Большая энциклопедия техники

Коллектив авторов

Сопло

Сопло – канал, определяющий необходимое направление и разгон потока газа или жидкости, способный также вырабатывать струи жидкостей или газов. Имеет специальную форму поперечного сечения – произвольную, прямоугольную, плоскую, круглую, пространственную, симметричную. Сопло – это часть очень многих технических устройств – газодинамических установок и стендов, аэродинамических труб, воздушно-реактивных двигателей, струйных аппаратов, расходометров. Оно обеспечивает дутьевые процессии и образование пучков молекул в химических реакциях и приборах. Конструкция сопла зависит от его технического назначения, способа образования газового или жидкостного потока. Сопла двигателей ракет дают большой импульс потока газа на выходе при определенных габаритах сопла; сопло аэродинамических труб дает равномерный газовый поток. Принцип действия сопла состоит в непрерывном увеличении скорости газа или жидкости по течению. Но с увеличением скорости непрерывно понижаются давление и температура газа или жидкости до минимальных значений при выходе из сопла. Поэтому сопло имеет сужающуюся форму.

Площадь его поперечного сечения уменьшается с увеличением скорости. В дозвуковом сопле площадь поперечного сечения уменьшается для получения необходимого разгона жидкости или газа. В сверхзвуковом сопле площадь поперечного сечения сначала уменьшается, но потом на выходе расширяется. В дозвуковом сопле давление на выходе равняется давлению окружающей среды. Скорость сначала возрастает на выходе, но с достижением давлением определенной

величины стабилизируется и остается постоянной. Средняя скорость течения в дозвуковом сопле равняется скорости звука, и дозвуковое сопло становится звуковым – такая скорость называется критической. Сверхзвуковое сопло имеет такую же форму, что и критическое, у него самое узкое поперечное сечение. Скорость на выходе определяется отношениями площадей критического сечения и выходного сечения, изменения давления не оказывают влияния на скорость. Скорость на выходе можно менять при постоянной площади выходного сечения, изменяя площадь критического сечения специальными механическими устройствами. Такие регулируемые сопла имеют переменную скорость в выходном сечении и широко применяются в различных технических устройствах. В сверхзвуковом сопле давление на выходе может равняться давлению в окружающей среде – это ракетный режим течения. Но если оба эти давления не равны, то это уже не расчетный режим течения, это может образовать волны разрежения. Чтобы не допускать значительного снижения давления и температуры газа, проводят специальный расчет, учитывающий неравномерные термодинамические переходы и наличие в потоке газа примесей. Такие расчеты осуществляются с помощью ЭВМ. Дальнейшее развитие использования сопла направлено на расширение научных, экспериментальных разработок, связанных с его устройством и работой.

Стирлинга двигатель

Стирлинга двигатель – двигатель внешнего сгорания. Был изобретен в 1816 г. в Англии изобретателем Р. Стирлингом, затем внедрен в 1840 г. Свое название двигатель получил по его имени. Двигатель имел внешний подвод и преобразовывал тепловую энергию в механическую работу, незамкнутый цикл и работал на подогреваемом воздухе. У него были несовершенный теплообменник, большие габариты и масса. Этот двигатель не получил дальнейшего распространения. Но впоследствии были созданы двигатели внешнего сгорания, использующие в своей работе так называемый цикл Стирлинга. Это замкнутый регенеративный цикл последовательно чередующихся процессов – двух изохорических и двух изотермических. Конструкция двигателя внешнего сгорания включает нагреватель, охладитель, поршни (вытеснитель и рабочий), регенератор, горячую и холодную полости, зубчатые колеса для регулировки работы поршней, ромбический механизм. Двигатель внешнего сгорания отводит воду от нижней холодной полости. Вода циркулирует в охладителе. Каналы, проходящие через охладитель, нагреватель и регенератор, соединяют между собой холодную и горячую полости. Два поршня (один рабочий, другой вытеснитель) находятся в цилиндре двигателя. Работа двигателя внешнего сгорания состоит в цикле из четырех тактов. Первый такт: рабочий поршень движется вверх и в нижней полости сжимает рабочее тело, вытеснитель пока неподвижен. Когда рабочий поршень выполнит сжатие газа, он останавливается. Второй такт: вытеснитель движется вниз, при этом из нижней полости в верхнюю перемещается сжатый газ, регенератор и нагреватель нагревают газ. Третий такт: газ расширяется в верхней полости, совершая полезную работу, и оба поршня направляются вниз. Четвертый такт: вытеснитель движется вверх, рабочий поршень не движется, газ направляется в нижнюю полость из верхней и отдает регенератору часть тепла. Охлаждается газ в охладителе. Ромбический механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное.

Модификация двигателя внешнего сгорания – это многоцилиндровый двигатель с одним только поршнем в каждом цилиндре. Этот поршень выполняет расширение, сжатие, вытеснение газа. Рабочий цикл этого двигателя выполняется за один оборот кривошипа. Этот двигатель имеет меньшую массу и габариты. Двигатели внешнего сгорания способны работать на различном топливе, даже ядерном, его сжигание происходит в форсунках, и пламя идет в трубы нагревателя. Продукты сгорания топлива двигателей внешнего сгорания содержат намного меньше токсичных примесей, чем продукты сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поэтому «двигатели Стирлинга» очень экологически выгодны, а также надежны в эксплуатации и экономичны по расходу топлива. Но их существенные недостатки – это большая стоимость, масса, размеры, трудность в управлении и регулировке, сложность конструкции. Современные двигатели внешнего сгорания используются на грузовых автомобилях и судах. Дальнейшее использование таких двигателей перспективно и направлено на снижение габаритов, массы, стоимости, использование рациональных способов их изготовления из жаростойких материалов, увеличение их мощности и производительности.

Тепловая труба

Тепловая труба – устройство, передающее большие мощности тепла. Труба герметизирована, ее наполняет жидкий теплоноситель. Нагреваемая часть трубы – это зона нагрева и испарения жидкого теплоносителя. Охлаждаемая часть трубы – это зона охлаждения и конденсации пара, который приходит из зоны испарения и конденсируется. В зонах испарения и конденсации разная температура, она определяет и разное давление в зонах, что способствует движению пара из зоны испарения в зону конденсации. Внутри тепловой трубы находится капиллярная структура, по ней жидкость возвращается в зону испарения, чему способствует капиллярная разница давлений. Также жидкость может вернуться с помощью силы тяжести или других наружных воздействий. Тепловые трубы, имеющие капиллярную структуру, не зависят от ориентации в поле тяжести, и их используют в условиях невесомости. Отношение плотности тепла, проходящего через тепловую трубу, к снижению температуры на единицу длины тепловой трубы – это эффективная теплопроводность. Она очень высока и доходит до 100 000 000 вт/(м x К), что в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность многих теплопроводящих элементов. Такая высокая теплопроводность тепловых труб и большая надежность в эксплуатации, небольшой вес способствуют очень широкому распространению тепловых труб в различных областях техники и производства – электроники, космической техники, химической промышленности, энергетики.

Тепловой насос

Тепловой насос – устройство, переносящее тепловую энергию теплоотдатчика к теплоприемнику. Теплоотдатчик имеет низкую температуру, теплоприемник имеет высокую температуру. В работе тепловой насос использует внешнюю энергию – электрическую, химическую или механическую. Рабочее тело теплового насоса – жидкость, имеющая низкую температуру кипения (аммиак, фреон).

Тепловой насос имеет большой коэффициент преобразования энергии, так как его теплоприемник принимает тепло еще и от теплоотдатчика, кроме тепла совершаемой работы. Такое преобразование эффективнее по сравнению с прямым превращением механической, химической или электрической энергии в тепло. Но тепловой насос не обладает способностью вырабатывать теплоту и электрическую энергию совместно, что не очень удовлетворяет условиям энергетики. Это снижает возможности применения тепловых насосов. Но при определенных обстоятельствах он эффективен (например, если объект, потребляющий энергию, расположен далеко от ТЭЦ, или в жарком климате для попеременного отопления в холодное время и охлаждения в теплое время года). Применяется в горных районах, где много ГЭС и дешева электрическая энергия.

Тепловой реактор

Тепловой реактор – ядерный реактор, в котором ядра вещества при делении взаимодействуют с тепловыми нейтронами. Тепловые нейтроны образуются при замедлении нейтронов. В активной зоне теплового

реактора находится замедлитель – специальное вещество с легкими ядрами, слабо поглощающими нейтроны, это вещество замедляет нейтроны до тепловой энергии. Замедлитель – как правило, это углеводороды, углерод, тяжелая вода, водород, дейтерий, бериллий, окись бериллия, обычная вода, графит. Тепловой реактор работает на ядерном топливе, которым являются изотопы урана и плутония, имеющие большие сечения для захвата нейтронов с малой энергией, это позволяет загружать небольшое количество делящегося вещества. Для использования в качестве топлива природного урана его обогащают изотопом. На поддержание ядерной реакции употребляется, как правило, один нейтрон, остальные не взаимодействуют с ураном – сырьевым материалом, при этом получается вторичное ядерное топливо – плутоний. Свойства замедлителя и количество сырьевого материала определяют, сколько нейтронов будут с ним взаимодействовать. В тепловом реакторе, в котором топливо – уран, сырьевой материал – торий, количество взаимодействующих нейтронов больше количества разделившихся ядер, что позволяет воспроизводить ядерное топливо. Усиление или ослабление процесса деления выполняет регулирующий стержень реактора – это вещество с хорошим поглощением нейтронов (кадмий, редкоземельные элементы, бор или соединения бора – бористая сталь, карбид бора). Изменение концентрации бора, борной кислоты в теплоносителе также регулирует работу теплового реактора. Отношение числа поглощенных в реакторе нейтронов данного и предыдущего поколения называется эффективным коэффициентом размножения. Это основная рабочая характеристика состояния теплового реактора. Газы и жидкости со слабым поглощением нейтронов применяются как теплоносители, отводящие тепло из реактора. Как правило, это гелий, двуокись углерода, органические жидкости, вода обычная или тяжелая, эти вещества эффективно осуществляют теплообмен. Иногда используются и жидкие металлы или соли. Вода в тепловом реакторе, как правило, является и теплоносителем, и замедлителем. Конструкции активной зоны реактора изготовляются из алюминия и циркония, не влияющих на скорость поглощения нейтронов. Современные тепловые реакторы – это наиболее распространенный, основной вид ядерного реактора, имеющий очень широкое распространение в различных отраслях науки и техники. С помощью тепловых реакторов получают электрическую энергию, радиоактивные изотопы, искусственно делящиеся вещества. Тепловые реакторы применяются также для опреснения морской воды, в научных целях при изучении физических процессов или испытаний различных конструкций.

Тепловыделяющий элемент

Тепловыделяющий элемент – основной конструктивный узел ядерного реактора с ядерным топливом, который располагается в активной зоне реактора и в котором идет реакция деления ядер ядерного топлива. Конструкция тепловыделяющего элемента включает герметическую оболочку и сердечник. Сердечник, как правило, бывает металлический, керамический или металлокерамический. Металлический сердечник сделан из плутония, урана, тория или их сплавов с цирконием, алюминием, цинком. Металлокерамический сердечник – это сплав урана и алюминия. Керамический сердечник – это сплав окислов, карбидов. Эти сердечники прочны и не изменяют свои размеры и физические свойства в высокотемпературных условиях и в зоне нейтронного излучения. Вещества, не принимающие участия в делении и воспроизводстве ядерного топлива, являются в таких сердечниках наполнителем. Чаще всего сердечники бывают керамические со спеченной двуокисью урана, они не меняют свою форму и размер и не подвержены деформации при выгорании топлива. Такие сердечники используются в энергетических реакторах на слабообогащенном уране. Герметизирующая оболочка защищает сердечник тепловыделяющего элемента от теплоносителя. Это очень важно, так как недопустимо попадание в теплоноситель продуктов деления, поскольку это может нарушить работу реактора. Поэтому материал, из которого сделана герметизирующая оболочка, имеет высокую термическую, коррозионную, эрозионную стойкость и механическую прочность. Чаще всего герметизирующая оболочка изготавливается из сплавов циркония, алюминия и стали. Выбор материала оболочки зависит от температурного режима реактора. В реакторах с температурой ниже 300 °С оболочка выполнена из сплавов алюминия, в реакторах с температурой до 400 °С – из сплавов циркония, в реакторах с температурой более 400 °С – из нержавеющей стали. Иногда герметизирующая оболочка изготавливается из графита с большой плотностью. Диффузное сцепление между герметизирующей оболочкой и сердечником улучшает теплообмен между ними, но это возможно, если материалы, из которых изготовлены оболочки и сердечник, обладают близкими коэффициентами объемного расширения. Если же их коэффициенты сильно отличаются, то зазор между сердечником и оболочкой заполняют теплопроводящим газом – гелием. Форма сердечника определяет форму тепловыделяющего элемента. Как правило, это цилиндрический стержень, но бывают пластинчатые, трубчатые стержни. В реактор тепловыделяющие элементы помещают собранными в виде блоков, кассет, пакетов. В жидких земедлителях, которые являются и теплоносителями, блоки элементов направляют поток жидкости. При твердых замедлителях блоки элементов располагают в каналах с теплоносителем. Тепловыделяющий элемент способен работать в энергетическом реакторе до нескольких лет.

Теплообменник

Теплообменник – устройство теплопередачи между несколькими теплоносителями или между теплоносителем и поверхностью. Передача тепла – важнейший процесс в теплотехнике. Теплообменники имеют различную конструкцию, которая определяет их принцип действия. Существуют теплообменники-рекуператоры, регенераторы, смесители. Теплообменники-рекуператоры имеют два подвижных теплоносителя, температура которых различна, их разделяет твердая стенка. Процесс теплообмена между ними – это конвективный теплообмен. Подогреватели и парогенераторы – это рекуперативные теплообменники. Рекуператоры бывают змеевиковые, трубчатые, кожухотрубные, пластинчатые. Регенеративные теплообменники – это поверхность нагрева, которую попеременно омывает то холодный, то горячий теплоноситель. Когда происходит контакт поверхности с холодным теплоносителем, то она охлаждается, отдавая тепло, когда осуществляется контакт с горячим теплоносителем, то она нагревается, отбирая тепло. Как правило, такие регенераторы используются в качестве воздухонагревателей доменной печи. Оба вида теплообменников – и рекуператор, и регенератор – поверхностные, так как передача тепла в них идет на поверхности твердого тела. Смесительные теплообменники работают на основе прямого соприкосновения теплоносителей. Существуют также теплообменники, имеющие внутренний источник тепла. В них работает один теплоноситель. В основном это ядерные реакторы, различные электронагреватели. Для правильного выбора теплоносителя осуществляют его тепловой расчет, учитывающий теплопередачу и тепловой баланс. Поверхность теплообмена определяется специальными проектными расчетами. Количество переданной теплоты при заданной поверхности теплообмена и температура теплоносителей определяются поверочными расчетами. Такие теплообменные устройства широко используются в теплотехнике.

Теплофикационная турбина

Теплофикационная турбина – это разновидность паровой турбины.

Теплофикационный котел

Теплофикационный котел – устройство, подающее пар теплофикационным турбинам и одновременно вырабатывающее горячую воду для отопления. Представляет собой котлоагрегат ТЭЦ. Теплофикационный котел работает на воде – возвращенном конденсате. Поэтому котлоагрегат имеет барабанное устройство и ступенчатое испарение. При малой продувке котла вырабатывается чистый пар. Если теплофикационный котел используется для получения отопительной воды, то его работа носит практически сезонный характер. Чтобы не нарушить режима работы, теплофикационные котлы, кроме воды для отопления, вырабатывают пар для турбин. Как правило, производительность пара такого котла – 420 т/ч, давление пара – 14 Мн/м² при температуре 560 °С.