Наука, техника, изобретения

Библиотека

наука

Современные технологии и производство

Детская энциклопедия
оглавление

Пар работает

Паровые котлы

Первый паровой котел построил для своего водо-лодъемного насоса в 1698 г. англичанин Томас Се-вери. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Затем вместо бака стали применять длинный (10-12 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность нагрева, т. е. поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень мала. Поэтому пара они производили мало, давление в котле не превышало 1 МПа, а из-за того, что горячие газы по большей части бесполезно уходили в трубу, к. п. д. котла был очень низким. Большая часть топлива сгорала впустую. Такие котлы выпускались до середины XIX в.

В начале XVIII в. были предложены котлы иной конструкции: с горизонтальными дымогарными трубами, через которые проходят горячие газы. Трубы эти со всех сторон были окружены водой. Сначала делали одну-две трубы большого диаметра (их называли жаровыми), потом множество труб малого диаметра (дымогарных). Такие газотрубные котлы ставились на паровозах, пароходах и локомобилях. И у этих котлов тепло горячих газов также использовалось еще очень плохо, а давление пара не удавалось поднять выше 1,5-1,8 МПа.

Вот почему гораздо большее распространение получили мощные водотрубные котлы, у которых почти вся вода находится в тонких длинных трубах, омываемых горячими газами. Трубы располагаются горизонтально или вертикально и соединяются с барабаном небольшого диаметра. В нем пар отделяется от воды. Труб сотни, и потому поверхность нагрева котла получается огромной, измеряемой сотнями и тысячами квадратных метров, а паропроизводитель-ность достигает сотен тонн пара в час. Водотрубные котлы позволили поднять давление пара до 20 МПа и выше. Тепло горячих газов они используют исключительно хорошо: их к. п. д. достигает 90-95%- Горячие газы не только кипятят воду в трубах, превращая ее в пар, но и подогревают свежую -питательную - воду и подающийся в топку воздух. Чтобы повысить энергию пара, его также подогревают горячими газами в трубах пароперегревателя. В результате газы с пользой отдают почти все свое тепло и выходят в дымовую трубу, имея температуру всего лишь 140-160° С.

Наконец, в конце XIX в. были предложены прямоточные котлы. У этих котлов нет барабанов для отделения пара от воды. Вода превращается в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой - выходит пар. Труб бывает обычно несколько десятков, общая их длина достигает километра, а располагаются они в шахте котла зигзагообразно. В нашей стране прямоточные котлы строятся с 1930 г.

Паровые котлы современной электростанции - сооружения высотой с 10-12-этажный дом. Производительность их доходит до 2500 т пара в час, а давление пара достигает 30 МПа при температуре 650° С. Проектируются котлы и много большей производительности: за час в них будет испаряться 3600 т воды! Столько воды потребляет в сутки поселок на 8-10 тыс. жителей!

Паровые котлы: а - газотрубный; б - водотрубный ; в - прямоточный.

Когда-то давно котлы топили дровами или крупными кусками угля. Сейчас уголь предварительно размалывают в тонкую пыль и вдувают в топку через форсунки. В качестве топлива используют также мазут, природный газ, торф и др. Но особенно широко, и чем дальше, тем больше, применяют природный газ - самый дешевый вид топлива.

Паровая машина

"Двигатель, универсальный по своему техническому применению" - такое определение дал паровой машине К. Маркс. Сто лет она была единственным промышленным двигателем буквально всюду: на предприятиях, на железных дорогах и на флоте. Паровые машины стояли и на первых автомобилях. Они вращали роторы генераторов первых электрических станций. На транспорте паровые машины работали вплоть до 50-х годов XX в. Кое-где пароходы и паровозы встречаются и сейчас.

Современный паровой котел (фрагмент). Такой котел - очень сложное сооружение, его опутывают сотни метров труб. По одним из них подается вода, по другим - уходит пар.

Схема паровой машины.

Первая паровая машина двойного действия, т. е. такая, у которой пар подавался поочередно - то с одной стороны поршня, то с другой, была построена в 1784 г. Дж. Уаттом (см. ст. "Джеймс Уатт"), Главная ее часть - цилиндр, закрытый с обоих концов крышками. Сквозь одну из них пропущен шток (стержень), на котором внутри цилиндра укреплен поршень. Снаружи цилиндра шток ходит по направляющим и с помощью шатуна соединяется с кривошипом - искривленной в виде буквы П частью вала. На валу сидит маховик, благодаря которому вращение вала, а следовательно и движение поршня, происходит более равномерно. В обеих крышках цилиндра имеются отверстия: в них впускается пар - сначала с одной стороны, а когда поршень дойдет до противоположного конца цилиндра - с другой. Управляет впуском пара распределитель - золотник. Его приводит в движение золотниковый валик с шатуном, связанный с валом машины через эксцентрик. Особое приспособление - кулиса - позволяет изменять моменты впуска пара в цилиндр, регулировать длительность впуска - мощность машины, давать задний ход и останавливать машину.

Пар, выходящий из цилиндра, можно просто выпускать в воздух. Однако это невыгодно, потому что тогда его анергия будет использована не до конца, И если, скажем, на паровозах, где мало места, с этим приходилось мириться, то на морских судах, не говоря уже о стационарных энергетических установках, пар выпускают в конденсатор - охлаждаемый водой сосуд, где пар превращается в воду, конденсируегся. При этом в конденсаторе образуется разрежение, и на поршень действует уже увеличенная (почти на 0,1 МПа) разность давлений между свежим и отработавшим паром. Именно благодаря конденсатору Уатту удалось получить от своей машины увеличенную мощность. Воду из конденсатора (конденсат) направляют обратно в котел. К началу XX в. паровые машины достигали мощности 15 МВт, самые быстроходные из них развивали до 1000 об/мин, а к. п. д. их возрос с 0,3% (увы, именно таков был к. п. д. машины Уатта) до 20%. И все-таки они уже не соответствовали тем требованиям, которые предъявляла техника. Они были тяжелыми, громоздкими и не обещали никакого дальнейшего повышения экономичности. Их все больше и больше вытесняли паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания.

Паровая турбина

Паровая турбина работает по тому же принципу, что и водяная, только в ней колесо с лопатками вращается паром, а не водой. Но эта разница коренным образом повлияла на конструкцию: паровая турбина ничуть не похожа на водяную. Начать с того, что у ' нее не один диск с лопатками и не один направляющий аппарат, а несколько. Почему это так? Потому что пар совершенно не похож по своим свойствам на воду.

В отличие от воды он может приобрести кинетическую энергию (см. т. 3 ДЭ, ст. "Механика") только в том случае, если будет течь из области высокого давления в область низкого давления, иными словами - если будет расширяться. Как и у паровой машины, у турбины имеется конденсатор, давление в котором 0,0035-0,004 МПа, а давление в котле -30 МПа, таким образом, пар расширяется почти в 10 тыс. раз! Технически невозможно создать турбину с одним рядом лопаток, которая бы обеспечила такое гигантское расширение. Поэтому в одноступенчатой турбине достаточно полно использовать энергию пара не удается, к. п. д. ее получается низким, и таких турбин сейчас не строят.

На роторе мощной паровой турбины рабочие колеса, которым пар отдает свою энергию.

Многоступенчатая турбина несравненно лучше по своему к. п. д.: проходя мимо многочисленных рядов лопаток, пар расширяется постепенно, и, таким образом, его кинетическая энергия переходит в энергию вращения ротора более полно. Чем ниже давление, тем длиннее лопатки - сразу, глядя на ротор, можно сказать, в каком направлении будет идти пар.

Машинный зал тепловой электростанции с паровыми турбинами (слева и в центре) и турбогенераторами.

Общий вид тепловой электростанции (макет).

Паровые турбины, как и гидравлические, подразделяют на реактивные и активные. В реактивных турбинах пар расширяется, проходя между лопатками направляющего аппарата и между лопатками ротора. У активных расширение происходит только в то время, когда пар проходит через направляющий аппарат (в одноступенчатых турбинах старой конструкции расширение происходило в специальных трубках - соплах).

Паровые турбины были изобретены в конце XIX в. В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс создал -реактивную, а в 1889 г. швед Г. Лаваль - активную турбину.

В нашей стране первая паровая турбина была изготовлена в 1924 г. на Ленинградском металлическом заводе. Она использовала пар давлением 1,2 МПа при температуре 300° С и развивала мощность 2 МВт. На Ленинградском и Харьковском заводах выпускаются в настоящее время турбины мощностью 500 и 800 МВт, идет подготовка к созданию турбины в 1,2 ГВт, а в проектировании находятся турбины неслыханной мощности - около 2 ГВт! Советское турбостроение сегодня - это передовое турбостроение мира.

Паровые турбины используются сейчас на морских судах (мощность их сравнительно невелика: до 30 МВт) и для привода генераторов электростанций - именно для них-то и создаются турбины колоссальных мощностей.

К. п. д. современных турбин достигает 40-42%, он непрерывно повышается, хотя довольно-таки медленно.

Тепловая электростанция (ТЭС)

Первая в России тепловая электростанция с паровыми турбинами была построена в 1906 г. в Москве. Ее турбоагрегаты (турбины и электрогенераторы) развивали мощность всего 5 МВт. Сейчас на теплоэлектростанциях СССР работают турбоагрегаты мощностью до 800 МВт.

В первое время тепловые электростанции строились по такой схеме: из нескольких сравнительно маломощных котлов пар-поступал в общую сеть, откуда он разводился по турбинам. Сейчас станции сооружаются по блочной схеме: мощный котел и турбина (моноблок) или два котла меньшей мощности и турбина (дубль-блок).

Когда тепловая электростанция с паровыми турбинами строится вдали от городов, то весь отработавший пар отводится в конденсаторы, где он превращается снова в воду и опять поступает в котел.

Такие электростанции называют конденсационными.

В городах и вблизи заводов - потребителей пара и горячей воды - электростанции не только вырабатывают электроэнергию, но и снабжают дома и заводы теплом. Такие электростанции называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Пар, проходящий через лопатки турбины, в определенных местах частично выводят из турбин наружу и направляют либо на заводы, либо в теплообменники. Там перегретый пар отдает тепло воде и превращает ее во вторичный пар, который уже идет по трубам на заводы и в бойлерные - здания, где тоже установлены теплообменники, но иного типа. Там паром нагревается вода и идет в квартиры: в батареи центрального отопления и в краны горячей воды. ТЭЦ использует энергию, заключенную в топливе, в 2-3 раза экономичнее, чем конденсационная электростанция.

Кроме основных агрегатов - котлов, паровых турбин, электрических генераторов - на электростанциях имеется немало вспомогательных устройств. Это, во-первых, сооружения водоподготовки: ведь в котлы должна поступать не обычная вода, а особо чистая. Поэтому предварительно воду фильтруют, удаляют из нее соли кальция и магния (те самые, из-за которых в чайниках образуется накипь), иначе они быстро вывели бы из строя и котел и турбину, а также другие соли. Очищают воду и от малейших следов масла, и от растворенного в воде кислорода (он вызывает коррозию стальных труб и лопаток). На конденсационных электростанциях потребность в такой подпиточной воде относительно невелика, на ТЭЦ же она весьма значительна, особенно когда пар от турбин отбирается безвозвратно для нужд теплофикации.

Во-вторых, к вспомогательным службам относятся и установки топливоподготовки. На электростанциях, работающих на угле и торфе, топливо, перед тем как сжечь, превращают в мелкую пыль. Это делают на угольных и торфяных мельницах.

Для создания хорошей тяги устанавливают мощные дымососы, а чтобы очищать газы, уходящие в трубу, от золы, устраивают золоуловители и фильтры различных конструкций, в том числе и электрические.

До 1955 г. основным топливом у нас в стране был уголь, а сейчас все больше электростанций переводится на более выгодное топливо - природный газ. Запасы газа в нашей стране огромны, что и предопределяет его важную роль в производстве электроэнергии. Однако это вовсе не означает, что угольные электростанции постепенно исчезнут. Запасы угля весьма велики, особенно в Сибири, и там предполагается строительство новых мощных тепловых станций, энергия которых по линиям электропередачи будет идти в Центральную часть СССР и на Урал. Тепловые электростанции вырабатывают около 80% всей электроэнергии как в нашей стране, так и во всем мире (вместе с атомными электростанциями, которые по сути тоже тепловые, но используют внутриядерную энергию урана или другого радиоактивного вещества). Доля их в производстве электроэнергии останется, судя по всему, неизменной до конца XX в.

В 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетки, была пущена первая в СССР геотермическая электростанция.

На снимке: макет Паужетской геотермической электростанции.

Геотермические электростанции и гелиостанции

Геотермические электростанции используют внутреннее тепло Земли. На глубине 2-3 км от ее поверхности температура недр превышает 100° С. Циркулирующую на больших глубинах воду можно вывести на поверхность по буровым скважинам и использовать для теплотехнических целей. В вулканических районах термальные воды находятся ближе всего к поверхности Земли и имеют высокую температуру (часто они непрерывно выделяются там в виде пара). В нашей стране первая геотермическая ГЭС мощностью 5 МВт была пущена в 1966 г. на юге Камчатки - в районе вулканов Кошелева и Камбального, в долине реки Паужетки. В сепараторах от поступившей через буровую скважину воды отделяется пар. Он подается в турбины, а горячая вода с температурой около 120° С отводится для теплоснабжения близлежащих поселков. Станция очень проста по устройству, не требует топлива, а энергия, вырабатываемая ею, обходится много дешевле, чем энергия, которую дают местные дизельные электростанции.

За рубежом подобные станции строят в Италии, Новой Зеландии, США, Японии.

Гелиостанции работают на тепловой энергии солнечных лучей. Попытки использовать солнечную энергию относятся еще к середине XVIII в., а в 1912 г. близ Каира (Египет) была построена солнечная энергетическая установка мощностью около 45 кВт. Но гелиоустановки всецело зависят от Солнца. Работают они не более нескольких часов в сутки, да и то лишь в хорошую погоду. Поэтому к ним особый интерес проявляют главным образом космонавты: ведь в космосе всегда "день". Правда, на космических кораблях и станциях пока предпочитают использовать более совершенные полупроводниковые преобразователи солнечной энергии.