Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ЛОКОМОТИВОВ
§1. ОСНОВНОЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ЛОКОМОТИВА
Физические явления в условиях практической деятельности протекают неравноценно в прямом и обратном направлениях. Если в прямом направлении процессы осуществляются самопроизвольно, легко, то для протекания их в обратном направлении требуются специальные инженерные устройства.
Так, тепло всегда переходит от более горячего тела с температурой Т1 к более холодному с температурой Т2 самопроизвольно (Т1→Т2). Для перехода тепла в обратном направлении (Т2→Т1), например, при искусственном охлаждении тел требуется сложная холодильная установка с затратой работы на ее непрерывное действие. Вода перетекает из водоема, расположенного на высоте Н1, в водоем, расположенный на меньшей высоте Н2 (Н1→Н2). Для обратного перетекания воды (Н2→Н1) нужен насос, требующий затраты энергии на его работу. Аналогичная картина имеет место при повышении давления газа от р1 до р2 (р1→р2), здесь нужен компрессор, на работу которого затрачивается энергия, в то время как давление газа (р2→р1) снижается самопроизвольно без помощи машины.
Подобных примеров можно привести очень много. Указанная особенность протекания процесса в обратном направлении характеризует его необратимость. Эти процессы получили название необратимых. С необратимостью мы встречаемся и в процессе преобразования работы в тепло и обратно. Работа в тепло переходит самопроизвольно. Люди за три тысячи лет до нашей эры уже знали, что огонь можно получить трением. При ударе металла о металл, вращении вала в подшипниках и т. д. работа L легко переходит в тепло Q (L→Q). Другое дело преобразование тепла в работу (Q→L). Этот процесс несамопроизвольный. Здесь требуется сложная теплоэнергетическая установка, например современная тепловая электростанция, в которой тепло первичных энергетических ресурсов (топлива, ядерного горючего, солнца, земных недр и др.) превращается в электрическую энергию, которая далее у потребителя в электродвигателях преобразуется в работу, или теплоэнергетическая транспортная установка, где тепло топлива преобразуется в работу, которая используется для перемещения поезда, самолета, судна, автомобиля.
Условия протекания тепловых процессов в разных направлениях установлены в самом общем виде вторым законом термодинамики. Применительно к тепловым процессам последний определяет условия, при которых возможно превращение тепла в механическую работу, указывает пути совершенствования этого процесса в теплоэнергетической установке (ТЭУ) и устанавливает предел достижимого термического коэффициента полезного действия. Все процессы теплоэнергетической установки являются необратимыми. В тепловых двигателях, например, это обусловлено теплообменом между рабочим телом (газом, паром) и внешней средой при конечной разности температур и необратимостью в самом рабочем теле вследствие конечной разности температур и давлений в каждой точке совершаемого им процесса. Необратимое изменение состояния всегда приводит к потере части возможной работы. Потеря работы происходит также вследствие необратимости, вызванной конечной разностью давления. Пусть, например, давление газа на поршень на конечную величину больше давления внешней среды. При этом поршень, двигаясь, вызывает завихрения в газе, происходит трение поршня о стенки цилиндра. В результате внутреннего и внешнего трения выделяется тепло, а превращение работы трения в теплоту является необратимым процессом.
С. Карно в 1824 г. предложил обратимый (идеальный) цикл, который обладает максимальным термическим к. п. д. Последний является пределом термического к. п. д. теплоэнергетической установки и выражается, как известно, через верхнюю температуру Т1 и нижнюю Т2 цикла
(1)
Отсюда вытекают пути повышения термического к. п. д. ТЭУ — увеличение верхней температуры Т1 цикла, при которой тепло подводится к рабочему телу, и уменьшение нижней температуры Т2, при которой тепло покидает ТЭУ. Однако повышение температуры ограничено прочностью применяемых металлов. Из соображений срока службы, стоимости, технологичности обработки и условий охлаждения деталей, подвергающихся воздействию высоких температур, Т2 не превышает 565° С для паровых турбин и 1250° С для газовых турбин. В двигателях внутреннего сгорания, МГД-генераторах, где имеются более широкие возможности охлаждения, верхняя температура цикла Т1 достигает 2300—2600° С.
Снижение температуры Т2 играет большую роль для повышения к. п. д. установки, чем увеличение Т1.
Действительно, согласно уравнению (1), имеем:
Рис. 1. Изменение удельного расхода тепла (2) и к. п. д. (1) на конденсационных электростанциях с начала XX столетия
Это особенно характерно для газотурбовоза, где снижение температуры воздуха, поступающего в компрессор газотурбинной установки (ГТУ), на один градус при температуре газов перед турбиной 1000° К и температуре воздуха перед компрессором 288° К повышает к. п. д. установки в такой же мере, как увеличение температуры газов перед турбиной на 3,5°.
Указанные термодинамические условия преобразования тепла в работу ограничивают возможность достижения высоких к. п. д. теплоэнергетической установки. Очевидно, все действительные циклы, совершающиеся в пределах тех же температур Т1 и Т2, вследствие необратимости реальных процессов имеют более низкие к. п. д. по сравнению с термическим к. п. д. цикла Карно.
На паротурбинной конденсационной электростанции при современном высоком уровне энергетической техники (высокие давления и температуры пара, развитый регенеративный подогрев питательной воды, промежуточный перегрев пара, высокий относительный к. п. д. турбины и т. д.) достигнут удельный расход тепла, равный 2000 [8380 кДж/(кВт-ч)], что соответствует к. п. д. 43%. К. п. д. тепловоза, например, ТЭП70 последнего выпуска достиг при расчетном режиме 31%, а газотурбовоза (ПО1, ГТ3,5) тепловозостроительного завода им. Куйбышева г. Коломна с простейшей одновальной газотурбинной установкой при температуре газа ~730° С — 18%. Снижение удельного расхода тепла в последние годы несколько замедлилось (рис. 1). Однако возможности совершенствования теплового цикла ТЭУ не исчерпаны. Даже небольшое повышение к. п. д. ТЭУ при современных огромных общих расходах топлива на получение электрической энергии, на выполнение перевозочной работы на транспорте дает значительную экономию.
Железнодорожный транспорт является крупным потребителем энергетических ресурсов, преобразуемых в механическую перевозочную работу. Он расходует примерно до 16% дизельного топлива, производимого в нашей стране, и 5,5% производимой электроэнергии.