Нужен ли "тепловым" двигателям "холодильник"? (Продолжение)

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив. d-pi@yandex.ru

В начале статьи "Нужен ли "тепловым" двигателям "холодильник"?" я остановился на обещании разобрать устройство и принцип работы паровой машины паровоза - как пример того, что следует изучать в школе вместо "цикла Карно".

В качестве основного учебного пособия я буду использовать книгу, написанную А.В. Хмелевским и П.И. Смушковым "Паровоз. Устройство, работа и ремонт." Издательство "Транспорт", 1973 год

Итак, основными частями любого паровоза являются:

1). котел, который выполняет функцию источника пара (газа) избыточного давления.

2). паровая машина, которая преобразует создаваемое в котле избыточное давление пара в "движущую силу", в механическое движение экипажной части.

3). экипажная часть, которая и приводится в движение "движущей силой", создаваемой паровой машиной.

Никакого "холодильника Карно", об обязательном наличии которого для ЛЮБОГО теплового двигателя постоянно писали и пишут учёные остолопы - авторы школьных учебников физики и даже институтских курсов по общей физике, мы не видим.

*ПРИМЕЧАНИЕ А паровая машина паровоза - самый что ни на есть настоящий тепловой двигатель, превращающий "движущую силу огня" в механическую силу.

---

А не видим мы "холодильника Карно" по той простой причине, что ни паровозы, ни современный ДВС в нём не нуждаются - потому что ЦИКЛ РАБОТЫ у них НЕ ЗАКРЫТЫЙ, как, например, у двигателей Стирлинга, а ОТКРЫТЫЙ - то есть по завершении цикла отработавшее свой цикл рабочее тело просто и беспардонно выбрасывается в окружающее пространство, в атмосферу, причем во время процесса выброса совершенно не играет никакой роли температура атмосферы, важно лишь её давление - чем больше давление, тем обычно ниже КПД теплового двигателя.

Более того, в холодное время года, например, зимой, КПД паровозов падает - по той причине, что приходится затрачивать больше угля на разогрев воды, поступающей из тендера (поэтому кое-где использовались тендеры с подогревом), а также на компенсацию потерь тепла в котле и в самих цилиндрах паровой машины. Но физико-теоретикам на это наплевать.

Для начала давайте вспомним теорию, не современную "теоретическую термодинамику", основанную на ошибках и заблуждениях 300-летней давности, а настоящую физическую теорию, нераздельную с практикой. Я приведу лишь пару страничек из книги Хмелевского и Смушкова, но эти две странички стоят многотомных курсов лекций "авторитетных" физико-теоретиков.

Речь пойдёт о пароперегреве. Впервые использовать пароперегрев для паровозов предложил русский инженер (не академик!) Егор Егорович Нольтейн (1854—1934). Он в 1876 году окончил Институт инженеров путей сообщения в Петербурге и начал практическую деятельность на железных дорогах. Попутно, с 1896 по 1905 год преподавал в Московском инженерном училище (будущий МИИТ). Так как, по моим наблюдениям, современные инженеры (я уж молчу про преподавателей физики в вузах) вообще ничего никогда не слышали о пароперегреве, предлагаю внимательно прочесть вот это:

Понятно, что речь идёт об абсолютном давлении насыщенного пара при 100 градусах. Тут авторы немного ошибаются. 1 кГ/см^2 - это 1 ат, техническая атмосфера, 1 ат = 1 кгс/см^2, тогда как абсолютное давление насыщенного пара при 100 градусах Цельсия будет равно 1 атм, то есть 1,033 ат, кгс/см^2, кГ/см^2

При увеличении температуры насыщенного пара (при продолжении нагрева в закрытом котле) возрастает его удельный вес (опять неточность у авторов - удельная масса) и, самое главное - возрастает ДАВЛЕНИЕ пара, что и используется во всех паровых двигателях высокого давления. Я уже писал, что в наиболее совершенных паровозах давление пара достигало величины в 15...17 ат.

Особенно важно для усвоения материала понять пункт б) - полученный в котле паровоза насыщенный пар потом попадает в специальные жаротрубные пароперегреватели, в которых продолжает разогреваться и выходит из состояния насыщенного пара, и для создания одинакового давления в одинаковом объёме требуется перегретого пара требуется значительно меньше, чем насыщенного. В принципе, наша земная атмосфера как раз и состоит из перегретых паров кислорода и азота.

В дальнейшем в систему перегрева пара в паровозах вносили усовершенствования инженеры (не академики с их циклом Карно!) К.Ф. Неймайер, Н.М. Ноткин, С.М. Чусов...

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАРОВОЙ МАШИНЫ.

Итак, мы подобрались к самому важному - с работе паровой машины паровоза, которая, реализуя избыточное давление перегретого до 360 - 410 градусов водяного пара, и создаёт движущую силу, вращающую посредством кривошипно-шатунного механизма колёсные пары паровоза, приводящую в движение как сам паровоз, так и весь состав, увлекаемый паровозом.

Перегретый пар (после котла и парожарных труб) давлением в 15...17 атмосфер поступает в одну (на этом рисунке - в правую) полость цилиндр, тогда как вторая полость цилиндра открыта, соединена с атмосферой (не холодильником) - и поэтому пар выходит из этой полости в атмосферу и давление в этой второй (левой на рисунке) полости стремится к атмосферному. Так и создаётся движущая сила F = (p_в_одной_полости - p_в_другой полости) * S. При давлении перегретого пара в 16 атм и диаметре поршня 60 см паровая машина паровоза имеет от одного цилиндра максимальную продольную движущую силу, толкающую ползун (грубо, для простоты примем, что 1атм = 1 ат = 1 кГ/см^2) F = (16 ат - 1 ат) * 3,14 * 60^2 / 4 = 15 кГ/см^2 * 2827 см^2 = 42,4 тс, тонно-силы

Основой паровой машины являются цилиндр с поршнем внутри и золотником:

То есть, что важно понять: у паровой машины паровоза есть свой парораспределительный механизм в виде золотниковой камеры с золотником, который играет примерно ту же самую роль, что и газораспределительный механизм (ГРМ) в современных автомобильных ДВС.

Принцип работы золотника:

Пар высокого давления через паровпускное отверстие "г" и, полость золотниковой камеры "А" и отверстие "б" попадает в правую полость цилиндра паровой машины, создавая в ней избыточное давление. Левая полость цилиндра соединена с атмосферой через канал "а" и выпускное отверстие "в", поэтому давление в этой полости стремится к атмосферному. При изменении положения золотника пар высокого давления поступает в левую полость, а с атмосферой соединяется правая.

Практика паровозостроения показывает, что вовсе не обязательно подавать пар высокого давления в ту или иную полость цилиндра в течение всего рабочего хода поршня. Вполне достаточно "впрыснуть" пар высокого давления в начале рабочего хода - в дальнейшем пар продолжал давить на поршень, расширяясь, уже с меньшим давлением, но этого давления вполне хватало. чтобы поддерживать нужную скорость всего состава, увлекаемого паровозом. У паровозников это называлось "отсечкой".

Интересно, остолопы, рассказывающие про цикл Карно в школах и вузах, хотя бы слышали про такое понятие - "отсечка", я уж не говорю о том, как эта самая отсечка влияет на экономичность работы реальной паровой машины?

Разумеется, существует и теоретический цикл работы паровой машины паровоза:

У паровозников были приняты следующие этапы одного хода поршня (Удивительно, но они никак не совпадают с циклом Карно. Интересно, почему?):

1-2 - Начало рабочего хода, впуск пара высокого давления, продолжается до момента начала отсечки пара золотником. Мне только непонятно, почему он на теоретическом графике не более горизонтальный?

2-3 - Завершение рабочего хода при расширении пара. Золотник перекрывает как входное, так и выпускное отверстия, поэтому теоретически линия 2-3 на графике должна быть обыкновенной адиабатой для многоатомного газа (Н2О - целых три атома в одной молекуле. Хотя не исключено, что в парожарных трубах может происходить и частичное разложение воды на кислород и водород - ведь Лавуазье в 1779 году в своих опытах добился разложения воды на кислород и водород, пропуская пары воду через раскалённый докрасна ружейный ствол.)

3-4 - Начало выпуска отработавшего рабочий ход пара - золотник открывает выпускное отверстие. Правда, ради справедливости следует сказать, что выпускное отверстие не соединяет полость цилиндра непосредственно с атмосферой. Выпускаемый пар имеет еще некое избыточное давление и используется для усиления тяги (притока свежего воздуха) в топку паровоза.

4-5. Обратный ход поршня - выпуск пара при открытом выпускном отверстии. Пар, при атмосферном давлении, как бы "выдавливается" из цилиндра паром высокого давления в другой полости цилиндра.

5-6. Сжатие остатков пара при обратном ходе поршня. Золотник перекрывает выпускное отверстие в точке 5 и оставшийся пар начинает сжиматься. Теоретически - это опять адиабата. Кстати, на это адиабатное (в теории) сжатие расходуется энергия как пара высокого давления в другой полости цилиндра, так и кинетическая энергия всего паровоза. Одна из глупостей цикла Карно как раз и состоит в том, что потери энергии на адиабатное сжатие никак не учитываются дебилами-профессорами, год из года "доказывающими" на своих занятиях "теоремы Карно". И кому бы из таких профессоров я не указывал на это. они все делали глупое выражение лица, не понимая, что именно я им объясняю. Настолько сильны в их мозгах стереотипы и вера в ошибочные догматы.

Есть вопрос - а зачем вообще нужно это сжатие в конце обратного хода поршня?

6-1 - Предварение впуска пара, золотник открыл впускное окно и пар высокого давления начал поступать в полость цилиндра (немного похоже на опережение зажигания у бензиновых ДВС).

Реальные же индикаторные диаграммы паровой машины выглядят вот так:

График, как надо полагать, составлен для ОТНОСИТЕЛЬНОГО давления, за 0 принято атмосферное давление окружающей атмосферы. Давление в полостях цилиндра при обратном ходе поршня, как видно, выше "теоретического" атмосферного, потому что даже при наличии отверстия, соединяющего полость с атмосферой, требуется некоторое время, чтобы давление "устаканилось". Но во время обратного ходя поршня такой "передышки" никто дать не может.

Некоторые "особо эрудированные" граждане даже после прочтения всего этого будут повторять что для "паровых машин паровозов" "холодильником Карно" является атмосфера. Почему? Потому что так написано в школьных учебниках по физике и других "умных книжках", написанных "авторитетными авторами", навроде Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшица и прочих, а свои мозги у "особо эрудированных" граждан обычно не работают.

Так вот.

Две полости цилиндра - соответственно и две кривые на индикаторной диаграмме на Рис. 112. На каждой из которых можно легко увидеть все этапы теоретического цикла. Как я уже отмечал, впуск пара высокого давления - в реальности более горизонтальная линия. Кроме того, надо понимать, что открытие и перекрытие золотником впускного и выпускного отверстий происходит не мгновенно, а при некотором перемещении как поршня, так и самого золотника. Кроме того, "изгоняемый" из одной из полостей отработавший рабочий ход пар не попадает прямо в атмосферу. "ОН ПОПАДЕТ В ХОЛОДИЛЬНИК" - радостно завопят "особо просвещенные" граждане, уверовавшие в цикл Карно и в глупости, написанные в школьных и вузовских учебниках. Нет, всё как раз наоборот наоборот. Отработавший пар попадает в дымовую трубу, причем температура дыма гораздо выше, чем температура отработавшего пара:

Здесь, разумеется имеется в виду избыточное надо атмосферным давление пара.

"Газы в дымовой камере", разогревающие пар в парожарных трубах до температур в 360-410 градусов по Цельсию - это прекрасный пример "холодильника Карно". Не так ли?

Sapere aude