Паровая турбина. КПД теплового двигателя

Введение

С самого начала промышленной эпохи человечество искало способы превращать теплоту в движение. Открытие того, что нагретый пар может совершать работу, стало одним из самых значимых шагов в развитии техники. Именно на этом принципе работают паровые двигатели, а позже — паровые турбины, которые стали основой энергетики XX века.
Сегодня паровые турбины приводят в движение генераторы электростанций, обеспечивая нас светом и энергией. Чтобы понять, как они работают, нужно разобраться, что такое тепловой двигатель, коэффициент полезного действия (КПД) и как устроена паровая турбина.

Введение в принцип работы паровой турбины

Паровая турбина — это тепловая машина, которая превращает энергию пара в механическую энергию вращения вала.
Работа паровой турбины основана на том, что при расширении нагретый пар теряет давление и температуру, а его энергия передаётся лопаткам турбины. Эти лопатки начинают вращаться, и вращение передаётся на генератор или другой механизм.

Принцип можно описать так:
теплота топлива → энергия пара → механическая энергия вращения → электрическая энергия.

Таким образом, паровая турбина является промежуточным звеном между теплотой и электричеством.

Устройство и принцип работы паровой турбины

Современная паровая турбина состоит из нескольких основных частей:

1. Котёл (парогенератор) — здесь вода превращается в перегретый пар.

2. Турбина — система из множества лопаток, на которые направляется поток пара.

3. Вал — соединяет турбину с электрическим генератором.

4. Конденсатор — охлаждает отработанный пар, превращая его обратно в воду.

5. Насос — возвращает воду в котёл, и цикл повторяется.

Рабочий процесс турбины можно представить в виде цикла:

• Пар высокого давления поступает на лопатки и заставляет их вращаться.

• В процессе вращения пар расширяется и охлаждается.

• Отработанный пар конденсируется в специальной камере.

• Полученная вода снова подаётся в котёл.

Такой замкнутый цикл делает установку экономичной и устойчивой.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Любая машина преобразует один вид энергии в другой, но при этом часть энергии теряется в виде тепловых потерь — нагрева деталей, трения, шума и т.д.
Коэффициент полезного действия (КПД) показывает, какая часть подведённой энергии превращается в полезную работу.

Формула для вычисления КПД:

где

•  — КПД,

• ​ — полезная работа,

•  — количество подведённой теплоты.

Например, если котёл подаёт 1000 кДж тепла, а турбина превращает их в 300 кДж работы, КПД равен 30%.

В реальных установках КПД не может быть равен 100%, потому что невозможно полностью исключить потери тепла в окружающую среду.

Устройство тепловой машины

Тепловая машина — это устройство, которое преобразует теплоту в механическую энергию. Она всегда состоит из трёх основных элементов:

1. Нагреватель — источник теплоты (например, топка котла).

2. Рабочее тело — вещество, которое получает теплоту и совершает работу (в паровой машине — пар или газ).

3. Холодильник — приёмник избыточного тепла, куда отводится часть энергии (конденсатор, радиатор и т.д.).

Процесс работы тепловой машины можно описать циклом:

1. Рабочее тело получает теплоту от нагревателя.

2. Совершает механическую работу.

3. Отдаёт часть тепла холодильнику.

Таким образом, любая тепловая машина работает по циклу превращения энергии:
теплота → механическая энергия → (иногда) электрическая энергия.

КПД тепловой машины

Теоретический предел КПД тепловой машины впервые вывел французский инженер Сади Карно. Он показал, что КПД зависит только от температур нагревателя и холодильника:

где

•  — температура нагревателя (в кельвинах),

•  — температура холодильника.

Чем больше разница температур, тем выше возможный КПД.
Именно поэтому на электростанциях стремятся использовать пар под высоким давлением и температурой, а отработанный пар — максимально охлаждать.

Однако даже самые современные установки достигают КПД не выше 45–50%, остальная энергия теряется в виде тепла.

История развития и современные проблемы производства тепловых двигателей

История тепловых машин началась с изобретения парового двигателя.

• В XVII веке Денис Папен построил первый паровой котёл с поршнем.

• В XVIII веке Джеймс Уатт создал усовершенствованную паровую машину, ставшую основой промышленной революции.

• В XIX веке Чарльз Парсонс изобрёл паровую турбину, которая оказалась гораздо эффективнее прежних поршневых механизмов.

Сегодня паровые турбины используются на тепловых и атомных электростанциях.
В них энергия сгорания топлива (угля, нефти, газа) или тепловая энергия ядерного распада превращается в электрическую.

Однако использование тепловых машин связано с проблемами:

• Низкий КПД — значительная часть энергии теряется.

• Загрязнение атмосферы при сжигании топлива.

• Тепловое загрязнение окружающей среды.

Современные инженеры работают над повышением эффективности и экологичности турбин: применяют комбинированные циклы, новые материалы и альтернативные источники энергии.

Значение паровых турбин

Паровые турбины остаются основой мировой энергетики.
Они обеспечивают более плавное и устойчивое вращение, чем поршневые машины, требуют меньше обслуживания и могут работать десятилетиями.
Кроме того, их можно использовать в сочетании с различными источниками энергии — от традиционных котлов до атомных реакторов и геотермальных установок.

Вопросы для самопроверки

1. Какова основная функция паровой турбины?

2. В чём заключается принцип работы паровой турбины?

3. Из каких основных частей состоит установка с паровой турбиной?

4. Что показывает коэффициент полезного действия (КПД)?

5. Почему невозможно, чтобы КПД тепловой машины был равен 100%?

6. От каких температур зависит КПД тепловой машины по формуле Карно?

7. Кто изобрёл первую паровую турбину и где применяются такие машины сегодня?

8. С какими проблемами сталкиваются современные тепловые электростанции?