Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 16 страниц)

Новая наука

О чем же размышлял Карно? В чем значение и сила его мыслей?

Еще в 1784 году, когда появилась паровая машина Уатта и новый универсальный тепловой двигатель дал толчок дальнейшему развитию промышленности, отец Сади, Лазарь Карно, писал: «Заметьте, какое количество ручной работы может быть сбережено в промышленности, когда будут лучше знать теорию тепла. Я имею основание думать, что эта теория произведет изумительный переворот в промышленности…».

Прошло четыре десятка лет, и Сади Карно, восприняв от отца глубочайший интерес к теории тепловых двигателей, своей работой положил начало этому изумительному перевороту.

К 1824 году паровая машина прочно вошла в жизнь. Она приводила в движение фабричные машины, пароходы и паровозы. Указывая на столь важное значение, которое приобрела в промышленности и на транспорте паровая машина, Сади Карно отмечал ее несовершенство как теплового двигателя. Ведь только 4–5 % всего тепла, которое выделяется при сгорании угля в топке парового котла, используется для полезной работы! Остальные 95–96 %, то есть почти всё тепло, теряется: излучается в атмосферу, уходит с топочными газами, уносится отработавшим паром…

Но почему? Неужели нельзя построить тепловой двигатель с более высоким тепловым, или – как говорят инженеры – термическим КПД, где бы использовалось значительно больше тепла для полезной механической работы?

А может быть, есть способ превращения всей выделяющейся при сгорании топлива теплоты в работу?

На эти вопросы наука, как замечает Карно, еще не могла дать ответа. И это потому, что ученые еще не определили те общие законы, которым подчиняется процесс перехода тепла в механическую энергию.

Мало совершенствовать устройство самой машины, надо поставить вопрос относительно тепловых двигателей вообще.

И Сади Карно сам впервые поставил этот вопрос о тепловых двигателях вообще.

На примере паровой машины Сади Карно заключил, что «во всех паровых машинах получение движения связано с одним обстоятельством, на которое нужно обратить особое внимание. Это восстановление теплового равновесия, то есть переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой».

…Продрогнув на морозе, вы подходите к только что натопленной печи. Прижавшись холодными ладонями к гладким печным изразцам, вы с наслаждением ощущаете, как медленно начинает разливаться тепло по всему вашему телу. Но вот, простояв пятнадцать-двадцать минут, вы почувствовали себя согревшимся, а печка вам стала казаться уже остывшей. Вдумаемся, – почему печка нагрела вас, а не вы печку? Ведь ваше тело также может передать какое-то количество– тепла, но почему же это тепло не передалось печке, а вот тепло от печки вас согрело? Оказывается, тепло может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Когда температуры обоих тел выравниваются, – наступает тепловое равновесие.

Точно такое явление мы наблюдаем и при переходе, скажем, воды с одного уровня на другой. С нижнего уровня вода не может сама подняться на верхний, а вот падать сверху вниз она может, да при этом еще и работу произведет, если ее падение будет использовано, например, гидротурбиной. И чем выше находится верхний уровень над нижним, тем больше работы произведет падающая вода.

То же самое можно сказать и о тепле. Если тепло, совершая работу, будет переходить от верхнего температурного уровня к нижнему, то, чем эта разница уровней окажется больше, тем большую работу можно получить от того же количества тепла.

Как переход воды от верхнего уровня к нижнему можно использовать для получения механической работы? На пути потока воды ставится водяное колесо или гидротурбина.

А как можно превратить тепло в механическую работу? Надо при переходе тепла от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой поставить на его пути какое-либо устройство, где часть этого переходящего тепла использовалась бы для расширения газа, двигающего поршень.

Ведь то тепло, которое перешло от печки и согрело человека, никакой механической работы не совершило. Это был процесс простой теплопередачи.

А представьте себе другой случай. Вы купили в зимний день цветной воздушный шар. Придя домой, вы привязали этот шар возле печки и забыли о нем. Но вскоре он сам напомнил о себе, – раздался сильный хлопок, напоминающий выстрел, и вместо шара вы увидели жалко болтающиеся на бечевке лоскутки пузыря. Шар лопнул. Тепло, переходившее от печки к холодному шару, постепенно нагревало его. При этом заключенный внутри шара воздух нагревался тоже, а при нагреве все газы, как вам известно, расширяются. Но расширению воздуха препятствовала оболочка. Давление воздуха стало повышаться, оболочку начало распирать, пока она не лопнула. Таким образом, здесь тепло, переходящее от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой, было частично использовано для механической работы – разрыва оболочки шара.

Следовательно, всякая машина, где тепло превращается в механическую работу, то есть всякий тепловой двигатель, должен иметь два температурных уровня: верхний (источник тепла) и нижний (охладитель), а кроме того, в такой машине должно находиться вещество, способное изменять свой объем от нагрева и охлаждения и тем самым превращать тепло в механическую работу, например двигая поршень в цилиндре. Таким веществом может быть любой газ или пар, и называется это вещество «рабочим телом».

Вот Сади Карно как раз первый и указал на то, что в основе работы любого теплового двигателя лежит разность в температурном уровне рабочего тела (которым не обязательно должен быть пар, – об этом тоже впервые сказал Карно) до входа в цилиндр машины и после выхода из него. Чтобы наибольшая доля затраченного на нагрев тепла превратилась в работу, необходимо:

1) с помощью источника тепла с возможно более высокой температурой нагревать при этой температуре рабочее тело;

2) при нагреве заставить рабочее тело расширяться и совершать работу (например, позволив ему двигать поршень в цилиндре);

3) отводить от рабочего тела тепло охладителем, температура которого должна быть как можно ниже;

4) расширение продолжать без нагрева до тех пор, пока температура рабочего тела не снизится до температуры охладителя.

В паровую машину можно впустить пар разной температуры. Чем выше начальная температура, тем больше работы пар производит. Внутри цилиндра паровой машины пар будет толкать поршень и сам расширяться. Но, расширяясь, он, во-первых, постепенно будет уменьшать свое давление на поршень, во-вторых, он также постепенно будет и охлаждаться.

Заметим, что все газы при сжатии повышают свою температуру, а при расширении снижают. Наверно, накачивая велосипедным насосом шину, вы замечали, что насос начинает нагреваться. Это происходит как раз потому, что вы многократно сжимаете воздух внутри насоса. С другой стороны, если вы дотронетесь до трубки, выходящей из баллона, в котором содержится сжатый газ, в тот момент, когда газ выпускают, – вы ощутите, как трубка холодеет. При выходе из баллона газ расширяется и температура его при этом падает.

Вернемся к цилиндру паровой машины.

Итак, расширившийся пар снизил свою температуру и свое давление. Очевидно, если удастся пар расширить, как говорят, глубже, до очень малых давлений, а следовательно, и температур, то работу этот пар произведет большую. Вот почему полезно ставить за паровой машиной конденсаторы. Снижая температуру выходящего пара до температуры, близкой к температуре охлаждающей воды, стало возможным получить очень малое давление в конденсаторе, равное 0,04 атмосферы. При этом в цилиндре паровой машины образуется тоже низкое конечное давление, при котором пар и поступает в конденсатор.

Как и указывал Карно, понижение температуры пара на выходе, осуществленное с помощью конденсатора, привело к лучшему использованию тепла. Паровые машины с конденсатором стали обладать более высоким коэффициентом полезного действия.

В современной паровой технике дальше понижать нижний температурный уровень уже затруднительно. И так в конденсаторе образуется почти пустота (0,04 атмосферы!). Поэтому сейчас обращено особое внимание на повышение начальных давлений и температур пара.

Оба эти пути, указанные Карно, помогли совершенствовать паровую машину. Но, кроме того, в размышлениях «отца термодинамики» содержались очень важные мысли и о том, как лучше подводить тепло к рабочему телу, как лучше расширять рабочее тело, как лучше отводить от него тепло на нижнем температурном уровне и как лучше вновь подготавливать рабочее тело к расширению. Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, при котором во время перехода от верхнего температурного источника к охладителю тепло превращалось бы в максимально возможное количество механической работы и не терялось бы на теплообмен с окружающей средой.

Познакомимся же с этим идеальным циклом Карно, так как к нему стремятся приблизить циклы всех тепловых двигателей. По тому, как далеко отклоняется процесс превращения тепла в механическую работу в данном двигателе от процесса, предложенного Карно, судят о термодинамическом совершенстве такого двигателя.

Так можно было бы осуществить работу теплового двигателя по идеальному циклу, предложенному Карно.

Представим себе цилиндр с нагруженным поршнем. Грузом является песок, насыпанный в чашу. Внутри цилиндра находится «рабочее тело» – какой-либо газ.

Допустим, что стенки цилиндра и поршень сделаны из такого материала, который не пропускает тепло. Через донышко же цилиндра, которое сделано из теплопроводного материала, можно газ нагревать или охлаждать. Предположим далее, что у нас имеется два чугунных ящика с плитами. В первый ящик положены горячие угли, и плита нагрета до температуры T₁. Во второй ящик положены куски льда, и плита охлаждена до температуры Т₂. Подведем под цилиндр горячую плиту. Через некоторое время газ нагреется до температуры плиты T₁ и займет некоторый начальный объем в цилиндре: поршень с полным грузом окажется на высоте I. Предположим, что вдоль вертикального движения чаши с песком поставлена колонка, разделенная полочками на ячейки. Сбросим в ячейку 1 немного песку. Поршень станет легче, и газы его приподнимут до полочки 2. При этом произойдет небольшое расширение и, следовательно, охлаждение газа; но, добавив немного угля в нашу жаровню, мы опять установим температуру Т₁. Затем то же самое проделаем вновь – поршень поднимется до полочки 3, и так далее. Достигнув уровня, например, полочки 7, мы отведем горячую плиту, закроем донышко, чтобы не уходило из цилиндра тепло, и сбросим песок, не добавляя нового тепла. Поршень дойдет до полочки 8, но газ, теперь уже расширившись, несколько охладится, так как добавки тепла не поступает. Чтобы достигнуть полочки 9, нам придется сбросить на полочку 8 больше песка, чем сбрасывалось раньше, так как вместе с расширением и охлаждением начало значительно снижаться и давление газа. Достигнув полочки 9, мы сбросим вновь много песка. До полочки 10, где стоит упор верхнего крайнего положения, поршень дошел с небольшим грузом.

Первая часть расширения и работы газа по подъему поршня шла при неизменной температуре, равной температуре горячего источника. Такой процесс расширения называется в термодинамике «изотермическим» (при постоянной температуре). После того, как мы отняли горячий источник, расширение продолжалось, но без приема и без отдачи тепла (стенки изолированы). Такой процесс расширения называется адиабатическим.

Так мы совершили ход поршня вверх. Но всякая тепловая машина только тогда сможет стать двигателем, когда рабочее тело будет, совершив работу, возвращаться вновь в исходное состояние. Или, иными словами, тепловой двигатель должен работать по «замкнутому циклу», то есть непрерывно повторять расширение и сжатие рабочего тела.

Как же следует в нашем случае вернуть рабочее тело к исходному состоянию?

Предположим, что к концу расширения газ в цилиндре как раз охладился до температуры охладителя Т₂. Поставим цилиндр на холодную плиту и немного ссыплем на чашу поршня с полочки 10 песку. Поршень станет тяжелее, и газ слегка сожмется. При этом температура газа начнет подниматься. Но охладитель не дает расти температуре, отводя какое-то количество тепла от газа. Затем с полочки 9 мы еще немного ссыплем на поршень песку – поршень спустится до полочки 8, а газ по прежнему останется при температуре Т₂, отдавая излишнее тепло охладителю. Так мы совершим «изотермическое» сжатие, нагружая небольшими порциями песка поршень. Но вот, достигнув полочки 4, мы отведем холодную плиту, закроем донышко и станем насыпать большими порциями песок. Теперь газ начнет сжиматься, повышая свою температуру, так как тепло никуда отводиться не будет. Нам придется с нижних полочек вновь насыпать полную чашу песка, и только тогда мы вернем поршень в начальное положение I, подняв температуру газа до T₁ и давление газа до его первоначального значения. Круг замкнется – цикл будет совершен. Начав от положения I, мы заставили поршень подняться до положения II и вновь вернуться в положение I.

Но в чем будет состоять полезная механическая работа, которую в этом случае мы получаем от тепла? Ведь, начав с полной чаши песка, мы вновь пришли к ней же!

Дело в том, что в результате такого цикла газ совершил полезную работу переноса песка снизу вверх: при изотермическом расширении надо немного песка ссыпать, а при изотермическом сжатии надо немного песка насыпать, и в результате на верхних полочках скапливается всё больше и больше песка, а на нижних песок убывает.

Этот цикл, с которым мы только что познакомились, осуществляется как раз так, как рекомендовал Карно: подводить тепло к рабочему телу надо изотермически, и рабочее тело должно при этом расширяться, совершая работу. Заканчивать свое расширение рабочее тело должно адиабатически, не передавая накопленное тепло через стенки цилиндра окружающей среде. Возвращать рабочее тело в исходное состояние надо, тоже вначале сжимая изотермически, отводя при этом тепло в охладитель, а затем заканчивая сжатие адиабатически.

Тогда, указывал Карно, тепло будет наилучшим образом использовано, а коэффициент полезного действия теплового двигателя будет зависеть только от разности температурных уровней.

В реальных тепловых двигателях, как мы дальше увидим, трудно выполнить цикл, похожий на этот, да и сам Карно не ожидал, что удастся точно так заставить работать паровую машину или другой двигатель. Но чем больше будет похож процесс в двигателе на цикл Карно, тем лучше он будет использовать тепло.

Можно ли всё тепло сгорания топлива использовать в тепловом двигателе? Нет. Даже в идеальном цикле Карно часть тепла отдается охладителю.

В большинстве тепловых двигателей совершает работу не один и тот же заряд рабочего тела. Пар, поступивший в цилиндр паровой машины, совершив работу, покидает этот цилиндр, а на его место при новом ходе поступит новый пар. Это обстоятельство также отличает реальные двигатели от идеального, но и тут остаются в силе главные направления, указанные Карно. Следуя этим направлениям, паровая техника к концу XIX века сделала огромные успехи.

Новая наука положила основу совершенствованию не только паровых машин, но и всех тепловых двигателей на многие десятилетия вперед, вплоть до наших дней.

Что же касается паровых машин, то к началу XX века уже стали строить паровые машины мощностью в 6–8 тысяч лошадиных сил, в то время как сто лет тому назад – к началу XIX века, во времена Уатта, машины строились лишь до 50 лошадиных сил. Паровая машина XX века использовала пар высокого давления и высокой температуры, была значительно экономичней первых машин и при большой мощности была сравнительно небольших размеров.

«Была? Почему была, а сейчас разве не строят паровых машин?» – спросите вы.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется снова вернуться в XIX век и проследить за появлением еще одного теплового двигателя – паровой турбины.

Глава III. Двигатель тепловых электростанций

От молочного сепаратора к паровой турбине

Идея Герона Александрийского, так же как и проект Джиованни Бранка, к началу XIX века вновь привлекла к себе внимание инженеров и изобретателей. Большинство рабочих машин требовало от двигателя вращательного движения.

Казалось заманчивым попытаться использовать энергию пара для получения механической работы не в поршневой машине, где приходится возвратно-поступательное движение поршней превращать во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма, а в машине-турбине, где пар должен, выходя из котла, сразу создавать вращательное движение рабочего колеса.

Пытались повторять «Геронов шар», используя реактивное действие струи пара, пытались предлагать двигатели, очень напоминающие колесо Бранка, где имеется в виду использование активного действия струи пара, – множество всяких проектов появлялось.

За первые две трети XIX века насчитывают более двухсот предложений паровых турбин. Но ни один проект не мог быть практически осуществлен, – еще не знали, как правильно рассчитывать такие турбины, какие формы придавать лопаткам и каналам, направляющим пар на лопатки. Слишком большие скорости вращения, большие диаметры колес, повышенные требования к материалам затрудняли применение таких двигателей на практике.

Паровая турбина интересовала и русских изобретателей. Одним из первых – в 1806–1813 годах – Поликарп Залесов сооружал на Алтайском Сузунском заводе модели паровых турбин. Однако эти начинания, как и многие другие, не получили нужной поддержки в царской России.

Первой турбиной, которую можно было практически использовать, была турбина, построенная шведским инженером Лавалем в 1890 году.

Карл-Густав-Патрик де Лаваль принадлежал к старинной французской семье, переехавшей в Швецию еще в конце XVI века – в тот темный период, когда господствующие религии не стеснялись огнем и мечом подавлять своих «братьев во Христе», имеющих несколько отличные религиозные взгляды. Учинив невиданную резню в ночь на святого Варфоломея, французские феодалы-католики сломили сопротивление своих религиозных противников – гугенотов. Оставшиеся в живых поспешили покинуть Францию. Так семья Лавалей оказалась в Швеции.

Будущий изобретатель первой промышленной паровой турбины родился в 1845 году.

Лаваль получил хорошее, разностороннее образование, окончив два высших учебных заведения: технологический институт и университет.

Обладая широким техническим кругозором и нужными математическими знаниями, Лаваль с первых же дней своей практической деятельности посвятил себя разработке новых машин и устройств, совершенствующих самые различные области техники.

Интересно отметить, что свои работы по созданию турбины Лаваль начал с конструирования сепаратора молока. Чтобы сообщить сепаратору большую скорость вращения, Лаваль применил способ Герона, – через две отогнутые трубки выходил пар, отчего эти трубки вместе с цилиндром сепаратора быстро вращались.

Далее Лаваль стал совершенствовать турбину и в конце концов отошел от реактивного принципа Герона и построил свою первую промышленную турбину на активном принципе Бранка. Однако, обладая глубокими инженерными знаниями, Лаваль, естественно, не пошел по примитивному пути Бранка.

Рабочее колесо турбины Лаваля с четырьмя пароподводящими трубками – соплами.

Лаваль изучил, как лучше всего направлять пар на лопатки, используя его скорость; он разработал новый вид направляющих трубок-сопел, придав им специальную коническую форму. При таких соплах пар мог выходить на колесо турбины с огромной скоростью, превышающей скорость звука.

Рабочий диск турбины Лаваля имел по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкали четыре неподвижные трубки, по которым пар подводился из котла к лопаткам. Трубки эти и называются «соплами». Выходящий с огромной скоростью (свыше километра в секунду) пар передавал свою кинетическую (скоростную) энергию колесу, заставляя последнее вращаться с большим числом оборотов.

Так, первая турбина Лаваля при мощности в 5 лошадиных сил развивала 30 000 оборотов в минуту.

Паровые поршневые машины давали большие мощности и лучший КПД при более низких оборотах (от 125 до 1500 оборотов в минуту), которые как раз и нужны были для привода рабочих машин. Поэтому первая турбина Лаваля еще не могла с ними конкурировать. Но изобретатель упорно работал над своим двигателем, и через десять лет он уже стал строить турбины до 500 лошадиных сил при 10 000 оборотов в минуту. А чтобы и эти обороты снизить до оборотов рабочих машин, Лаваль пристраивал к своим турбинам редуктора, то есть шестеренчатые передачи, которые постепенно от вала турбины до выходного рабочего вала понижали скорость вращения.

Однако и после этого турбина еще не могла конкурировать с паровой машиной, – одноступенчатая турбина с редуктором была громоздка, дорога и обладала низким КПД.

Итак, Лаваль, начав свои работы с использования реактивного принципа Герона, пришел к конструкции турбины активного действия.

Уясним еще раз, в чем отличие двух этих принципов использования пара в турбине для получения механической работы вращения.

Подойдем к биллиардному столу. Вот игрок нацелился и кием отправил один из шаров так, что тот, быстро разогнавшись, ловко коснулся другого шара. Второй шар, получив толчок, сам покатился. При этом первый шар, отдав часть своей кинетической (скоростной) энергии второму шару, стал замедлять движение. Похожее явление наблюдается и при поступлении пара на лопатки колеса активной турбины. К соплам пар подводится из котла под некоторым давлением. Проходя сопла, пар расширяется в них и приобретает большую скорость. Обладая этой большой скоростью, струя пара, состоящая, в сущности, из множества мельчайших частичек-шариков, встречается с выгнутыми в виде совочков лопатками подвижного колеса. Скользнув вдоль вогнутой поверхности лопаток, струя отдает часть своей кинетической энергии колесу и затем покидает турбину. Вслед за первой струей на лопатки поступит сразу же следующая, и колесо получит непрерывное вращение. Таков принцип работы активной турбины.

…Подойдем теперь к артиллерийскому орудию и проследим, как оно себя ведет в момент выстрела. Вот артиллерист зарядил орудие снарядом, навел его на цель и нажал спускной рычаг. Прогремел выстрел – снаряд устремился вперед. Но и орудие не осталось неподвижным. Вы заметили, как оно вздрогнуло во время выстрела, а затем казенная часть и ствол откатились немного назад по специальным направляющим дорожкам. Взорвавшийся порох стал давить внутри ствола во все стороны. Но снаряд вылетел – и тогда в передней части ствола стенки не оказалось, – газ стал выходить, а в задней части стенка восприняла давление, и орудие откатилось. Получилось впечатление, что газ, вылетая вслед за снарядом, как бы отталкивается от стенки затвора, отводя при этом орудие назад. То есть, происходит примерно так же, как если бы с плота прыгал человек: человек прыгнул бы вперед, а плот оттолкнулся бы назад. Такое действие называется реактивным.

Именно на этом принципе, как вы уже знаете, и работает Геронов шар. Пар, выходя из трубок шара, отталкивает эти трубки, вследствие чего весь шар получает вращение. Но не только Геронов шар, который так и остался игрушкой, но и настоящие двигатели работают на этом принципе.

Совершенствование паровой турбины пошло как по линии использования активного действия пара, так и по линии применения реактивного принципа.

После первых успехов Лаваля турбиной стали заниматься во многих странах, и постепенно, шаг за шагом, инженеры всё больше и больше совершенствовали новый двигатель.