Большая энциклопедия техники

Коллектив авторов

Газотрубный котел

Газотрубный котел – паровой котел, в котором по стальным трубам проходят газообразные продукты сгорания топлива, а вода циркулирует в межтрубном пространстве. Газотрубный котел является одним из двух основных видов котлов, отличительной особенностью которого является то, что дымовые газы находятся внутри трубы, а вода расположена снаружи трубы.

В зависимости от характера движения воды существуют:

1) газотрубные котлы с естественной циркуляцией;

2) газотрубные котлы с принудительной прямоточной циркуляцией;

3) газотрубные котлы с принудительной многократной циркуляцией.

Одним из изобретателей котлов считается французский физик Дени Папен. Первые котлы имели вид цилиндра диаметром порядка 75—120 см, принцип их действия основывался на том, что при прохождении продуктов сгорания топлива через трубы, омываемые водой, образовывался пар, энергия которого впоследствии преобразовывалась в механическую энергию. После того как начался

массовый промышленный выпуск котлов в целях судостроения, была произведена модификация вышеописанной конструкции и создан горизонтальный газотрубный котел, представлявший собой топку, образование пара в которой осуществлялось путем охлаждения ее водой, причем диаметр топки был почти в 2 раза меньше диаметра котла. Отцом-создателем данной конструкции явился Оливер Эванс. Нужно сказать, что изобретение Эванса изначально имело репутацию не самой надежной конструкции. Причиной этого является то, что во время одного из испытаний котла Эванса судно, на котором был установлен данный котел, затонуло. Это происшествие обошлось без жертв, более того, позже было установлено, что крушение судна никоим образом не связано с изобретением Эванса, котел работал исправно. Причиной же кораблекрушения явилась пробоина, в результате чего вода стала поступать в трюм. Но, несмотря на представленные доказательства, репутация Оливера Эванса и его изобретения сильно пострадала. Ровно через 5 лет после изобретения Оливера Эванса, в 1791 г., Натан Рид сконструировал газотрубный котел, который и по сей день является стандартом. Принципиальной особенностью новой конструкции стало то, что не менее половины от объема котла отводилось под пространство для образующегося пара, это значительно снижало риск перегрузки котла.

Гелиоконцентратор

Гелиоконцентратор (гелио от греч. helios – «солнце» и лат. con – «с, вместе, в», centrum – «центр», «средоточие») – устройство для повышения в сотни раз плотности энергии солнечной радиации. Самая основная конструкторская часть гелиоконцентратора – одно или несколько зеркал или линз, которые собирают (фокусируют) солнечные лучи. Подобные устройства для концентрации солнечных лучей известны давно (например, зажигательные устройства древнегреческого математика и механика Архимеда, французских ученых Т. П. Бюффона, А. Л. Лавуазье). В своем научном труде «Об оптике» М. В. Ломоносов описывает разработанную им оригинальную оптическую систему, составленную из плоских зеркал и собирательных линз. Первым исследователем, осуществившим превращение энергии солнечного излучения в механическую энергию, был Огюст Мушу. В 1861 г. исследователь получил патент на создание двигателя, функционирующего благодаря энергии солнечного излучения. Запуск первого такого двигателя пришелся на 1865 г. Работу по созданию аппарата, работающего на солнечной энергии, вели и другие испытатели. Стоит упомянуть конструкции Джона Эрикссона, Шарля Тейе, Вильяма Адамса. В СССР первый крупный гелиоконцентратор был выполнен в 1946 г. (в Ташкенте) в виде параболоида диаметром 10 м. В дальнейшем подобные параболоидные гелиоконцентраторы были сооружены в других странах: Франции, США и Японии. Так, во Франции в 1968 г. начала действовать наиболее крупная солнечная печь с параболоидным гелиоконцентратором диаметром 54 м. Самый крупный гелиоконцентратор составного типа с площадью зеркала 20 000 м² был спроектирован в СССР для солнечной теплосиловой станции СТС. Основные элементы гелиоконцентратора: жесткая несущая конструкция и зеркальная или линзовая часть. С 1960-х гг. развивается новое направление по изготовлению полужестких и надувных гелиоконцентраторов из различных полимерных, прозрачных и металлизированных тонких пленок. Геометрическая форма отражательной поверхности и схема гелиоконцентратора могут быть самыми различными:

1) параболоидная (параболоцилиндрическая, цилиндрическая);

2) коническая;

3) тороидальная;

4) составленная из отдельных плоских зеркал;

5) зеркально-линзовая;

6) в виде плоских зеркал, которые следят за солнцем, и неподвижного параболоидного концентратора (подвижные плоские зеркала обычно называют гелиостатами, или ориентаторами, они предназначены для направления солнечных лучей на неподвижный гелиоконцентратор).

По характеру поверхностей гелиоконцентраторы можно разделить на фацетные с прерывистой поверхностью зеркала и гладкие с непрерывной поверхностью зеркала. Сложные составные гелиоконцентраторы представляют собой систему подвижных или неподвижных, плоских или искривленных зеркал и линз. Максимальная плотность энергии, достигнутая на высокоточных параболоидных гелиоконцентраторах, равна 35—103 кВт/м², что составляет немного менее половины плотности лучистой энергии на поверхности Солнца (74—103 кВт/м²).

Используется в гелиоустановках.

Гелиоустановка

Гелиоустановка – аппарат, осуществляющий превращение энергии солнечной радиации в электрическую, тепловую и другие виды энергии.

Первым исследователем, осуществившим превращение энергии солнечного

излучения в механическую энергию, был Огюст Мушу. В 1861 г. им был получен патент на создание двигателя, функционирующего благодаря энергии солнечного излучения. Первый такой двигатель был запущен в 1865 г., а усовершенствование этой конструкции продолжалось вплоть до 1880 г. Работу по созданию аппарата, работающего на солнечной энергии, вели и другие испытатели. Стоит упомянуть конструкции Джона Эрикссона, Шарля Тейе, Вильяма Адамса. В 1901 г. в США была построена первая гелиоустановка, работавшая в промышленных масштабах и приносившая правительству реальную прибыль. Использовалась эта установка для добычи воды и орошения почвы.

Большой вклад в становление теории использования энергии солнечного излучения уже во второй половине XX в. внесли советские ученые И. С. Шкловский, В. В. Железняков, В. Л. Гинзбург и др. Благодаря работам Шкловского были получены данные о двух типах солнечного излучения: излучении Солнца в состоянии покоя и излучении, связанном с плазменными колебаниями. Эти данные имели большое значение, так как характер солнечного излучения оказывает прямое влияние на количество энергии, поступающее на Землю.

Гетерогенный реактор

Гетерогенный реактор – одна из разновидностей ядерного реактора, в котором ядерное топливо используется в виде блоков и конструктивно отделено от других элементов (располагается среди замедлителя и составляет правильную решетку материалов активной зоны). Главный признак гетерогенности реактора – наличие тепловыделяющих элементов (сборок, кассет, рабочих каналов). Тепловыделяющие элементы имеют самую разнообразную конструктивную форму (стержень круглого, крестообразного или кольцевого сечения, пластина и др.). Но в любом случае в гетерогенном реакторе существует четкая граница между ядерным горючим, замедлителем и теплоносителем. Подавляющее большинство современных практически выполненных ядерных реакторов всевозможных типов, видов и назначений – гетерогенные. Столь широкое распространение гетерогенных реакторов обусловлено их несравнимо большими конструктивными и технологическими преимуществами по сравнению с гомогенными реакторами.

Гидравлическаятурбина

Гидравлическая турбина – водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию потока воды (ее энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. Главным образом применяется на гидроэлектростанциях для привода электрических генераторов. Диаметр рабочего колеса может достигать 10 м, мощность – 600 МВт и более, расчетный напор до 1700 м. По принципу действия гидравлические турбины делятся на активные и реактивные. Рабочее колесо является основным рабочим органом гидравлической турбины, в котором происходит преобразование энергии. В активных гидравлических турбинах вода подводится к рабочему колесу через сопла, а в реактивных – через направляющий аппарат. В активных гидравлических турбинах вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной гидравлической турбине давление воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Изобретение первой реактивной гидравлической турбины принадлежит французскому инженеру Б. Фурнерону, который сконструировал ее в 1827 г. Гидравлическая турбина имела на рабочем колесе мощность 6 л. с. В 1855 г. американский инженер Дж. Френсис изобрел радиально-осевое рабочее колесо гидравлической турбины с неповоротными лопастями. В 1887 г. немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками (см. «Радиально-осевая гидротурбина»). В 1889 г. американский инженер А. Пелтон запатентовал активную ковшовую гидротурбину. Позже, в 1920 г. австрийский инженер В. Каштан получает патент на поворотно-лопастную гидротурбину. Поворотно-лопастные, радиально-осевые и ковшовые гидравлические турбины широко применяются для выработки электрической энергии.

Для расчета профиля лопасти рабочего колеса гидравлической турбины, вращающегося с постоянной угловой скоростью, используются сложные уравнения. В современных гидравлических турбинах полный КПД (отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через гидравлическую турбину воды) равен 0,85—0,92; при благоприятных условиях работы лучших образцов он достигает 0,94—0,95. Геометрические размеры гидравлической турбины характеризуются номинальным диаметром Д рабочего колеса. Гидравлические турбины разных размеров образуют турбинную серию, если обладают однотипными рабочими колесами и геометрически подобными элементами проточной части. Каждую турбинную серию характеризует коэффициент быстроходности, который численно равен частоте вращения вала гидравлической турбины, развивающей при напоре 1 м мощность 0,7355 кВт (1 л. с.). Чем больше этот коэффициент, тем больше частота вращения вала при определенном, заданном напоре и мощности. Гидравлическая турбина и электрический генератор обходятся дешевле при увеличении частоты их вращения. В связи с этим стремятся строить гидравлические турбины с возможно большим коэффициентом быстроходности. Однако в реактивных гидравлических турбинах этому сильно препятствует явление кавитации, которое вызывает сначала вибрацию агрегата, как следствие – снижение КПД и дальнейшее разрушение материала гидравлической турбины.