Со времён паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и совокупность технических решений по их реализации прошли длительный путь эволюции. Данное направление технической эволюции породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным за прошедший период эволюции для всего многообразия тепловых машин было понятие “компенсации за преобразование тепла в работу”. Это понятие сегодня воспринимаются как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности в данной сфере. Сразу отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера и самолёты не всегда летали. Рассмотрим наиболее характерные этапы и направления эволюции тепловых двигателей.

Первым массовым тепловым двигателем была паровая машина Уатта – поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно – поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. С конца 18 до конца 19 века паровая машина была единственным распространённым тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надёжна, проста. Коэффициент полезного действия (КПД) от нескольких процентов на начальном этапе достигает к закату эпохи паровых машин 20-25%. (См. например, Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю. Ишлинский. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с. 360.).

К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность, вызванная большой неизбежной передачей тела в окружающую среду, большой компенсацией и ограничение единичной мощности.

Следующим этапом развития теплотехники стал двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС делятся на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объёме и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении. (См. например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н. Сушкина. – М.: Металлургия, 1973, с. 414 - 420.).

Общими недостатками всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40 - 50% и ограничение единичной мощности.

Вслед за ДВС широкое развитие получили паротурбинные и газотурбинные установки.

Паротурбинная (паросиловая) установка, состоит из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса, работает по циклу Ренкина. (См. например, Техническая термодинамика. А.С. Ястржембский. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с. 365 -368.).

К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря большого количества тепла из-за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.

Газотурбинная установка (ГТУ), состоящая из компрессора, сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания, камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объёме (цикл Гемфри) происходит горение топлива и газовой турбины. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл. (См. например, Техническая термодинамика. А.С. Ястржембский. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с. 257 -267.).

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона относится то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, т.е. снижает возврат тепла в цикл. Это снижает КПД и экономичность установки.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора (по циклу Ленуара) и иметь более благоприятные условия для регенерации в этих установках на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.

В настоящее время наиболее перспективными признаны парогазовые установки (ПГУ). ПГУ состоит из ГТУ, работающей по циклу Брайтона и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котёл утилизатор, генерирующий пар за счёт тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50%. (См. например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н. Сушкина. – М.: Металлургия, 1973, с. 380 - 383.).

К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, всё та же компенсация, а так же сложность и дороговизна установок.

Известны также реактивные (ракетные) тепловые двигатели. Главным недостатком этих двигателей является низкий КПД.

Говоря о КПД мы везде имели в виду термический КПД.

Таким образом, исследование уровня техники показывает, что общим технологическим недостатком выше перечисленных тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные и иные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

формате PDF (273Кб)