ПРИНЦИП ПОДВОДА ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВОЙ ФОРМЕ К РАБОЧЕМУ ТЕЛУ

Рассматривая идеализированные циклы, мы не заостряли внимания на вопросах подвода энергии в тепловой форме к рабочему телу и отвода ее. Мы просто утверждали, что энергия подводится к рабочему телу в тепловой форме из окружающей среды и туда же отводится в тепловой форме на определенных этапах циклического процесса. Эта энергия как бы проходила через стенки расширительной машины (рис. 9.2), не претерпевая никаких воздействий со стороны этих стенок. В действительности на практике оказалось все совсем не так просто. Стенки расширительной машины имеют определенную толщину, через которые тепловая энергия не может быстро передаваться рабочему телу из окружающей среды и отводится от него.

Вся история человечества — это история получения и преобразования энергии. Создание тепловых машин требовало решения проблемы подвода энергии в тепловой форме к рабочему телу и отвода ее от него. Необходимо было решить проблему источника тепловой энергии. Человек делал некото­рые выводы из повседневной жизни, наблюдая за природными явлениями. Так он видел, что при сгорании дров предметы нагреваются, что позволяло заключить о наличии в дровах скрытой энергии в тепловой форме и приве­ло к созданию тепловых машин (паровых двигателей), в которых происхо­дило преобразование энергии из тепловой формы в механическую форму. В паровых котлах сгорали дрова (уголь) и выделялась тепловая энергия. В этих же котлах тепловая энергия подводилась к рабочему телу (водяному пару). Такие машины были громоздкими и малоэффективными, так как в них тепловая энергия к рабочему телу (водяному пару) передавалась через стенки теплообменного аппарата. Это замедляло процесс передачи энергии в тепловой форме. Чем меньше энергии передается рабочему телу в единицу времени, тем меньше ее в единицу времени преобразуется в механическую форму. Скорость работы (производительность) таких машин была низкой. Для повышения производительности этих тепловых машин приходилось увеличивать их размеры. При увеличении их размеров уве­личивалось количество тепловой энергии, передаваемой в котле рабочему телу через теплообменный аппарат. Этот теплообменный аппарат имел значительные размеры.

Проблему источника тепловой энергии решала не термодинамика, а химия. Было установлено, что в результате химического взаимодействия некоторых веществ с кислородом (окисления) выделяется большое количе­ство энергии в тепловой форме. Этот научный факт широко использовался в практической деятельности. Для отопления помещений и обеспечения первых тепловых машин (паровых двигателей) использовались дрова, а позднее — уголь. Вещества, выделяющие при окислении большое количе­ство энергии в тепловой форме, были названы топливом. Следовательно, древесина, уголь, спирт, бензин, метан — это топливо.

Изобретатели и инженеры поняли, что решать проблему источника теп­ловой энергии для теплового двигателя необходимо по следующей схеме:

• преобразовать энергию из химической формы в тепловую форму путем окисления вещества;

• преобразовать энергию из тепловой формы в механическую форму с помощью расширительной машины.

Увеличение потребности человечества в механической энергии привело к кризису в области тепловых машин, использующих котел для подвода энергии к рабочему телу в тепловой форме. Тем не менее, применение парового котла сыграло большую роль в становлении современных теп­ловых двигателей, так как он подсказал реальный путь решения проблемы источника тепловой энергии для двигателя. Чем больше размеры парового двигателя, тем больше потери в нем тепловой энергии. В паровых дви­гателях энергия в тепловой форме подводилась к рабочему телу в котле, а расширялось рабочее тело в расширительной машине, расположенной вне котла. По этой причине такие двигатели были названы двигателями с внешним подводом тепловой энергии к рабочему телу (пару).

Процесс окисления, например, сгорание дров в котле паровоза, происхо­дит относительно медленно. Это обусловлено тем, что дрова (целлюлоза) не могут одновременно вступить в реакцию окисления по всему объему. Пока не окислятся внешние слои дров, внутренние окислиться не могут. По этой же причине относительно медленно горит уголь. Для ускорения процессов преобразования энергии из тепловой формы в механическую форму необходимо было ускорить процессы подвода и отвода энергии в тепловой форме. С помощью дров и угля, находящихся в твердом состоянии, эту проблему решить было невозможно. Ее можно было решить, используя топливо, способное мгновенно окисляться кислородом и с такой же скоростью выделять энергию в тепловой форме.

Топливо может окисляться только кислородом. Это не является про­блемой, так как в воздухе содержится примерно 21% кислорода. Для окисления топливо должно находиться в газообразном состоянии, так как только в таком состоянии можно обеспечить мгновенное и одновременное поступление кислорода ко всем молекулам топлива, и реакция окисления топлива будет происходить одновременно по всему объему топлива. Таким условиям, естественно, в наибольшей степени удовлетворяет газообразное топливо (например, метан). Еще несколько веков назад был известен све­тильный газ, но существовала проблема его получения, транспортировки и удержания в сосудах. Газообразное топливо можно окислять непосред­ственно в цилиндре расширительной машины, так как после окисления оно не оставляет золы (в отличие от дров и угля).

Были попытки использовать в тепловом двигателе твердое топливо, которое должно было быстро сгорать в цилиндре расширительной машины. Например, с этой целью измельчали угольный порошок. Скорость сгорания угля резко увеличивалась, но угольный порошок все же оставлял золу, которую необходимо удалять за пределы расширительной машины.

С течением времени было открыто жидкое топливо нефтяного проис­хождения (продукт переработки нефти). Его было безопасно транспорти­ровать и хранить. При сгорании жидкое топливо практически не оставляло золы. Для сгорания оно достаточно просто могло быть доставлено в цилиндр расширительной машины (легко движется по трубопроводам раз­личной конфигурации). Тем не менее, жидкое топливо не решало проблемы источника тепловой энергии, так как горело относительно медленно. Это по-прежнему обусловлено тем, что в жидком состоянии не все молекулы топлива имеют доступ к кислороду, находящемуся в воздухе. Топливо окис­ляется только в слоях, непосредственно контактирующих с воздухом. Это можно реально наблюдать, например, зажигая бензин в ведре (рис. 10.1).

Из зависимости (9.78) видно, что при уменьшении продолжительно­сти рабочего цикла теплового двигателя при прочих равных условиях увеличивается количество механической энергии, отводимой от него в единицу времени, — мощность (производительность) теплового двигателя увеличивается. Процесс сжатия рабочего тела в цилиндре расширительной машины можно ускорить, но процесс расширения рабочего тела во многом зависит от интенсивности подвода энергии в тепловой форме. Следователь­но, необходимо увеличивать скорость подвода энергии в тепловой форме к рабочему телу.

Таким образом, быстрого подвода энергии в тепловой форме к рабочему телу жидкое топливо все же не обеспечивало, но топливо нефтяного происхождения оказалось способным легко испаряться, то есть переходить в газообразное состояние. Необходимо было только быстро осуществить такой процесс с помощью различных технических устройств. Такие устрой­ства, вначале весьма примитивные, а в последующем более совершенные, были вскоре созданы.

Топливо в газообразном состоянии легко перемешивается с воздухом, в котором имеется кислород. Такое смешение обеспечивает молекулам топлива одновременный доступ к молекулам кислорода. В результате этого реакция окисления (сгорания) топлива может происходить по всему пространству одновременно. Скорость выделения тепловой энергии в этом случае становится большой. Так, бензин в газообразном состоянии сгорает практически мгновенно.

Учитывая свойства топлива нефтяного происхождения, процесс его сгорания можно легко осуществить внутри расширительной машины теп­лового двигателя (рис. 10.2).

При движении поршня вниз в цилиндре расширительной машины воз­никает разрежение, так как увеличивается объем внутреннего простран­ства. Впускной клапан при этом открывается, в результате чего из-за разрежения внутрь цилиндра расширительной машины поступает смесь

Горючая Отработавшие Рис. 10.1. Сгорание бензина в Рис. 10.2. Конструктивная схема двига — открытом сосуде теля внутреннего сгорания

Бензина с воздухом. Бензин испаряется в специальном устройстве — карбю­раторе. В самой нижней точке, называемой нижней мертвой точкой (НМТ), скорость поршня на мгновение становится равной нулю. В этот момент впускной клапан закрывается, а поршень осуществляет движение вверх, сжимая горючую смесь. В результате сжатия давление и температура горючей смеси (в рассматриваемый момент она же является и рабочим телом) увеличиваются. Повышение температуры еще большее усиливает испарение бензина. В момент подхода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) с помощью специального внешнего устройства инициируется про­цесс окисления (сгорания) бензина. В процессе окисления бензина от воз­духа, находящегося в смеси с ним, отбирается кислород. Это означает, что при сгорании топлива рабочее тело претерпевает химическое изменение. В результате сгорания бензина происходит преобразование энергии из хими­ческой формы в тепловую форму. Эта энергия почти мгновенно передается рабочему телу, представляющему теперь уже некоторую смесь газов, обра­зующихся при сгорании топлива. Таким образом, процесс сгорания топлива (бензина) можно рассматривать как процесс передачи рабочему телу энер­гии в тепловой фюрме от некоторого высокотемпературного источника. В результате такого подвода энергии увеличивается усилие, приложенное к поршню со стороны рабочего тела. Эта сила равна произведению давления рабочего тела на площадь поршня. Под действием этой силы поршень перемещается вниз (к НМТ). Объем цилиндра увеличивается, а давление рабочего тела уменьшается. При расширении от рабочего тела отводится энергия в механической форме в окружающую среду. Некоторая часть ее накапливается в маховике (рис. 10.2).

Для замыкания цикла после процесса расширения должен последовать процесс сжатия рабочего тела. В процессе сжатия от рабочего тела необ­ходимо отвести часть энергии в тепловой форме в холодильник (низкотем­пературный источник тепловой энергии). Охлаждать рабочее тело через стенки цилиндра расширительной машины крайне трудно, хотя возможно. Конструкторы тепловых двигателей решили эту проблему весьма просто. В некоторый момент времени, когда поршень приходит в НМТ, процесс расширения прекращают, для чего открывают выпускной клапан. Рабочее тело покидает пределы расширительной машины. В дальнейшем криво­шип продолжает вращаться за счет накопленной маховиком механической энергии. При вращении кривошипа поршень поднимается вверх (к ВМТ), выталкивая из цилиндра отработавшее рабочее тело. В момент прихода поршня в ВМТ выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. Маховик продолжает вращаться, в результате чего поршень опускается вниз (к НМТ). В результате опускания поршня происходит всасывание новой порции горючей смеси (смеси бензина с воздухом). В момент при­хода поршня в НМТ впускной клапан закрывается, и происходит процесс сжатия горючей смеси (рабочего тела), так как поршень движется вверх (к ВМТ). Цикл повторяется. Таким образом:

1. В действительном цикле процесс подвода энергии в тепловой форме к рабочему телу осуществляется в результате сгорания топлива внутри цилиндра расширительной машины. Такие двигатели называют двига­телями внутреннего сгорания (ДВС).

2. Процесс отвода энергии в тепловой форме от рабочего тела в низко­температурный источник тепловой энергии заменяется выбросом рабо­чего тела в окружающую среду. Так как температура выбрасываемого рабочего тела превышает температуру вновь поступающего рабочего тела (горючей смеси), то смена рабочего тела в некотором смысле эквивалентна его охлаждению (отводу энергии в тепловой форме).

3. Действительный рабочий цикл теплового двигателя замыкается через окружающую среду, так как рабочее тело периодически выбрасывается в окружающую среду из расширительной машины и поступает в нее из окружающей среды.

4. В результате окисления топлива происходит химическое изменение рабочего тела. Новая порция кислорода, необходимого для окисления топлива, поступает вместе с новой порцией воздуха.

5. В цилиндре расширительной машины сначала происходит преобразова­ние энергии топлива из химической формы в тепловую форму (процесс окисления топлива), а затем из тепловой формы в механическую форму (процесс расширения рабочего тела).

6. Действительный цикл теплового двигателя является условно замкну­тым, так как его замыкание происходит в результате выброса рабочего тела в окружающую среду и поступления нового по составу рабочего тела.

7. Выброс отработавшего рабочего тела эквивалентен отводу некоторого количества энергии от него в тепловой форме, что требуется для замыкания цикла в соответствии со вторым законом термодинамики.

8. Впуск нового по составу рабочего тела (воздуха) в цилиндр расши­рительной машины обеспечивает поступление кислорода, необходимого для окисления топлива.

9. Для осуществления действительного циклического процесса в тепло­вом двигателе возникает необходимость осуществления дополнительных ходов поршня расширительной машины (рис. 10.2) с целью выпуска и впуска рабочего тела.

С научной точки зрения окисление топлива не является термодинами­ческим процессом, так как связано только с изменением состава рабочего тела. В дальнейшем сгорание топлива будет называться процессом только для указания факта подвода энергии к рабочему телу в тепловой форме.