Научно-технические проблемы и задачи транспортной энергетики

Развитие теоретических основ рабочих процессов. Эф­фективность реализации энергии существенно отражается на эффективности перевозок и именно с ней связаны основные проблемы транспортной энергетики: дальнейшее развитие тео­ретических основ организации сгорания жидкого и газообраз­ного топлива в традиционных двигателях; развитие водородной энергетики; разработка альтернативных моторных топлив; со­вершенствование методов снижения уровня загрязнения ОС.

Конструктивное совершенствование традиционных ви­дов транспорта. Проблемы в этой области включают в себя снижение удельной массы элементов, повышение удельной мощности ДВС, КПД энергосиловых элементов, уменьшение сопротивления движению, осуществление рекуперативного тор­можения, увеличение запаса хода.

Развитие новых видов транспорта. К новым видам транс­порта относятся электромобили с индуктивным подводом энер­гии, бесколесный рельсовый транспорт и гелиотранспорт.

Конструктивное совершенствование систем обеспечения работы транспортных энергоустановок. Эта тема детально рассмотрена в гл. 3.

Оптимизация и автоматизация управления транспорт­ным средством и его энергосиловыми элементами. Специа­лизированное ТС может быть совершенным только для опреде­ленных эксплуатационных условий. АТС общего назначения можно сконструировать и настроить на преобладающий режим движения. Однако сколь совершенной ни была бы конструкция, без умелого управления автомобилем высокой эффективности АТС не добиться.

Развитие дорожной сети. Кроме экстенсивного наращива­ния суммарной длины дорог с усовершенствованным покрыти­ем необходимо развитие и применение методов оптимизации топологии дорожной сети.

Оптимизация управления автотранспортными потоками (AT-потоками). Без оптимального управления АТ-потоками высокая энергоэффективность парка машин недостижима. Цепь исследовательских действий в этой области включает в себя ре­шение ряда задач по следующим элементам: одиночное движе­ние АТС—движение АТС в цепочке—движение АТС в потоке — установившееся движение однородногоAT-потока — установив­шееся движение смешанного АТ-потока—движение пачек АТС и их взаимодействие вAT-потоке — нестационарные АТ-потоки — взаимодействие потоков на фрагменте УДС —АТ-потоки на сети.

Энергоснабжение подвижного состава, транспортных систем и предприятий. Это задачи слоя деятельности между сечениями В—В и С—С структурной схемы энергетики (см. рис. 1.2) или первые четыре зоны деятельности диаграммы ак­тивностей (см. рис. 1.7). Решение этих задач должно осуществ­ляться с применением распределительной логистики и ГИС.

Оценка энергоемкости транспортной продукции. Это проблема совершенствования методологии измерения и разви­тия системы показателей. Упомянем измеритель «тран» [4], предлагаемый исследователями для оценки энергоемкости транспортного процесса.

Снижение издержек на топливно-энергетическую со­ставляющую транспортного процесса. Разработка и приме­нение методов снижения энергозатрат. Технические методы снижения энергозатрат включают в себя совершенствование конструкций машин, используемых в транспортном процессе, правильный выбор специализированных средств, поддержание технического состояния машин и дороги на высоком уровне.

Технологические методы — оптимальное управление транс­портным средством, использование влияния технологии погру зочно-разгрузочных работ на энергоемкость функционирования транспортного комплекса.

Организационно-управленческие методы связаны с иссле-дованием и использованием влияния организации движения и логистических методов организации перевозок на энергоем­кость перевозок.

Применение энергосберегающих технологий как спосо­ба защиты окружающей среды и общества. Наиболее важ­ными аспектами этой проблемы являются совершенствование систем снижения дымности и токсичности транспортных ДВС, обеспечение экологической безопасности моторных топлив, контроль их качества и расходования.

Контрольные вопросы

1. Каково содержание понятий энергетики и энергии?

2. Какие виды и формы энергии вам известны?

3. Охарактеризуйте общие ресурсы энергии и их иерархию.

4. Назовите методы и устройства преобразования энергии.

5. Как осуществляется аккумулирование энергии?

6. Перечислите топливные эры и технологические уклады.

7. В чем состоят единство и противоположность энергетики и эко­логии?

8. Назовите особенности энергетической инфраструктуры транс­порта.

9. Приведите основные показатели мирового автопарка.

10. Перечислите основные показатели автопарка России.

11. В чем состоит суть логистического и геоинформационного под­ходов к транспортной энергетике?

12. Каковы проблемы и задачи транспортной энергетики?

Глава 2

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

История теплоэнергетики

Современная теплоэнергетика базируется на результатах практического опыта и научно-технического поиска многих поколений талантливых изобретателей, конструкторов, испыта­телей и ученых, внесших значительный вклад в совершенство­вание производительных сил общества [22].

Глубокому пониманию теоретических положений теплотех­ники, изначально сугубо прикладной науки, должно способствовать ознакомление с ее основами.

Развитие учения о теплоте началось с практической термо­метрии. Первый термометр был продемонстрирован Г. Галиле­ем на лекции в Падуе в 1597 г. Г. Амонтон впервые высказал мысль о том, что термометр измеряет не количество теплоты, а степень нагретости тел. В 1724 г. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с нулевой отметкой при температуре смеси льда, воды и нашатырного спирта; позднее он ввел точку кипения воды, обозначив ее 212°. М.В.Ломоносов при проведении иссле­дований часто пользовался своей шкалой, у которой 0° соответ­ствовал замерзанию, а 150° — кипению воды. Наконец, в 1742 г. А.Цельсий ввел стоградусную шкалу с 0° при замерзании и 100° при кипении воды.

Развитие калориметрии, связанное с исследованиями по оп­ределению теплоты плавления и парообразования веществ, привело к появлению первой научной абстракции — понятия теплорода как особой невесомой формы текучей материи и способствовало становлению кинетической теории теплоты. М.В.Ломоносов, отвергая флюидную теорию теплоты, в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744 г.) утверж­дал, что «достаточное основание теплоты заключается в движе­нии. А так как движение не может происходить без материи..., теплота состоит во внутреннем движении материи». В работе 1748 г. «Опыт теории упругости воздуха» М. В.Ломоносов развил свою теорию теплоты и основы молекулярно-кинетической теории газов, получившей всеобщее признание ученых только в серединеXIXв.

Начало XIXв. ознаменовалось переворотом в экономике от­дельных стран — началом развития крупной промышленности и машиностроения, пришедших на смену кустарному производ­ству. К этому времени в различных областях хозяйственной де­ятельности уже получила широкое распространение паровая машина Дж. Уатта, созданная им в 1769 г. на основе коренного усовершенствования конструкции комбинированного двигате­ля, изобретенного в началеXVIIIв. англичанами Т.Ньюкоменом и Н. Коули, который можно было использовать и в качестве насоса.

Следует отметить, что необходимая для транспортных потре­бителей возможность непрерывного действия паровой машины, по мнению отечественных ученых [22], была впервые в мире обоснована русским механиком И.И.Ползуновым. В 1763 г. он передал начальнику Колывано-Воскресенского завода доклад­ную записку и проект изобретенного им «огнедействующего» двигателя. Непрерывное действие машины обеспечивалось при­менением двух цилиндров, поршни которых поочередно приво­дили в действие общий вал.

Использование И.И.Ползуновым принципа суммирования энергии, получаемой в разных рабочих полостях двигателя, в отличие от чисто механического аккумулирования потенциаль­ной (груз-балансир) или кинетической (маховик) энергии было для того времени новаторским шагом, открывшим возможность создания быстроходных тепловых машин.

На протяжении XIXв. одновременно с повышением мощно-стных и топливно-экономических показателей паросиловой тех­ники (агрегатная мощность увеличилась с 7,4... 14,7 кВт до 7,4... 11,0 МВт, степень использования тепловой энергии топ­лива возросла в среднем с 5 до 15 %) происходила ее глубокая специализация: создавались паровые молоты и прокатные ста­ны, водо- и шахтоподъемные установки, воздуходувные агре­гаты и т.д.

В это время наряду с традиционными конструкциями теп­ловых двигателей разрабатывались реверсивные, роторные и коловратные паровые установки, для приведения в действие которых использовалось природное ископаемое топливо.

Создание теплового двигателя стимулировало развитие тран­спорта. Паровая самодвижущаяся повозка французского инже­нера Ж. Кюньо, построенная в 1769 г. для перевозки пушек, счи­тается первым транспортным средством на нашей планете [22]. С середины XIXв. сначала в Англии, а позднее на европейском континенте стали появляться промышленные передвижные па­росиловые установки — локомобили, первые образцы которых имели небольшую мощность (2,9...5,9 кВт при давлении пара 300... 400 кПа и частоте вращения вала до 150 мин^-1).

В России первыми конструкторами паровозов были отец и сын Черепановы. Паровоз, построенный ими в 1834 г., мог пе­ревозить 3,5 т груза со скоростью 15 км/ч.

Первые паровые суда А. Эванса были оснащены двигателем с избыточным давлением 0,6... 1 МПа и лопастными гребными устройствами. Первый русский пароход «Елизавета» (1815 г.) совершал рейсы между Санкт-Петербургом и Кронштадтом. Он был полностью изготовлен из дерева (железные, а позднее стальные суда начали строить с середины XIXв.), а дымовая труба была выложена из камня.

Массовое внедрение тепловых двигателей на транспорте и в промышленности резко изменило общий уклад жизни в наибо­лее передовых странах и способствовало их интенсивному раз­витию, но в то же время оказалось причиной быстрого истоще­ния невозобновляемых природных энергетических ресурсов, прежде всего каменного угля и нефти.

Теоретическая база теплоэнергетики начала развиваться и оформляться в самостоятельную область научных знаний (тер­модинамику) в XIXв. на основе «воскрешения» идей броунов­ской кинетической теории газов и механической теории тепло­ты М.В.Ломоносова после того, как паровой двигатель успеш­но зарекомендовал себя в промышленности и на транспорте.

Научные сведения о свойствах водяного пара были получе­ны в первой четверти XIXв. Дж. Дальтоном, Ж. Гей-Люссаком, П.Дюлонгом, А. Пти и Д. Араго. В 40-х гг.XIXв. А.Реньо начал обстоятельно исследовать отклонения от законов Бойля — Ма-риотта и Гей-Люссака для реальных газов, а также свойства на­сыщенного и перегретого пара. Р. Клаузиус вывел уравнение, связывающее изменение объема при парообразовании с тепло­той парообразования, согласующееся с теоретическими вывода­ми Б. Клапейрона. Это уравнение в теплотехнической науке по­лучило название уравнения Клапейрона —Клаузиуса. На осно­ве обобщения выводов теории парообразования А. Реньо пред­ложил таблицы термодинамических параметров водяного пара.

К первым фундаментальным изысканиям в теплоэнергети­ческой науке относят труды Ж. Фурье, С. Карно. В работе «Ана­литическая теория тепла» (1822 г.) Ж.Фурье излагает теорию теплопроводности. Непосредственно с задачами практики свя­зана теоретическая работа С. Карно «Размышления о движущей силе огня» (1824 г.), которому принадлежат исключительно важ­ные для естествознания обобщения. В частности, в указанной работе он пишет: «...недостаточно создать теплоту, чтобы выз­вать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезна... Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы».

Открытие закона сохранения и превращения энергии уско­рило формирование термодинамических научных положений, поскольку первый закон термодинамики, устанавливающий эк­вивалентность теплоты и механической работы, является одним из его проявлений при переходе энергии из одного вида в другой.

Следует отметить, что со вторым законом термодинамики, в частности с распространением механистического понятия энт­ропии на всю Вселенную, не обошлось без научных казусов («апокалипсических» выводов), разрешение которых произош­ло лишь в первой половинеXXв. Так, на основании этого за­кона, в 1857 г. У. Томсон, а позднее Р. Клаузиус в работе «О дви­жущей силе теплоты» пришли к теоретическому заключению о всеобщей тенденции рассеяния энергии в окружающей среде и неизбежности «тепловой смерти» Вселенной. Этот пример де­монстрирует несостоятельность распространения частных тео­ретических обобщений, хотя и чрезвычайно полезных для теп­лотехнической практики, на все бесконечно многообразные явления природы.

Современная теплотехника базируется на фундаментальных представлениях об ограниченности реального человеческого знания (И. Гете) и неиссякаемости в масштабах бесконечного мироздания (Вселенной) материи, энергии, движения, жизни и информации (В.И.Вернадский).

В России во второй половине XIXв. складывается самобытная школа физики процессов, происходящих в паровых котлах [22], представителями которой являются Н.Н.Божерянов, И.П.Алы­мов, И.В.Вышнеградский, Н.П.Петеров, И.А.Тиме, Г.Ф.Депп, В.Г.Шухов (создатель самого распространенного котла в Рос­сии), позднее В.И.Гриневецкий, М.В.Кирпичев и многие дру­гие.

Важное значение для мировой науки и практики имели тру­ды Д. И. Менделеева, в частности вывод уравнения состояния для идеальных газов, открытие критического состояния веще­ства и обоснование его термодинамических параметров.

Требования к повышению быстроходности и мощности теп­ловых машин, а также развитие электротехники, в частности ге-нераторостроения, создали предпосылки для разработки паровых турбин. Г. Лаваль разработал первые конструкции паровых тур­бин, а Т. Парсон объединил турбину с электрогенератором.

На примере творчества шведского инженера Г. Лаваля мож­но увидеть характерную черту развития теплотехники в XIXв.: он создавал работоспособные конструкции паровых турбин, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теория гиб­кого вала, впервые примененного Г.Лавалем, была разработана затем чешским ученым А. Стодолой, а исследования закономер­ностей работы сопел Лаваля продолжаются и в настоящее время. Потребность в создании экономичного, малогабаритного и быстроходного транспортного двигателя внутреннего сгорания вместо громоздких паровых машин смогла реализоваться в се­рединеXIXв. благодаря трем достижениям науки и практики теплотехники и электротехники, а именно:

• освоению промышленного производства светильного газа (предназначавшегося в основном для освещения улиц и домов в крупных городах);
• созданию катушки индуктивности, позволявшей легко осу­ществлять зажигание газовой смеси в полости цилиндра с по­мощью электрической искры;
• накоплению значительного опыта создания паровых порш­невых двигателей, что позволило при разработке ДВС (также поршневого типа) применить целый ряд проверенных в эксплу­атации конструктивных решений.

В результате в январе 1860 г. французским инженером Э. Ле-нуаром была запатентована конструкция первого ДВС. Позднее, на парижской выставке 1867 г., немецкими инженерами был про­демонстрирован ДВС, который привлек всеобщее внимание благодаря малому расходу топлива, что обеспечивалось глубо­ким расширением газов до достижения вакуума. В 1870-х гг. по­явились первые заводы по производству газовых ДВС.

Считается [22], что первый ДВС, работающий на легком жид­ком топливе — бензине, создан в Германии инженером Г.Дайм­лером (патенты 1883 и 1885 гг.). Почти одновременно с Г.Дайм­лером получил.патент на автомобиль К. Бенц, впоследствии организовавший их производство во Франции.

Вместе с тем в отечественной литературе по истории автомо­билестроения [22] можно найти упоминания о том, что в 1879 г. капитаном русского флота И.С.Костовичем (ранее, чем Г.Дайм­лером) был сконструирован легкий бензиновый двигатель, предназначенный для воздухоплавательного аппарата — дири­жабля. Об этом изобретении им было доложено в том же году на заседании Первого русского общества воздухоплавателей. Двигатель И. С. Костовича был изготовлен на Охтинской судо­строительной верфи в Санкт-Петербурге. В 1896 г. на Нижего­родской выставке (ярмарке) демонстрировался ряд оригиналь­ных конструкций ДВС русских изобретателей.

В 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент на дви­гатель, в котором предполагалось, следуя параметрам цикла Карно, реализовать сжатие газа до высокого давления с после­дующим расширением при постоянной температуре [22], а в качестве топлива использовать каменноугольную пыль. Такое смелое, с теоретических позиций, и многообещающее, с точки зрения топливной экономичности, предложение дало основание концерну «Крупп» (Германия) профинансировать изготовление экспериментальных образцов двигателя. Последовавшие опыты не оправдали ожиданий изобретателя. Предполагаемые свой­ства двигателя удалось реализовать лишь в части сильного сжа­тия всасываемого воздуха с постепенным сгоранием почти при постоянном давлении не угольной пыли, а керосина.

Новый рабочий цикл с достигнутыми термодинамическими параметрами вошел в мировую теплотехнику под названием цикла Дизеля, а опытное подтверждение в 1897 г. самого высо­кого (в ряду тепловых машин) КПД этого цикла предопредели­ло широкое распространение дизелей. Любопытно заметить, что изобретенные Р. Дизелем двигатели, выпускавшиеся с 1899 г. по лицензии на заводе Э. Нобеля в Санкт-Петербурге, за грани­цей называли русскими [22].

Первое упоминание о газовой турбине, относящееся к 1791 г., связано с получением английским изобретателем Дж. Барбером патента на тепловой двигатель, по принципу действия аналогич­ный современной газовой турбине. Горючая смесь воздуха и газа нагнеталась компрессором в камеру сгорания, а образовавшие­ся после воспламенения и сгорания смеси газы непрерывным потоком поступали с большой скоростью на лопатки рабочего колеса турбины.

Конструкцию комбинированной газопаровой турбинной ус­тановки предложил в 1850 г. англичанин В. Фернихоу. Но изоб­ретения Дж.Барбера и В. Фернихоу опередили потребность в таких дорогостоящих машинах и технические возможности их создания в конце XVIII— началеXIXв. Тем не менее их рабо­ты послужили толчком к дальнейшим изобретениям в данной области теплотехники.

Только при расширении применения электричества в бурно развивающейся промышленности конца XIXв. вместо громозд­ких поршневых паровых машин потребовались быстроходные приводные агрегаты.

Первая опытная газовая турбина была построена в 1893 — 1897 гг. морским инженером П.Д. Кузьминским. В феврале 1893 г. он сделал доклад в Русском техническом обществе о ре­зультатах испытания реверсивной судовой турбины с частотой вращения 800 мин^-1. Это был прообраз конструкции радиальной турбины, которая в последующие годы нашла широкое приме­нение в паротурбостроении. В 1897 г. газотурбинная установка была построена, однако работы по ее практическому совершен­ствованию не были завершены, так как в мае 1900 г. П. Д. Кузь­минский скончался.

С 1900 г. в Германии началось конструирование газовых тур­бин постоянного давления. Первые опыты с газовыми турбинами в США относятся к 1902 г. Во Франции инженер Р. Арменго в 1904 г. создал оригинальный образец газовой турбины посто­янного давления.

До Второй мировой войны газовые турбины находили при­менение в основном в крупных турбогенераторных установках и дизелях в качестве агрегата турбонаддува. В послевоенные годы их стали использовать в авиации (так как поршневые дви­гатели не могли обеспечить близкие к звуковым, а тем более сверхзвуковые скорости полета) и на судах морского флота. Кроме того, они нашли весьма ограниченное применение в ав­тотракторной технике.

Основным видом тепловых машин в современной транспорт­ной энергетике являются поршневые ДВС, в развитие которых значительный вклад внесли отечественные ученые. Перечислим их основные теоретические разработки.

Выдающийся русский теплотехник В. И. Гриневецкий (1871 — 1919) исследовал рабочие процессы, происходящие в паровых машинах, котельных агрегатах и ДВС. В труде «Тепловой рас­чет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания» он изложил основы теории двигателей и впервые предложил ме­тод теплового расчета, которым широко пользуются и в наши дни. Примером смелого инженерного решения служит предло­женная им поршневая машина с двухступенчатым сжатием и расширением рабочей смеси — прообраз комбинированного ДВС.

Член-корреспондент АН СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Н. Р. Брилинг (1876—1961) — основоположник теории автотрак­торных двигателей. Под его руководством сконструирован ряд оригинальных авиационных и быстроходных автомобильных двигателей. Он автор первого учебника на русском языке по ДВС. Им получена известная формула для расчета коэффици­ента теплоотдачи.

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор тех­нических наук, профессор Е.К.Мазинг (1880—1944), развивая идеи своего учителя В. И. Гриневецкого, усовершенствовал ме­тодику теплового расчета двигателей, исследовал вопросы гене­рирования газа и его использования в двигателях. Его труды по вопросам сгорания твердого и жидкого топлива находят приме­нение при проектировании современных двигателей.

Академик АН СССР, профессор, лауреат Государственной и Ленинской премий СССР Б. С. Стечкин (1891 — 1969) — выдаю­щийся ученый в области гидроаэромеханики и теплотехники, ученик Н.Е.Жуковского. Его труды в области термодинамики и газовой динамики лопаточных машин широко используются в теории и практике поршневых и комбинированных ДВС.

Б. С. Стечкин внес весомый вклад в исследование индикаторно­го процесса двигателей, разработал основы теории воздушно-реактивных двигателей.

Профессор Е.Д.Львов (1888 — 1974), конструктор и организа­тор производства первых отечественных тракторов, в 1927 г. опубликовал капитальный труд по теории, конструкции и рас­чету тракторных двигателей.

Основополагающие исследования в области неустановив­шихся режимов работы тракторных двигателей выполнены ака­демиком В.Н.Болтинским (1904— 1977). В 1951 г. был издан его учебник по теории, конструкции и расчету автотракторных дви­гателей для подготовки инженеров-механиков в области сельс­кого хозяйства.

Лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н.Семенов (1896—1986), изучая процесс сгорания топливовоздушных сме­сей, создал новую теорию цепного воспламенения, наиболее полно и адекватно описывающую кинетику окисления топлива в ДВС.

В изучение физико-химических явлений при сгорании топ-ливовоздушной смеси и рабочих процессов карбюраторных дви­гателей значительный вклад внесли профессора А. С. Соколик, А.Н.Воинов, В.И.Сороко-Новицкий и П.М.Ленин. Теория и практика разработки современных дизелей обогащены трудами профессоров Н.В.Иноземцева, В.В.Кошкина, К.С.Орлина, Д.Н.Вырубова, В.И.Крутова, М.С.Ховаха, Н.Х.Дьяченко, В.Н.Луканина, А.В.Николаенко, С.А.Батурина, а также многих других конструкторов и ученых.

2.2. Энергия как мера работоспособности физических тел

Рассмотрим основные понятия, положения и явления, иссле­дуемые современной теплотехникой.

Наблюдая явления, происходящие вокруг нас, изучая процес­сы изменения тел или систем тел, можно заметить, что одни тела или системы производят ту или иную работу, тогда как другие эту работу воспринимают. Каждое тело в любом состоянии об­ладает определенным запасом работоспособности. Она измеря­ется количеством работы, которую может совершить тело. Наи­большую работоспособность тела в данном состоянии в техни­ке принято называть его энергией [16].

Любое тело в зависимости от явлений, происходящих в нем, может обладать энергией нескольких видов: тепловой, химиче­ской, электрической и др. В нем как бы заключен неопределен­ный запас разных видов энергии, причем каждый из них может быть превращен в механическую энергию, хотя полностью ис­черпать всю энергию тела невозможно.

Таким образом, справедливы следующие положения:

• энергия любого тела неотделима от его вещества;
• все тела обладают неопределенным количеством разных ви­дов энергии.

Однако современная техника не в состоянии использовать полностью этот запас энергии.

Исследования энергии тел показали, что она может преоб­разовываться, или переходить, из одного вида в другой. Про­цесс преобразования энергии протекает таким образом, что если какое-либо тело обладает некоторым запасом энергии и производит работу, то запас его энергии уменьшается; если же какая-либо внешняя сила, приложенная к телу, произво­дит работу, то ее результатом является приращение энергии тела.

Следовательно, энергия представляет собой источник рабо­ты. Увеличение запаса энергии является результатом произве­денной работы. На основании этого вывода можно оценивать количество энергии, которым обладают тела, и работу, соверша­емую ими, пользуясь одинаковой единицей измерения, т. е. из­мерять энергию работой.

Все известные виды энергии можно отнести к одной из двух форм: потенциальной и кинетической энергии.

Потенциальной энергией, или энергией покоя, обусловли­ваемой взаимным расположением тел или составляющих их ча­стиц, являются следующие виды энергии:

• химическая;
• энергия притяжения масс;
• энергия упругого тела;
• энергия электрического и магнитного полей и др.

К кинетической энергии, или энергии движения, которой обладают все движущиеся тела, можно отнести:

• энергию движения масс, или механическую энергию;
• лучистую энергию, или энергию электромагнитного излу­чения;
• энергию электрического тока;
• тепловую энергию и др.

Если разные виды энергии обусловливают одно и то же тер­модинамическое состояние закрытой системы, то они эквива­лентны. Количественные соотношения между разными видами энергии называются эквивалентами.

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии в тер­модинамике трансформируется в первое начало, или первый закон, термодинамики. Его основные положения будут рас­смотрены далее.

Универсальный закон, устанавливающий взаимосвязь меж­ду полной энергией и массой, был обобщен А.Эйнштейном в теории относительности (см. гл. 1).

В термодинамике полная энергия Е макросистемы¹

E=E_K+E_n+U,

где Е_к — кинетическая энергия системы; Е_п — ее потенциальная энергия во внешних силовых полях; U — внутренняя энергия. Кинетическая энергия системы, имеющей массу т и ско­рость и, определяется по формуле

Е_к=mv²/2.

Изменение потенциальной энергии системы равно работе, совершаемой над системой при ее перемещении из одной точ­ки силового поля в другое.

Внутренняя энергия — это энергия, содержащаяся в систе­ме. Она включает в себя кинетическую энергию поступательно­го, вращательного и колебательного движений молекул, потен­циальную энергию взаимодействия молекул, энергию внутри­атомных и внутриядерных движений частиц и др.

Внутренняя энергия является однозначной функцией внут­ренних параметров состояния (температура, давление) и соста­ва системы. Поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, ее изменение не зависит от направления (фор­мы пути) процесса, а определяется лишь ее значениями в конеч­ном и начальном состояниях системы, т. е.

Внутренняя энергия — аддитивная величина. Это означает, что для сложной системы она определяется как сумма внутрен­них энергий составляющих частей этой системы:

где i— номер части.

2.3. Топливо — источник тепловой энергии. Виды, физико-химические и эксплуатационные свойства топлива

Источником энергии для тепловых машин является топливо (естественные или искусственные горючие вещества), каждый

¹В настоящей книге мы будем придерживаться обозначений теплотехни­ческих параметров, принятых в большинстве учебников по термодинамике.

вид которого обладает специфическими и весьма важными для практики термодинамическими свойствами.

Почти все виды топлива представляют собой разновидности «природных хранилищ» солнечной энергии, накопленных био­сферой Земли за многие миллионы лет вследствие превращения под действием солнечного излучения воды и углекислоты в органические вещества, составляющие основу всего раститель­ного мира на Земле [16]. Углекислота воздуха, проникая в рас­тительный покров, вступает в химическое взаимодействие с водой, образуя крахмал, который затем в самом растении превра­щается в клетчатку и далее в древесину. Образовавшаяся таким образом клетчатка является веществом, способным гореть в кис­лороде, причем при ее окислении или сгорании вновь образует­ся углекислота и вода с выделением того количества теплоты, которое когда-то было заимствовано у солнечных лучей.

Из клетчатки в результате весьма сложных химических и физических биосферных процессов сформировались почти все природные, или естественные, виды твердого топлива, кото­рые могут быть представлены следующим рядом [16]: клетчат­ка — торф — бурый уголь — каменный уголь — антрацит, где клет­чатка (древесина) — наиболее молодое биосферное вещество, тогда как антрацит — наиболее древнее образование. При сжи­гании всех видов топлива, как состоящих непосредственно из клетчатки (дрова, солома и др.), так и образовавшихся в резуль­тате ее разложения (торф, бурый и каменный уголь, антрацит и др.), аккумулированная в них солнечная энергия высвобожда­ется в виде теплоты.

Природным видом жидкого топлива является нефть¹. Она не только содержит большое количество химически связанной теплоты, но и служит продуктом, из которого путем дальнейшей переработки получают такие ценные искусственные сорта топ­лива, как бензин, лигроин, соляровое масло и керосин, а также смазочные масла. К природным видам жидкого топлива отно­сятся и остатки перегонки сырой нефти — мазут, а также спирт,

'Нефть — горючее ископаемое, маслянистая жидкость от черного до бурого цвета, иногда с красноватым, зеленоватым или оранжевым оттенком. Плотность 750...970 (обычно 800...900) кг/м³. Удельная теплота сгорания 43,7...46,2 МДж/кг. По составу нефть — сложная смесь парафиновых (метановых), нафтеновых и реже ароматических углеводородов; содержание, %, углерода — 82... 87, водо­рода — 11,5... 14,5. В качестве примесей (4...5 %) в нефти находятся соедине­ния, содержащие кислород (главным образом нафтеновые кислоты), серу, азот, смолистые и асфальтовые вещества. Компонентный состав, %: масел — 65... 100; смол — 0... 30; асфальтенов — 0... 5. Спутниками нефти часто являются нефтя­ной газ и вода. Нефть обычно залегает в пористых или трещиноватых горных породах (пески, песчаники, известняки) и тяготеет к куполам. Ее добывают скважинным, редко — шахтным способами [24].

каменноугольные и буроугольные смолы и некоторые расти­тельные масла.

Природным газообразным топливом является природный, или натуральный, газ, искусственным топливом — доменный, или колошниковый, и генераторный газы, газ коксовых печей, светильный газ (смесь таких горючих газов, как метан, оксид углерода и водород, образующаяся при термической переработ­ке каменного угля или пиролизе тяжелых фракций нефти), сжи­женный нефтяной и другие газы.

У всех видов твердого топлива необходимо различать орга­ническую часть, содержащую углерод, водород, кислород и азот, и минеральную, в состав которой входят сера, оксиды железа, алюминия и других металлов, дающие при сгорании топлива твердый остаток, называемый золой. Кроме этих элементов любое природное топливо содержит большее или меньшее ко­личество влаги.

В органической части топлива массовое соотношение угле­рода, водорода, кислорода и азота примерно одинаково для каж­дого вида топлива и зависит исключительно от условий его об­разования. В то же время содержание и массовое соотношение золы и влаги в топливе могут значительно колебаться в зависи­мости от условий его добычи и способа хранения, причем чем меньше содержится в топливе этих элементов, составляющих вместе с серой так называемый балласт, тем оно считается бо­лее ценным в тепловом отношении.

Таким образом, влага, зола и сера являются для любого топли­ва нежелательным балластом, содержание которого необходимо стремиться снизить до минимально возможного уровня. Хотя сера и выделяет теплоту при сгорании, ее присутствие в топливе осо­бенно нежелательно. Образующийся при ее сгорании сернистый газ S0₂, а также наличие в виде примеси несгоревшей серы в золе разрушающе действуют на металлические части огневых поверх­ностей камер сгорания ДВС, топок и котлов. Кроме того, отрабо­тавшие дымовые газы, образующиеся при сжигании сернистых сортов топлива и содержащиеS0₂, губительно воздействуют на окружающую растительность и отравляют воздух.

Жидкие моторные топлива [23] обычно представляют собой смеси различных углеводородов следующих гомологических рядов:

• парафиновые углеводороды — алканы, имеющие элемен-

Таблица 2.1 Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего

Сгорания

Виды топлива	Массовая доля элементов	Молярная масса, кг/кмоль	Чистая теплота сгорания, ккал/кг
	С	Н	О
Автомобильные бензины Дизельное топливо Топливо для тихо­ходных дизелей	0,855 0,870 0,870	0,145 0,126 0,125	_ 0,004 0,005	110... 120 180... 200 220... 280	10 500

В состав жидких моторных топлив входят углеводороды, в мо­лекулах которых содержится от 5 до 30 атомов углерода¹. В бен­зинах встречаются углеводороды с числом атомов углерода до 12, в дизельных топливах — примерно до 30.

Если содержание отдельных элементов в жидком топливе выразить в массовых долях и обозначить символами соответ­ствующих химических элементов, то его элементарный состав будет определяться следующим соотношением:

C+H+ 0 +S+N=l.

Содержание О, Sи N в нефтяных топливах обычно незначи­
тельно, и им часто пренебрегают. Элементарный состав жидких
топлив для ДВС приведен в табл. 2.1. \

Водород обладает большей (приблизительно в 3,5 раза) теп­лотой сгорания, чем углерод, поэтому углеводородные топлива с повышенным содержанием водорода обладают более значи­тельной теплотой сгорания.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально путем его сжигания в среде сжатого кислорода в калориметри­ческой бомбе. При этом получают высшую теплоту сгорания Н₀ топлива, учитывающую выделение теплоты при охлаждении калориметрической бомбы до начальной температуры в резуль­тате конденсации паров воды, образовавшихся при сгорании водорода топлива. В ДВС продукты сгорания выпускаются в окружающую среду при температуре более высокой, чем тем­пература конденсации водяных паров, и, следовательно, в рас­четах полная теплота сгорания не может быть применена.

' В бензинах могут содержаться растворенные газообразные углеводоро­ды с числом атомов углерода в молекуле менее пяти, которые специально до­бавляют для улучшения пусковых свойств двигателей при низкой температу­ре окружающего воздуха [1].

При тепловом расчете ДВС пользуются низшей теп