Использование тепла в турбине

Получить непосредственно механическую или электрическую энергию путем сжигания топлива не так просто. Можно сказать, что наиболее прямым путем механическая энергия получается из тепла топлива только в двигателях внутреннего сгорания, где топливо сгорает непосредственно в цилиндре двигателя. Во всех же паровых установках за счет сгорания топлива в топках котлов получается водяной пар под большим или меньшим давлением, который затем и работает, сообщая движение поршню паровой машины или вращая ротор турбины. Пар является в турбинах, как принято говорить, рабочим телом, от его поведения зависит вся работа турбины. Поэтому придется несколько коснуться свойств пара.

Свойства водяного пара известны из физики. Поэтому подробно их излагать не будем, напомним лишь то, что нам сейчас наиболее важно.

Если мы нагреваем воду, передаем ей тепло, то движение молекул воды ускоряется. Это заметно по повышению температуры воды. Тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, передается воде. Этот запас тепловой энергии можно использовать, например, применяя нагретую воду для отопления помещений.
Нагревая воду дальше, можно довести ее до кипения. В кипящей воде запас энергии будет больше, чем в не доведенной до кипения. Если нагревать закипевшую воду, то температура ее не поднимется. Куда же девается дополнительно подводимое тепле? Оно расходуется на испарение воды и уносится с паром. Образующийся при этом пар называется насыщенным.

Закроем сосуд с кипящей водой и будем по прежнему его подогревать. Так как сосуд теперь закрыт, тепло уноситься с паром не может; значит, оно остается здесь же, и закрытом сосуде, скапливается там. Это накопление тепла будет выражаться в том, что вследствие продолжающегося испарения воды давление в сосуде будет увеличиваться, а температура еще не испарившейся части воды повышаться. Если сосуд достаточно прочен и его не разорвет увеличивающимся давлением пара, то вся вода в нем испарится и сосуд окажется заполненным только паром. В этом паре будет заключена вся тепловая энергия, израсходованная на нагрев воды и ее последующее испарение. Она там запасена, скована и ничем не проявляет своей силы.

Такой пар в сосуде, находящийся даже под большим давлением и обладающий, следовательно, большим запасом энергии, сам никакой работы совершить не может. Заключенная в нем энергия — потенциальная; она может совершить работу, но не совершает, это запас, склад энергии. Она как вода в высоко поднятом резервуаре: чтобы ее энергия проявилась, надо этой воде дать выход. Тогда за счет запаса потенциальной энергии вода получит при выходе большую скорость, и ее струя будет совершать работу: вращать водяную турбину, размывать землю и т. д. Потенциальная энергия воды перешла в так называемую кинетическую энергию — энергию быстро движущейся воды. Это уже «активная» энергия, она непосредственно совершает работу.

То же самое происходит и с паром. Если дать ему выход из сосуда, где он находится под давлением, пар будет выходить с большой скоростью и шумом. Заметим, что потенциальная энергия пара, заключенного в сосуде, переходит в этом случае в кинетическую энергию быстро- Движущейся струи и, кроме того, вызывает шум, т. е. перешла частично в энергию колебаний воздуха.

Уже из приведенного примера видно, что превращение энергии может быть полезное и бесполезное, и в результате получится или не получится нужная нам работа. Очевидно, что если мы пар, полученный в сосуде ценой расхода топлива, просто выпустим в воздух, то никакой полезной работы при этом не получится; будет вызван некоторый нагрев воздуха, его движение, шум и ничего больше. Чтобы рационально использовать энергию быстро движущейся струи пара, нужны специальные устройства.

Что будет, если пар, выходящий из нашего сосуда, мы будем еще подогревать? А это можно легко сделать, пропуская, например, пар по трубкам, нагреваемым снаружи. Переход дополнительного количества тепла топлива в пар будет выражаться в повышении температуры пара, в увеличении его теплосодержания, т. е. запаса потенциальной энергии. Такой пар называется перегретым. Его температура может быть любой, т. е. не зависит от давления. Напомним, что температура насыщенного пара зависит от давления и всегда строго ему соответствует. Благодаря многим выгодам для получения механической энергии в настоящее время всегда используют перегретый пар.

В паровой машине пар совершает механическую работу тем, что давит на поршень и заставляет его двигаться, преодолевая сопротивления и совершая полезную работу. При таком действии пара для’ совершения механической работы непосредственно используется заключенная в нем потенциальная энергия. Как же используется заключенная в паре энергия в паровой турбине?

Принципиальная разница между паровой (поршневой) машиной и турбиной заключается в том, что в первой, как сказано, для получения механической работы непосредственно используется потенциальная энергия пара, а в частности его давление. В турбине же потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, т. е. в энергию быстро движущейся струи пара, которая и используется для вращения ротора турбины.
Оказывается, что такой способ использования пара дает огромные преимущества. Эти преимущества обусловили широчайшее распространение паровых турбин в качестве мощных, быстроходных двигателей.
Из сказанного о порядке использования пара в турбине можно сразу же сделать вывод, что для экономичного получения таким способом механической энергии важно правильно произвести:

1) превращение потенциальной энергий пара в кинетическую, т. е. заставить пар весьма быстро двигаться,
2) использование кинетической энергии быстро движущегося пара для вращения вала турбины.

То и другое исключительно важно в работе турбины. Турбина — это машина, осуществляющая расширение пара, используя при этом образующуюся кинетическую энергию быстро движущегося пара для вращения ротора турбины.

Как правильно и экономично произвести оба эти превращения — это основная задача теории паровых турбин.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

двадцать + 12 =