ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Работа всех механических тепловых двигателей включает четыре основных процесса (стадии):

1) компрессия (сжатие);

2) подвод тепла;

3) расширение,

4) отвод тепла.

На рис. 3.4 показаны эти четыре процесса, происходящие в двигателе, рабо­тающем по замкнутому циклу Ренкина. В этом случае процесс расширения про­исходит в турбине или в специальных поршневых механизмах, применявшихся на первых железнодорожных локомотивах.

Рис. 3.4. Четыре стадии цикла Ренкина. При замкнутом цикле сконденсированное рабочее тело снова подается на вход

Паровые двигатели начала XX в. имели эффективность менее 10 %. В результате количество отводимого тепла было огромным: около 9 Дж на каж - ■ їй джоуль полезной работы [см. уравнение (7)].

Для того чтобы не использовать громоздкие конденсаторы, на таких локомоти­вах применялся сброс пара непосредственно в окружающий воздух (рис. 3.5)

В машинах открытого цикла используемая вода не возвращается обратно в цикл. Поэтому в паровозах требовался большой запас воды, который периоди­чески пополнялся на железнодорожных станциях. Размер водяного бака огра­ничивался лишь размерами самого локомотива.

Теплота должна быть подведена в цикл от внешнего источника. Так, напри­мер, в цикле Ренкина используется внешнее сжигание топлива.

Другим примером двигателей открытого цикла является турбина, работающая по циклу Брайтона с внутренним сжиганием топлива, которая нашла широкое применение в авиации (рис. 3.6).

Примеры двигателей, работающих по замкнутому циклу:

паровой двигатель, работающий по циклу Ренкина, двигатель Стирлинга.

Примеры двигателей с открытым циклом:

двигатель Отто (с искровым зажиганием),

двигатель Дизеля (с поджигом топлива за счет компрессии),

двигатель с открытым циклом Брайтона.

Для цикла Ренкина характерно то, что рабочее тело претерпевает изменение агрегатного состояния (пар-жидкость). При этом рабочие тела могут быть раз­личными. Для работы при очень низких температурах (например, когда темпера­тура нагрева составляет всего 25 °С, как при использовании океанской тепловой

энергии) в качестве рабочего тела может применяться аммиак. Для работы при меренных температурах, например в случае использования солнечных нагре - ателей, можно применять фреоны. В паровых машинах, работающих по циклу Ранкина на традиционных электоостанциях, где сжигается ископаемое топливо, рабочим телом служит вода, хотя, возможно, эффективнее было бы использо - ать более опасную ртуті Паровые двигатели не применяются в автомобилях из-за того, что они нуж­даются в громоздком конденсаторе или в баке с водой. Брайтоновские турбины открытого цикла выводят тепло вместе с рабочим телом и не требуют дополни­тельных устройств для отвода тепла, в результате чего их применяют в авиации. Двигатели, использующие в качестве рабочего тела газ, имеют несколько мо- -фикаций (табл. 3.4). Важнейшей особенностью газовых двигателей является. что для получения высоких значений КПД требуется обеспечить высокие степени сжатия рабочего тела.

В газовых турбинах могут быть два типа компрессоров: осевые и радиальные шентробежные). Ступень центробежного компрессора может обеспечить сте - ень сжатия около 3:1. Поэтому для получения степени сжатия 9:1 потребуется с пользовать две ступени. Недостатком такого типа компрессоров является от - юсительно невысокая эффективность, которая снижается с увеличением числа к следовательно установленных ступеней. Это связано с тем, что в радиальных • мпрессорах требуется изменять направление потока газа при перепуске шгз одной ступени в другую, что сопряжено с высокими газодинамическими герями: значительная часть энергии входящего потока теряется при вих­ре эбразовании.

Осевые компрессоры имеют небольшую степень повышения давления в сту­пи (около 1,2 1), Однако этот недостаток компенсируется последовательной Ьновкой нескольких ступеней с малыми газодинамическими потерями. Так, лшационный газотурбинный двигатель «Тупе» производства компании Rolls - Ro. ce имеет суммарную степень повышения давления 13,5:1. Компрессор этого - лгателя состоит из 15 ступеней, средняя степень повышения в каждой из ко - ых 1,189:1. В случае осевого компрессора потери при переходе потока между пенями минимальны, поскольку выходящий из одной ступени поток сразу поступает в последующую без изменения направления. Одним из недостат - в использования осевых турбин является снижение их эффективности при еныпении габаритных размеров турбины, что обусловлено увеличением по - >ь. связанных с перетеканием потока через радиальный зазор между лопатками корпусом турбины. По этой причине в газотурбинных двигателях небольшой шности, работающих по циклу Брайтона, используют, как правило, радиаль - компрессоры.

Газовые турбины в перспективе можно будет эффективно применять сов­местно с твердооксидными топливными элементами: горячий газ из топливных элементов может быть направлен в газовую турбину для дополнительного сра­батывания его температурного потенциала.

В двигателях, работающих как по циклу Ренкина, так и по циклу Брайтона, каждый из четырех процессов протекает в отдельном устройстве. Компрессор обеспечивает сжатие рабочего тела, турбина — расширение, а подвод теплоты производится в специальной камере сгорания. Таким образом, в этих двигателях можно отдельно проводить оптимизацию каждого из элементов.

В двигателях Отто и дизельных двигателях все основные процессы, за ис­ключением отвода тепла, происходят в одном устройстве (цилиндре). Отвод же теплоты осуществляется в отдельном устройстве. Такая многофункциональность работы цилиндра требует поиска компромиссов в оптимизации всех процессов для получения наибольшей суммарной эффективности.

В то время как в двигателях Ренкина и Брайтона горение осуществляется в непрерывном режиме в камере сгорания, в двигателях Отто и Дизеля оно проис­ходит периодически. При этом, в связи с тем что длительность отдельных про­цессов крайне мала, возможно иметь достаточно высокую температуру горения. Кроме того, теплота сгорания выделяется непосредственно в рабочем теле, а не подводится через теплообменники, что дает несомненное преимущество двигате­лям с внутренним сгоранием по сравнению с двигателями внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, про который более детально будет рас­сказано в конце этой главы, хотя и был разработан давно, но не нашел пока широ­кого применения. По крайней мере, теоретически этот двигатель имеет достаточно большую по сравнению с остальными типами двигателей расчетную эффективность. Он является экологически более чистым, чем двигатель Отто, из-за того что сгорание происходит вне его. Кроме того, поскольку в двигателе Стирлинга не происходит взрывного сгорания, он работает плавнее и бесшумнее других двигателей. Несмотря на то что в данном двигателе используется замкнутый цикл, в связи с высоким КПД двигателя не требуется установки сложного теплоотводящего оборудования.

Цикл Стирлинга сегодня находит практическое применение в холодильной -- :нике. И поскольку его рабочими телами являются гелий, водород или воздух, • спличие от фреоновых холодильных машин он является экологически более - Ч опасным.

Сравнительные характеристики наиболее популярных тепловых механических s.-гателей приведены в табл. 3.5.