Реферат: Тепловые двигатели

и их применение

Условия, 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/кг

Керосин

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

/> <td/> />
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.