Как былоуказано ранее, после турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор,играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Нопар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся приконденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например,конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которогорасположены трубы с проточной холодной водой.
Схема поверхностного конденсатора
Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холоднаявода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасывается от конденсаторапо трубе, показанной снизу. В конденсаторах давление пара обычно значительнониже атмосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), ивоздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя.Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но толькочасть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы.Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованнойэнергии называется коэффициентом полезного действия двигателя (к. п.д.). Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно этоэнергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известныколичество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количествотеплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплотусгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топливав закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная теплота сгорания некоторыхсортов топлива приведена в табл. 25 (цифры округлены).
Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кгКеросин
Бензин
Уголь каменный
-бурый
Дерево
44
46
30
20
10
Рассмотрим пример. Пусть в двигателе сожжено 3 кг бензина.Выделившаяся при этом энергия равна 46 МДж/кг х З кг=138 МДж. Если приизрасходовании 3 кг бензина двигатель произвел работу 29 МДж, то его к. п. д.=29: 138 = 0,21, т. е. равен 21 %.
/>
Коэффициентполезного действия паросиловой станции. Энергетический баланс паросиловойстанции с турбиной показан на рисунке. Он является примерным; к. п. д. паросиловойстанции может быть и больше (до 27 %). Потери энергии, которые имеют место приработе паросиловой станции, можно разделить на две части. Часть потерьобусловлена несовершенством конструкции и может быть уменьшена без изменениятемпературы в котле и в конденсаторе. Например, устроив более совершенную тепловуюизоляцию котла, можно уменьшить потери теплоты в котельной. Вторая, значительнобольшая часть — потеря теплоты, переданной воде, охлаждающей конденсатор,оказывается при заданных температурах в котле и в конденсаторе совершеннонеизбежной. Как было отмечено ранее, условием работы теплового двигателяявляется не только получение некоторого количества теплоты от нагревателя, но ипередача части этой теплоты холодильнику.
Примерныйэнергетический баланс паросиловой станции с турбиной
Большой научный и технический опыт по устройству тепловыхдвигателей и глубокие теоретические исследования, касающиеся условий работытепловых двигателей, установили, что к. п. д. теплового двигателя зависит от разноститемператур нагревателя и холодильника. Чем больше эта разность, тем большийк. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при условии устранениявсех технических несовершенств конструкции, о которых упоминалось выше). Ноесли разность эта невелика, то даже самая совершенная в техническом смыслемашина не может дать значительного к. п. д. Теоретический расчет показывает,что если термодинамическая температура нагревателя равна Т1,а холодильника Т2, то к. п. д. не может быть больше чем
/>
Так, например, у паровой машины, пар который имеет в котлетемпературу 100 °С (или 373 К), а в холодильнике 25 °С (или 298 К), к. п. д.не может быть больше (373—298)/373=0,2, т. е. 20 % (практически, вследствиенесовершенства устройства, к. п. д. такой установки будет значительно ниже).Таким образом, для улучшения к. п. д. тепловых машин нужно перейти к болеевысоким температурам в котле, а следовательно, и к более высоким давлениямпара. В отличие от прежних станций, работавших при давлении 12—15 атм (чтосоответствует температуре пара 200 °С), на современных паросиловых станцияхначали устанавливать котлы на 130 атм и более (температура около 500°С).
Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижатьтемпературу в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым.При очень низких давлениях плотность пара очень мала и при большом количествепара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины иконденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.
Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по путииспользования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающейконденсатор.
/>
Примерныйэнергетический баланс ТЭЦ
Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку илиозеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее дляпромышленных целей в химической или текстильной промышленности. Можно такжепроизводить расширение пара в турбинах только до давления 5—6 атм. Из турбиныпри этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промышленныхцелей.
Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей нетолько электрической энергией, полученной за счет механической работы, но и теплотой.Она называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энергетическийбаланс ТЭЦ представлен на рисунке.
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Перейдемтеперь к другим типам тепловых двигателей. Самый распространенный типсовременного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигателивнутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках,тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могутработать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе,сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкойиз дерева (газогенераторные двигатели).
Рассмотрим устройство четырехтактного бензинового двигателяавтомобильного типа. Устройство двигателей, устанавливаемых на тракторах,танках и самолетах, в общих чертах сходно с устройством автомобильногодвигателя.
Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один илинесколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива.Отсюда и название двигателя.
Устройство поршня двигателя внутреннего сгорания. Справа показано присоединение шатуна к поршню
Внутри цилиндра может передвигаться поршень. Поршень представляетсобой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящимикольцами 2, вло/> <td/> />женнымив канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — непропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнеми стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическимстержнем 3 /> <td/> />
(«пальцем»),служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою очередь служитдля передачи движения от поршня коленчатому валу 5.
Устройство карбюратора
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытымиклапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, черездругой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок,прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков,помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредствомстальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещаетсятак называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредствомэлектрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрическихприборов (магнето или бобины)./> <td/> />Весьмаважной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси— карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке. Если в цилиндреоткрыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозьотверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединеннойс поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемыйпри помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он какраз доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь принатекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 итем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя сбольшой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его(пульверизатор, § 182). Таким образом получается горючая смесь (пары бензина ивоздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7. Работадвигателя состоит из четырех тактов.
/>
Четыретакта работы двигателя внутреннего сгорания
I такт — всасывание. Открывается впускной клапан /, ипоршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.
II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень,двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
III такт — сгорание. Когда поршень достигает верхнегоположения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигаетсяэлектрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктовсгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передаетсяколенчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь,продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего ходадавление в цилиндре падает почти до атмосферного.
IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, иотработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.
Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатоговала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровыйдвигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергиикоторого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигателиставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. сцелью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть иболее цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайнеймере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надопривести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощиособого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).
/>
Схемаустройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля
Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособлениедля охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндровнаступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси идетонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имеющего место при нормальнойработе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительнодействует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой,отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует,омывая цилиндры 1. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизицилиндров и охлаждением в радиаторе 2. Это — система медных трубок, покоторым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается потоком воздуха,засасываемого при движении вентилятором 3.
Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенныедвухтактные двигатели.
Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ,являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса).С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требуетжидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощималую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работаеткарбюратор). Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям дляуменьшения частоты вращения (например, к зубчатой передаче).
Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Присматриваяськ условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания,мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровомдвигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны,источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакциягорения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны,имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера;она играет роль холодильника.
/> <td/> />Энергетическийбаланс автомобильного двигателя
Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутрицилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннегосгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практикек. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерныйэнергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.
Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателявнутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надоупотреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшимобъемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнеенагревается и получается более высокая температура во время горения смеси.Однако в двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более4—5-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течениевторого такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.
/>/>Этозатруднение обойдено в двигателе, сконструированном в конце XIX века Р. Дизелем(двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически показанона рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух.Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500—600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр вбрызгивается жидкое топливо.Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха,нагнетаемого компрессором[4].Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокойтемпературы, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никакихвспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегосязначительно дольше, чем горение смеси бензин — воздухв автомобильном двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затемпроизводится выбрасывание отработанных газов.
Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к.п. д. около 38 %). Он может иметь значительно большую мощность. Дизели ставятна судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольшихэлектростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает надешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Крометого, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях,когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизелиоказываются менее выгодными.
/>
Схемадвигателя Дизеля
Реактивныедвигатели. Реактивная струя создается реактивным двигателем, являющимся по существудвигателем внутреннего сгорания. На рисунке показана схема устройства одногоиз типов реактивных двигателей, устанавливаемых на самолетах. Двигательзаключен в цилиндрический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие)и сзади (выходное сопло). Воздух входит в переднее отверстие (это показанострелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных навращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя егопри этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскиваетсягорючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется, образуя газывысокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу,по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затемвырываются через сопло из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающиедвигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолетс силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.
Схемаустройства реактивного двигателя
Передача теплоты от холодного тела к горячему. Мыубедились на ряде примеров, что работа производится тогда, когда теплотапереходит от горячего тела (нагревателя) к холодному (холодильнику), причемхолодильник получает меньше теплоты, чем отдает нагреватель. Внутренняяэнергия нагревателя убывает не только потому, что он передает теплотухолодильнику, но также и потому, что производится работа.
Выясним, при каких условиях имеет место обратный процесс —передача теплоты от холодного тела к горячему?
Примером такого рода могут служить холодильные машины, применяемыев пищевой промышленности (для изготовления мороженого, для хранения мяса и т.п.). Схема устройства компрессорной холодильной машины является обратнойустройству паросиловой установки.
Она показана на рисунке. Рабочим веществом в холодильной машинеобычно служит аммиак (иногда углекислый газ, сернистый ангидрид или какой-либоиз галоидоводородов, получивших специальное название «фреоны»). Компрессор 1нагнетает пары аммиака под давлением 12 атм в змеевик 2 (он соответствуетконденсатору). При сжатии пары аммиака нагреваются, и их охлаждают в баке 3 проточнойводой. Здесь пары аммиака обращаются в жидкость. Из змеевика 2 аммиакчерез вентиль 4 поступает в другой змеевик 5 (испаритель), гдедавление около 3 атм.
Схемаустройства компрессорной холодильной машины
/> <td/> />Припрохождении через вентиль часть аммиака испаряется и температура понижается до—10 °С. Из испарителя аммиак отсасывается компрессором. Испаряясь, аммиак заимствуеттеплоту, необходимую для испарения, от окружающего испаритель соляного раствора(рассола). Вследствие этого рассол охлаждается примерно до —8°С. Таким образом,рассол играет роль холодного тела, отдающего теплоту горячему телу (проточнойводе в баке 3). Струя охлажденного рассола направляется по трубам вохлаждаемое помещение. Искусственный лед получают, погружая в рассолметаллические коробки, наполненные чистой водой./> <td/> />
Кромекомпрессорных холодильных машин, для бытовых целей применяют абсорбционные холодильныемашины, где сжатие рабочего газа достигается не при помощи компрессора, а путемабсорбции (поглощения, растворения) в подходящем веществе. Так, в бытовом холодильникекрепкий водный раствор аммиака (NH3) нагреваетсяэлектрическим током в генераторе 1 и выделяет газообразный аммиак, давлениекоторого достигает 20 атм. Газообразный аммиак после осушки (в осушителе, непоказанном на схеме) конденсируется в конденсаторе 2. Сжиженный аммиакпоступает в испаритель 3, где он вновь превращается в газ, заимствуя уиспарителя значительное количество теплоты. Газообразный аммиак абсорбируется(растворяется в воде) в абсорбере 4, где, таким образом, вновь образуетсякрепкий раствор аммиака, который перетекает в генератор 1, вытесняя оттудаобедненный (после выделения газа) раствор в абсорбер. Так осуществляется непрерывныйцикл, причем внутри охлаждаемого объема (шкафа) помещается испаритель (сильноохлаждаемый при испарении аммиака), а все остальные части расположены внешкафа.
Схемаустройства абсорбционной холодильной машины
Возникает вопрос, почему в конденсаторе газообразный аммиаксжижается, а в испарителе он испаряется, хотя температура испарителя ниже, чемтемпература конденсатора? Это достигается благодаря тому, что вся системазаполнена водородом при давлении около 20 атм. Когда нагревают генератор, то газообразныйаммиак выделяется из кипящего раствора, причем давление его доходит примерно до20 атм. Аммиак вытесняет водород из верхней части генератора и конденсатора виспаритель и абсорбер. Таким образом, аммиак в конденсаторе находится подсобственным высоким давлением и поэтому сжижается при температуре, близкой ккомнатной, в испаритель же жидкий аммиак попадает под низким парциальнымдавлением, а находящийся в испарителе водород обеспечивает нужное суммарноедавление, равное давлению в конденсаторе и других частях системы.
Смесь водорода и газообразного аммиака из испарителя переходит вабсорбер, где аммиак растворяется в воде, что вызывает нагревание раствора, аводород проходит сквозь теплый раствор и, нагревшись там, переходит благодаряконвекции в холодный испаритель. На место же растворившегося аммиака виспарителе испаряются его новые порции, вызывая дальнейшее охлаждениеиспарителя. Преимущество этой конструкции состоит в отсутствии движущихсямеханических частей. Циркуляция аммиачного раствора (между 1 и 4) и циркуляцииводорода (между 4 и 3) осуществляется за счет разности плотностей, обусловленнойразностью температур (раствор в 1 горячее, чем в 4, а водород в 4 теплее, чем в3).
Итак, чтобы осуществить передачу теплоты от холодноготела к горячему, нужно произвести работу внешней силой. При этом горячее телополучит не только то количество теплоты, которое отдано холодным телом, нотакже и то, которое эквивалентно произведенной работе.