Конспект уроку: Парові і газові турбіни. Холодильні машини

Парові і газові турбіни

На виробництві та в техніці широко використовуються теплові машини, в яких відбувається перетворення теплової енергії в механічну - парові та газові турбіни.

Парові турбіни

Розглянемо модель парової турбіни. Скляну колбу, заповнену водою і закриту пробкою з вузькою трубкою, нагріватимемо спиртівкою. Після закипання води спрямує струмину пари на колесо з лопатками. Під час розширення пари її об’єм збільшується, а тиск падає.

Потенціальна енергія взаємодії молекул пари йде на збільшення їх кінетичної енергії. Тому струмина пари має велику швидкість. Вона тисне на лопатки і обертає колесо. Теплова енергія водяної пари за допомогою турбіни перетворюється в механічну енергію.

Промислова парова турбіна складається з вала, на якому закріплено диск з лопатками, вхідного та вихідного паропроводу. Пара утворюється в середині спеціального котла, в якому вода нагрівається до високої температури.

У промислових турбінах використовують цілі системи дисків з лопатками, які розміщують в окремих блоках. Такі багатоступінчасті турбіни дуже потужні, а їх обертання плавне та рівномірне.

Парові турбіни є тепловими двигунами великої потужності і використовуються на теплових та атомних електростанціях. Для цього турбіну з’єднують з пристроєм для виробництва потужності і використовуються на теплових та атомних електростанціях. Для цього турбіну з’єднують з пристроєм для виробництва електричного струму - генератором. Сучасні парові турбіни електростанцій мають робочу потужність до 1300 МВт. Крім електростанцій, парові турбіни можуть приводити в рух гвинти великих надводних морських суден та підводних човнів.

Відпрацьована пара, яка пройшла всі блоки турбіни, має досить високу температуру і її додатково використовують, наприклад, в системах опалення, де вона охолоджується і повертається до парового котла.

Рис. Парова турбіна: 1 -вал турбіни; 2- вхідний та паропровіду; 3-диск; 4-лопатки; 5- вихідний паропровід.

Газові турбіни

На відміну від парових, у газових турбінах робоча частина обертається під тиском гарячої газової суміші, яка утворюється в самій турбіні. Для цього в газовій турбіні передбачено камеру згоряння. Повітря через вхідне сопло потрапляє в компресор, стискається до 6... 7 атмосфер і надходить в камеру згоряння. До камери також безперервно впорскується рідке паливо. Розжарений і дуже стиснений газ (температура біля 800 °С та тиском 0,5...0,8 МПа) подається на лопатки турбіни і обертає її з високою швидкістю. Перевагою газової турбіни є її компактність, оскільки вона не потребує потужних парових котлів, приміщень для них та паропроводів. Сучасні газові турбіни розвивають потужність біля 150 МВт. На основі таких турбін розробляють газотурбінні двигуни, які застосовують, наприклад, в літаках.

Рис. Турбореактивний двигун літака

Реактивна парова турбіна та реактивний двигун

Візьмемо бляшанку, закриту з обох боків, до якої припаяні два сопла у вигляді трубок малого діаметру, спрямовані в протилежні боки. Заповнимо бляшанку водою так, щоб вона не витікала через трубки. Закріпимо бляшанку на штативі таким чином, щоб вона могла вільно обертатися, і нагріватимемо її спиртівкою. Температура води зростатиме, збільшуватиметься тиск пари в бляшанці. Після того, як вода закипить, через сопла виходитимуть струмини пари, які мають різний напрямок. Бляшанка почне обертатися. Її обертальний рух можна пояснити дією на корпус сопла реактивної сили, яка виникає під час витікання струмин пари. Турбіну, модель якої ми розглянули, називають реактивною паровою турбіною.

За принципом дії реактивної сили працює тепловий двигун, який називають реактивним. У камері згоряння такого двигуна внаслідок взаємодії рідкого або твердого ракетного палива та окислювача (у якості палива може використовуватися зріджений водень, а в якості окислювача - кисень) утворюється суміш високого тиску та температури, яка з високою швидкістю витікає із сопла. Реактивна сила, яка діє на сопло, рухає двигун у напрямку, протилежному напрямку витікання газової суміші. Реактивні двигуни використовують у ракетах та реактивних літаках.

Рис. Ракета з реактивним двигуном: Внаслідок згоряння палива утворюється суміш газів високого тиску та температури, яка з високою швидкістю витікає із сопла. Реактивна сила, яка діє на сопло, рухає двигун у напрямку, протилежному напрямку витікання газової суміші.

Холодильні машини

Вивчаючи теплові явища та процеси, ми з’ясували, що самочинний теплообмін між тілами має чітко визначений напрямок - від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. Яким чином можна теплоту або внутрішню енергію від менш нагрітого тіла передати більш нагрітому тілу? Виявляється, це можна зробити в спеціальних холодильних машинах або холодильниках.

Холодильною машиною або холодильником називається пристрій, в якому внутрішня енергія забирається у менш нагрітого тіла і передається тілу з вищою температурою.

Холодильні машини широко використовуються у промисловості та побуті. Для збереження та транспортування м’ясних та рибних продуктів використовують авторефрежератори, залізничні вагони-рефрижератори та кораблі-рефрижератори. Продукти харчування зберігають у побутових холодильниках та холодильних камерах. За допомогою кондиціонерів охолоджують повітря в кімнаті.

Рис. Кондиціонер,

Холодильні машини широко використовуються у промисловості та побуті. Для збереження та транспортування м’ясних та рибних продуктів використовують авторефрежератори, залізничні вагони-рефрижератори та кораблі-рефрижератори. Продукти харчування зберігають у побутових холодильниках та холодильних камерах. За допомогою кондиціонерів охолоджують повітря в кімнаті.

Всі холодильні машини є різновидом теплових машин. Холодильні машини є машинами енергетичними. В них енергія передається від одного тіла до іншого за рахунок витрат енергії третього тіла, тобто виконання ним роботи.

На відміну від інших теплових машин, які виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, в холодильних теплових машинах внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом. Тому стверджують, що холодильна машина працює за фізичним принципом, “оберненим” до принципу дії теплового двигуна.

Розглянемо роботу теплової машини

Рис. Блок-схема холодильної машини. В холодильній тепловій машині внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок роботи, виконаної іншим тілом. Вона працює за фізичним принципом, "оберненим" до принципу дії теплового двигуна

Робоче тіло забирає тепло Q₂ від холодильника і передаєтепло Q₁ нагрівнику, яким слугує навколишнєсередовище. При цьому має місце співвідношення:

Q₁ = Q₂ + A;

де Q₁ - теплота, що передається навколишньому середовищу,

Q₂ - теплота, забрана від морозильної камери,

А - робота, яку виконує електродвигун компресора (можна порівняти зі звичайним тепловим двигуном).

У найпоширеніших холодильних машинах - парокомпресорних холодильниках - тілом, що охолоджується, є зріджені гази, які в рідкому стані киплять при температурі від -15 °С до -20 °С і нижче. Тілом, що виконує роботу, потрібну для зменшення внутрішньої енергії охолоджуючої рідини, є компресор.

Зріджений газ фреон або аміак (холодильний агент) циркулює в герметично замкнутій системі. Компресор, який приводиться в рух електродвигуном, зменшує тиск у випаровувачі, холодильний агент закипає і охолоджується. При цьому охолоджується поверхня випаровувача та холодильна камера. Швидкі молекули пари холодильного агента відкачуються компресором, який підтримує кипіння холодного зрідженого газу. В циліндрі компресора утворюється так звана високотемпературна пара холодильного агента (до +50 °С). Ця пара, температура якої вища, ніж температура в кімнаті, потрапляє в конденсатор. Там вона розширюється і віддає своє тепло навколишньому середовищу. При цьому пара конденсується, а температура утвореного рідкого холодильного агента поступово зрівнюється з температурою в кімнаті. Потім рідкий холодильний агент через спеціальний вузький трубопровід (дросельний вентиль), в якому він додатково охолоджується, надходить у випаровувач і розпочинається новий цикл охолодження.

Рис. Побутовий холодильник. Холодильник відбирає теплоту в предметів у холодильній камері та віддає її атмосфері.

У побутових холодильниках підтримується температура від 0 °С до -6 °С, в морозильних камерах - до -20 °С, а у великих промислових холодильниках - до -40 °С. Найнижчі температури, які можливі в лабораторних умовах, отримують з використанням рідкого гелію, який за атмосферного тиску кипить при температурі -269 °С (4 К).