Паровые двигатели

Как известно, первые в мире самолеты, например самолет А. Ф. Можайского, были оснащены паровыми двигателями, то есть двига­телями внешнего сгорания или в более общем случае — внешнего подвода тепла к ТРТ.

Как это ни странно, но спустя более 100 лет, паровые двигатели снова стали рассматриааться в качестве перспективных для ДА. са­мого разного назначения. Диаграммы состояния ТРТ (pv и Ts) вблизи критической или тройной точки К, характеризующейся тем, что в ней жидкое, парожидкое и парообразное состояние вещества неотличимы, приведена на рис. 20,а и б

Изотермы, или линии постоянных температур, имеют характер­ные изломы на линии насыщения НПК (линии начала кипения) и на линии конца кипения ВПК. В промежутке между этими линиями, на­зываемыми нижней и верхней пограничными кривыми НПК и ВПК, изотермы и изобары (линии постоянных давлений) совпадают, так как при квазираановесном кипении при постоянном давлении темпе­ратура остается постоянной как у жидкости, так и у пара. Пар в этом случае называется влажным насыщенным, то есть содержит мел­кие капли жидкости. Под влагой обычно понимают только воду, но здесь термин «влажный» имеет более широкое значение, так как от­носится ко всем кипящим жидкостям.

На практике нагрев жидкости, как и охлаждение пара, происхо­дит не бесконечно медленно-квазистатически, а в реальное, то есть конечное время. В этом случае наблюдается перегрев жидкости, сопровождаемый отставанием начала испарения от НПК, а также переохлаждение пара, сопровождающееся отставанием начала конденсации от ВПК. Существуют, однако, характерные для каждой жидкости линии предельных перегревов и линии предельных пере­охлаждений для паров (на диаграммах не показаны) . При этом ВПК для ряда жидкостей, например этилового эфира, могут проходить почти вертикально или даже с отрицательным наклоном. Вот поче­му этиловый эфир оказался подходящим веществом для создания камеры Вильсона, позволяющей в переохлажденном паре наблю­дать треки элементарных частиц — следы мгновенной конденса­ции пара в местах, возмущенных движением этих частиц. Пузырько­вые (водородные) камеры служат для тех же целей, но используют эффект мгновенного испарения перегретой жидкости.

Существуют также жидкости, например нефть, у которой НПК и ВПК вообще не наблюдаются, а точнее, сильно размыты из-за того, что они не совпадают для различных фракций нефти (бензин, лег — роин, керосин и т. д.).

Вода в этом отношении является классической жидкостью. Для нее критические значения равны: р кр = 221,3-105 Па, 7’кр-647,ЗК, Ккр = 0,0032 м3/кг.

Критическим коэффициентом называется выражение

RTKO

N=—- — р-

являющееся критерием термодинамического подобия веществ. Для воды Nft q = 4,22 для большинства газов: N н = 3,3$ ^С1-3,ЗД

N а =3,34, то есть водород, гелий и кислород можно считать веще-

и 2

ствами термодинамическими подобными.

Паровой двигатель — устройство, использующее все фазы ве­щества, изображенные на диаграмме рис. 20, а и б. Схема парового даигателя приведена на рис. 21,а, а рУ — диаграмма замкнутого термодинамического цикла его работы — на рис. 21, б.

Процесс нагрева жидкости ВС, то есть процесс подвода к ней тепла, происходит при постоянном давлении и называется изобари­ческим, или изобарным. Процесс этот реализуется в котле 1 и па­роперегревателе 2. Подведенное тепло как бы состоит из трех час­тей

Я = Чж + г + ?пер — Дж.

где q ж — тепло, необходимое для нагрева жидкости до темпера­туры кипения; г — теплота испарения жидкости (тепло и теплота — понятия эквивалентные и применяются согласно установившейся терминологии); q пер — теплота перегрева пара, Дж.

Процесс СД — рабочий. Перегретый пар высокого давления по­ступает на турбину 3 или в поршневую машину, превращающую по­тенциальную энергию пара в механическую работу. Процесс расши­рения СД идет, как правило, без подвода или отвода тепла и тогда он называется адиабатическим, или адиабатным, а замкнутый па­ровой цикл — циклом Ренкина, но могут быть и другие варианты. Конденсация пара ДА проискодит в конденсаторе 4, а нагнетание жидкости в котел АВ осуществляет насос 5.

В частности, возможен ступенчатый процесс, в котором процес­сы расширения в ступенях турбины могут чередоваться с процес­сами дополнительного перегрева пара, а получившаяся «лесенка» приблизится к более выгодной кривой для расширения — изотерме Площадь над кривой процесса эквивалеитна произведенной паром работе и под изотермой эта площадь выше. В энергоустановках ЛА, особенно космических, процесс конденсации организовать чрезвы­чайно трудно. Применяются большие по площади и громоздкие хо­лодильники-излучатели, поскольку тепло возможно отвести от ТРТ только с помощью его излучения в космическое пространство,