> Техника, страница 1 > Виды энергии и ее использование

Виды энергии и ее использование

Раньше уже указывалось, что теплота есть источник всех видов энергии. В настоящее время всем известны и пользуются широким применением в промышленности и в домашнем быту следующие виды энергии: тепловая, световая, механическая и электрическая. Для нас интересны только виды, дающие нам энергию движения, а таковыми будут тепловая, механическая и электрическая энергии.

В мировом, пространстве энергия проявляется в очень многочисленных и разнообразных видах, но мы научились использовать их еще не все и недостаточно рационально. Тепловая энергия, приходящая к нам с солнечными лучами, используется на земле в самом ничтожном количестве; рассеянную в атмосфере в огромном количестве электрическую энергию, проявления которой мы видим цри грозах в виде молнии, мы еще не научились использовывать, хотя в последнее время появляется надежда, что в недалеком будущем мы научимся собирать атмосферное электричество. Существует еще механическая энергия ветра и волн; из них только первая используется, да и то в ничтожных количествах.

Не умея использовать природные запасы разных видов энергии непосредственно, мы получаем необходимую нам энергию из тепловой энергии, а последнюю добываем путем сжигания топлива. Пути превращения тепловой энергии, заключенной в различных видах топлива, в другие виды энергий различны по внешней форме, но в конце концов сводятся к одному и тому же. Обыкновенный способ превращения тепловой энергии топлива в механическую или электрическую энергию заключается в том, что топливо сжигается непосредственно в двигателях внутреннего сгорания или же в топках паровых котлов; при этом его энергия превращается в механическую энергию движения. Механическая энергия дальше может быть легко превращена в энергию электрическую, которая для нужд промышленной и обыденной жизни превращается снова в энергию механическую, световую и тепловую. Из замкнутого круга превращения мы видим, что, исходя из тепловой энергии, мы после целого ряда превращений снова получаем тепловую энергию. Количество тепловой энергии, полученное в последней стадии превращения, никогда не может быть равным количеству, затраченному в начале процесса. Это обстоятельство объясняется несовершенством наших машин и процессов, при помощи, которых мы превращаем один вид энергии в другой; так, например, при превращении тепловой энергии в механическую мы в лучшем случае можем использовать не больше 40% затраченной тепловой энергии. Потеря энергии происходит от различных причин, в рассмотрение которых мы входить здесь не будем.

Нужно отметить еще, что теперь широко используют энергию падающей воды, которую превращают в механическую и электрическую энергии.

Нельзя не указать на огромные запасы механической энергии, рассеянные по земле в виде рек, водопадов и ветров. Эти источники, особенно последний, являются совершенно бесплатными. Для использовния ветра даже не требуется никаких особенно сложных приспособлений, почему оно и получило довольно широкое распространение в мелких хозяйствах и сельских промышленных предприятиях. Нерегулярность ветров и их неравномерность являются главными препятствиями к широкому пользованию этими источниками энергии.

Энергия ветра зависит от силы ветра. Последняя в приложении к случаю ветряных двигателей называется давлением ветра и изменяется в килограммах на 1 м². Сила, или давление, ветра изменяется в зависимости от его скорости. Скоростью называется путь, проходимый частицей воздуха в секунду, она измеряется метрами.

Для пояснения зависимости между скоростью ветра и его силой, или давлением приведем таблицу

Ветер
	Тихий	Легкий	Слабый	Умеренный	Свежий	Сильный
Скорость в м/c	4	6	8	11	16	13
Давление в килограммах на м³	1,15	2,59	4,59	8,69	12,18	18,38

С понятием силы всегда неразрывно связано понятие работы. Работа, производимая силой, выражается в сложных единицах—килограммометрах — и представляет собой произведение из силы (килограммы) на путь (метры).

Для пояснения разберем несколько примеров. Допустим, что мы подняли гирю весом в 5 килограмм (вес — сила, с которой притягивает земля данное тело) на высоту 10 метров; в таком случае говорят, что совершена работа, равная 50 килограммометрам (5 килограмм×10 метров=50 килограммометров).

Паровоз тянет поездной состав на протяжении 1 км, затрачивая силу в 225 килограмм; беря произведение силы, 225 килограмм на путь, 1 000 метров, получаем 225 000 килограммометров; это и есть работа, затраченная паровозом на передвижение вагонов.

Одну и ту же работу мы можем произвести или очень быстро или очень медленно, в зависимости от чего в единицу времени придется затратить большую или меньшую энергию. Для того чтобы ясно представить себе, какой двигатель нужен для выполнения определенной работы, надо, следовательно, знать, кроме количества работы, также и время, в течение которого она совершается. Работа, которую совершает двигатель в единицу времени характеризует его мощность.

В технике мощность двигателей измеряется в лошадиных силах. Лошадиная сила равняется 75 килограммометрам в секунду и обозначается HP, или по-русски ЛС. Если говорят, что паровая машина развивает 75 ЛС., или что ее мошность равна 75 лошадиным силам, то это значит, что она может произвести в секунду работу, равную 75×75=5 625 килограммометров. В случае электрических машин часто мощность измеряется в киловаттах; 1 килловатт=1,36 ЛС.

Водяной пар

Ввиду того, что водяной пар очень часто применяется в качестве источника энергии для силовых станций, необходимо поближе ознакомиться с его основными свойствами. В промышленности используют либо насыщенный пар, либо пар перегретый.

Если взять закрытый сосуд с водой, снабдить его термометром и манометром (прибор для измерения давления) и нагревать, то скоро заметим, что температура станет повышаться; когда вода закипит, термометр будет показывать 100° Ц. Но так как сосуд закрыт, и пар выхода не имеет, то при дальнейшем нагревании не только повысится температура, но и на манометре стрелка будет двигаться, указывая повышение давления. Давление пара измеряется в атмосферах. Атмосферой называется давление, равное 1 килограмм на 1 см².

Сравнивая температуру пара и показания манометра, можно видеть, что при повышении давления температура кипения воды повышается, а при понижении уменьшается. В следующей таблице показана эта зависимость:

Давление в килограммах на 1 см² (манометр)	Температура кипения воды
0,0	99,1° Ц
4.0	151,0° „
9.0	178,9° „
14.0	197,2° „
19.0	211,3° „

Увеличение давления обусловливается переходом воды в парообразное состояние, что сопровождается увеличением объёма. 1 килограмм воды занимает объём в 1 кубический дециметр (литр), а 1 килограмм пара— 1 722 литра (при нормальном давлении); таким образом при переходе воды в пар объём увеличивается в 1 722 раза; при обратном процессе, сгущении пара, давление будет уменьшаться, вследствие уменьшения объёма. Представим себе, что манометр показывает давление в 9 атмосфер, а термометр 179°Ц; если прекратить нагревание, то вскоре температура начнет падать, а вместе с ней и давление; следовательно часть пара перейдет в воду. Если снова нагревать сосуд, то опять с повышением давления будет повышаться и температура, то есть пойдет обратный процесс: часть воды будет превращаться в пар. Пар, который при малейщем отнятии тепла переходит в воду, носит название насыщенного; это значит, что при данной температуре и давлении в данном объёме содержится максимальное количество водяного пара. Если насыщенный пар пропустить через металлическую трубку, накаленную до высокой температуры, то температура пара повысится, но это повышение температуры не будет сопровождаться соответствующим повышением давления; например: насыщенный пар, имеющий 4 атмосферы давления и температуру 150 Ц, можно легко нагреть, пропуская его через раскаленную железную трубку, до температуры 179—180°Ц; но давление при этом будет оставаться постоянным.

Если от такого нагретого пара отнимать тепло, то он не будет сгущаться в воду пока температура не упадет до 150°Ц, после чего при отнятии тепла будет происходить соответствующее падение давления. Пар, который при отнятии тепла не переходит в воду, называется перегретым.

Паровые котлы

Паровыми котлами называются приборы для получения водяного пара, который может быть использован для нагревания или приведения в действие паровых двигателей. Простейший паровой котел (рисунок 38) представляет собой вмазанный в кирпичную кладку лежачий цилиндр, под дном которого располагается топка. Котел заполняется водой примерно на три четверти диаметра; под этим цилиндром разводится огонь, вода в котле нагревается, превращается в пар и расходуется на те или другие нужды. Такой котел крайне не совершенен; он требует затраты сравнительно очень большого количества топлива на испарение воды и отличается малой производительностью.

Современные паровые котлы можно разбить на следующие группы:

Котлы с жаровыми трубами (корнвалийские и ланкаширские),
Котлы локомобильного типа (паровозные котлы, называемые трубчатыми) и
Котлы водотрубные.

Все другие котлы относятся к смешанному типу и представляют различные комбинации упомянутых выше типов

Рисунок 38. Цилиндрический паровой котел.

Корнвалийский котел изображен на рисунке 39.

Цифры обозначают следующее: 1— колосники, 2 — порог топки, А — жаровая труба, В — поворот в первый дымоход, 4 — первый дымоход, 5 — второй дымоход, 6 — боров, 7 — регистр, 9 — цепь регистра, 10—блоки, 11 — сухопальник, 12 — предохранительный клапан, 13 — запорный вентиль, 15— водомерное стекло, 17 — спускной кран, 18 — люк, 19 — топочная дверца, 20 — зольная дверца.

Этот котел имеет очень большое преимущество перед описанным раньше простейшим котлом как в отношении использования топлива, так и производительности.

Ланкаширские котлы отличаются от корнвалийских тем, что имеют две жаровых трубы вместо одной.

Локомобильные котлы

Паровые котлы локомобильного типа отличаются очень большой производительностью при сравнительно небольшом объёме и весе и поэтому широко применяются для установки в малых помещениях. Главный признак этого типа котлов — большое количество узких про-гарных (дымогарных) трубок, расположенных сейчас же за порогом топки. Дымовые газы проходят сквозь эти трубки и выходят прямо в боров (рисунок 40).

Водотрубные котлы

Этот тип привлек к себе особое внимание конструкторов, И существует большое количество систем водотрубных котлов, часто отличающихся один от другого только в мелких деталях. В первых двух типах котлов дымогарные газы проходят внутри жаровых труб, а вода находится между трубками. В водотрубных котлах, наоборот, вода на ходится в трубах, а пламя и газы проходят между трубок. На рисунке 41 представлен водотрубный котел системы Штейнмюллера. Устройство котла ясно из рисунка. Циркуляция воды происходит в направлении от задней стенки к передней; благодаря циркуляции воды происходит гораздо лучший обмен тепла, а следовательно, и лучшее использование топлива.

Помимо указанного разделения котлов по типам, их еще разделяют на котлы низкого давления (до 5 атмосфер) и котлы высокого давления (выше 5 атмосфер). Котлы низкого давления теперь применяются только как нагреватели; котлы же высокого давления применяются главным образом для приведения в действие двигателей. Очень важной харак теристикой парового котла является поверхность нагрева и паропроизводительность.

Поверхность нагрева выражается в квадратных метрах. Под поверхностью нагрева подразумевают поверхность трубок и вообще поверхность, обогреваемую газами и пламенем. Для различных типов котлов она не единакова. Предельные поверхности нагрева приблизительно следующие;

Корнвалийский	до 50 м³
Паровозные	до 300 м³
Водотрубные	до 2 500 м³

Паропроизводительноетью называется количество воды, испаряющееся с одного поверхности нагрева котла за один час. Она колеблется от 18 до 60 килограмм с одного в час; для водотрубных— в среднем 30 килограмм

Рисунок 39. Корнвалийский паровой котел.

Рисунок 40. Котел локомобильный.

Рисунок 41. Водотрубный котел.

Машинные двигатели

Все приборы, играющие в промышленности большую роль, можно подразделить на две очень крупные группы; машины-двигатели и машины — орудия. К первой группе относятся такие машины, которые превращают тепловую или электрическую, или другую какую-либо энергию в механическую энергию движения; вторая группа состоит из машин, выполняющих определенную работу за счет энергии, развиваемой машинами-двигателями.

Для нас особенно интересной является первая группа. Все машины-двигатели можно подразделить на ветряные, водяные, тепловые и электрические.

Рисунок 42. Ветряной двигатель.

Ветряные двигатели

Эти двигатели используют силу ветра. Ветер, как уже указывалось раньше, обладает силой, которая используется непосредственно для переноса аэростатов (воздушные шары) с одного места. на другое. Пдя того чтобы использовать силу ветра для промышленных или домашних целей, ее необходимо преобразовать в вид, удобный для использования. Сила ветра заключается в давлении, которое ветер производит на поставленную ему преграду; это свойство и было использовано для улавливания энергии ветра Если взять небольшой деревянный щит и поставить его прямо против ветра, то его будет отклонять в направлении, по которому дует ветер, но если его поставить под углом, то легко заметить, что щит начнет отклоняться в другом направлении, чем направление ветра; последнее обстоятельство было использовано для устройства ветряных двигателей. В общих чертах составные части всякого ветряного двигателя следующие (рисунок 42): крылья, насаженные на спицы, спицы, вал с подшипником, конические шестерни и вал, передающий движение рабочим машинам.

Так как ветер никогда не дует параллельно земле, а всегда под углом, то вал ставят несколько наклонно, приблизительно под углом 12° к горизонту.

Водяные двигатели

Всякий водяной двигатель использует энергию движения или энергию падения воды. Возьмем какой-нибудь водопад (смотрите рисунок 43) и посмотрим, какой запас энергии несет с собой движущаяся вода. Мы уже знаем, что работа выражается произведением силы на путь, а если мы возьмем работу за 1 секунду, то получим мощность. Допустим, что в данном случае в 1 секунду протекает 1 000 м³, то есть 1 000 000 килограммов воды. Высота Н=2 метров.

Рисунок 43. Водопад.

Рисунок 44. Схема плотины.

Рисунок 45. Водяное колесо.

Тогда согласно определения мощности она выразится (1 000 000×2) : 75=26 667 ЛС.; это и будет работа, совершаемая падающей водой в 1 секунду. Совершенно одинаковый результат получится и в случае плотины с нижним отводом воды (рисунок 44) при условии одинаковых высот Н и количества протекающей воды в секунду.

Все водяные двигатели можно подразделить на поршневые — водостолбовые машины ¹); водяные колеса— верхненаливные, среднебойные и подливные, и водяные турбины— горизонтальные и вертикальные.

Водяные колеса

Водяные колеса могут использовать, как энергию падающей, так и текущей воды. Вертикальное колесо (рисунок 45) приводится в вращение почти исключительно за счет веса воды. Из рисунок 45 ясно, что в ковшах вода находится только на одной стороне колеса, на другой стороне ковши пусты; следовательно в этом колесе всегда одна половина тяжелее другой. Тяжелая половина перевешивает, и ковши падают вниз, приводя в движение колесо. Колесо наглухо насажено на вал, который приводит в действие жернова или другие машины.

1) Они применяются крайне редко, и поэтому нет необходимости их описывать.

Верхние наливные колеса находят широкое распространение при устройстве небольших сельских мельниц. При правильно поставленных ковшах они работают с хорошим коэффициентом полезного действия, доходящим до 0,7 — 0,8. Наиболее подходящий напор воды для них колеблется в пределах Н=3 метров.

Так как в дальнейшем часто придется встречаться с понятием „коэффициент полезного действия“,то его необходимо пояснить более точно. Коэффициентом полезного действия (коэффициент полезного действия) называется отношение количества полученной энергии к количеству затраченной. Для ясности разберем пример. Возьмем простейшую машину — блок, при помощи которого надо поднять груз в 20 килограмм. В веревку между блоком и тянущим человеком включим пружинные весы, при помощи которых можем измерить силу, затраченную на подъем. Всегда весы будут показывать немного больше 20 килограмм и в зависимости от устройства блока этот избыток может изменяться. Допустим, что для поднятия 20 килограмм пришлось затратить 25 килограмм, тогда коэффициент полезного действия блока выражается отношением 20 : 25, то есть 0,8. Часто отношение умножают на 100 и получают коэффициент полезного действия выраженный в процентах, в данном случае получим 0,8×100= 80%.

Подливное колесо

Подливное колесо, устройство которого ясно из рисунка 46, работает за счет энергии движущейся воды. Вода, вытекающая из нижнего отверстия, попадает та лопатки, давит на них, и за счет давления колесо начитает вращаться.

Рисунок 46. Подливное водяное колесо.

Рисунок 47. Подливное колесо Понсле.

Рисунок 48. Среднебойное колесо.

Рисунок 49. Радиальная турбина.

Простое подливное колесо в сравнении с верхненаливным гораздо менее совершенно, и коэффициент полезного действия его доходит только до 0,35. Если сделать лопатки не прямые, а по определенным кривым (колесо Понсле), то получается гораздо больший коэффициент полезного действия, доходящий до 0,6 — 0,7. Колесо Понсле представлено на рисунке 47.

Среднебойное и средненаливное колеса используют частичную энергию движения и частичную энергию падения. Средненаливное колесо устраивается одинаково с верхненаливным; разница заключается в том, что вода льется на колесо не в верхней части, а в средней. Среднебойное колесо (рисунок 48) имеет подход воды внизу почти на средине и работает как за счет течения, так и за счет веса воды, заключающейся между лопатками. Эти колеса ставят при ма.тых и переменных напорах воды. Впуск воды устроен так, что она поступает через прорез в щите; последний может перемещаться и впускать воду выше или ниже.

Водяные турбины

Описанные водяные колеса устанавливаются только при малых напорах; при больших напорах ставят так называемые водяные турбины. В водяных турбинах используется энергия текущей воды так же как, она используется в колесе Понсле. Отличие водяных турбин от водяных колес заключается в том, что в них вода входит с одной стороны, а выходит — с другой; например в турбине Фрэнсиса вода входит по внещней окружности, а выходит по внутренней. В зависимости от направления протекающей воды, турбины можно подразделить на радиальные и осевые.

Радиальными турбинами называются такие, в которых вода входит в турбину по направлению радиуса колеса (рисунок 49), а осевые — когда вода течет параллельно оси турбинного вала (рисунок 50). Раньше уже указывалось, что водяная турбина использует энергию текущей воды. На рисунке 51 представлена схема работы водяной турбины. Вода подходит к колесу по трубе сверху; в трубе имеются направляющие поверхности, изображенные черными линиями; из трубы она попадает на лопатки, имеющие изогнутые формы. Такая форма дает возможность лучше использовать энергию воды. Вода, входя между лопатками, давит на них и заставляет вращаться колесо в указанном стрелкой направлении. На схеме представлена радиальная турбина. В осевой турбине происходит то же самое; разница заключается только в расположении лопаток и направляющих.

Рисунок 50. Осевая турбина.

Рисунок 51. Схема водяной турбины.

Рисунок 52. Установка динамо с турбиной.

Наибольшее распространение получили водяные турбины Фрэнсиса. Типичная установка небольшой гидроэлектрической 1) станции с турбиной Фрэнсиса представлена на рисунке 52. Стрелки показывают направление движения воды через лопатки турбины и всасывающую трубу в нижний водоем. В данном случае взята турбина с горизонтальным валом, который муфтой соединен с валом динамомащины. Часто ставят турбины с вертикальным валом; в таких случаях приходится ставить промежуточную передачу. Обыкновенно для этого служат конические шестерни. Всасывающая труба употребляется для того, чтобы можно было, поставив турбину не на уровне нижнего горизонта воды, а между верхним и нижним, использовать полный напор. При наличии всасывающей трубы, глубина постановки турбины не играет роли.

Паровые двигатели бывают двух родов: поршневые и турбинные. Поршневые двигатели получили название паровых машин. Паровые двигатели используют или упругость пара (давление) или энергию его движения. При описании водяного пара уже указывалось, что давление в котле тем выше, чем выше температура: насыщенный пар, имеющий температуру 150° Ц и давление 9 атмосфер, можно заставить производить различную работу. Давление пара указывает нам на то, что он находится в сжатом состоянии и, следовательно, при определенных условиях можно заставить его расщириться, вследствие чего произойдет частичная или полная потеря давления, или упругости. Пользуясь этим свойством пара, его заставляют совершать нужную работу в паровых машинах и турбинах.

1) Водяные двигатели называются также гидравлическими, и поэтому силовые станции называют гидростанциями; в данном случае— гидроэлектрическая.

Паровая машина

В основных чертах всякая паровая машина состоит из следующих частей: парораспределительного механизма — золотника, крана или клапана, цилиндра, поршня, штока, крейцкопфа, шатуна, кривошипа и махового колеса. На рисунке 53 изображена паровая клапанная машина; механизм для распределения пара состоит из вала с насаженными на нем эксцентриками, которые в нужные моменты помощью тяг открывают паровые клапаны Б и впускают в паровой цилиндр В пар. Внутри цилиндра находится поршень, имеющий обычно форму диска и сделанный из стали. В центре диска укрепляется шток,другой конец которого соединен с крейцкопфом, или ползушкой Г, в свою очередь соединенным с концом шатуна Д. Шатун одевается на палец кривошипа Е. Кривошип насажен на вал маховика Ж.

Схематически паровая машина с золотниковым парораспределением изображена в разрезе на рисунке 54. Пар входит по трубе в золотниковую коробку, откуда он поступает или в левую или в правую часть цилиндра. На рисунке 54 представлен момент, когда золотник Б тягой 9 должен открыть левый канал а для впуска свежего пара из золотниковой коробки в цилиндр. Одновременно правый канал а соединяется с пространством под золотником в, откуда отработанный пар выходит наружу. Пар, войдя в цилиндр, давит на поршень и заставляет его двигаться вправо по стрелке; при помощи штока Г, шатуна Ж и кривошипа К движение поршня передается на вал о, который начинает вращаться. Таким образом при помощи такого сравнительно простого механизма удается поступательное движение поршня преобразовать в вращательное движение.

Паровые турбины

В паровых машинах для получения работы использовалась энергия упругости, или давления пара; в паровых турбинах используется энергия движения пара.

Рисунок 53. Цилиндр паровой машины.

Рисунок 54. Цилиндр паровой машины.

Если открыть вентиль парового котла, в котором давление будет выше атмосферного, то пар будет выходить из котла с определенной скоростью: если на пути его поставить колесо с лопатками, подобно тому как это делается в ветряных двигателях, то колесо начнет вращаться, то есть оно начнет совершать работу.

Простейшая турбина (рисунок 55), так называется колесо Бранка, состоит, как видно, из закрытого сосуда, в котором вода превращается в пар; последний выйдя из трубки, попадает на лопатки колеса и приводит последнее в движение.

Исторически паровая турбина была изобретена очень давно; еще в древней Греции производились опыты постройки турбин. Долгое время люди не умели использовать результаты ранних исследователей, а промышленное значение турбины приобрели только в конце прошлого столетия, когда Лаваль построил первую турбину с высоким коэффициентом полезного дейетвия. Простейшая турбина Лаваля изображена на рисунке 56. На рисунке турбина, представлена без кожуха (только колесо и четыре сопла). Пар, выйдя из сопла, как и в колесе Бранка, попадает на лопатки и приводит в движение колесо. Паровые турбины отличаются тем, что они развивают очень большое число оборотов, а именно от 2 400 до 3 000 оборотов в минуту. Развивая очень большую мощность, они имеют очень небольшие размеры и вес.

Рисунок 55. Паровая турбина.

Последние многоступенчатые турбины дают очень высокое использование пара, нисколько не уступающее лучшим паровым машинам. Преимущество их заключается также в простоте ухода и, кроме того, в прочности.

Рисунок 56. Паровая турбина Лаваля

Они получили широкое распространение для оборудования центральных электрических станций.

Рисунок 57. Установка паровой турбины с динамо.

Такая установка турбо - динамо завода Зульцера представлена на рисунке 57. В данном случае динамомашина и турбина сидят на одном валу или соединены наглухо без передач, что исключает потери энергии в передаточных механизмах и повышает коэффициент полезного действия установки.

Двигатели внутреннего сгорания относятся к тепловым двигателям. По устройству они очень похожи на паровую машину. В то время как для паровой машины необходим паровой котел, двигатели внутреннего сгорания работают без такового. Топливо сжигается прямо в цилиндре двигателя, причем происходит сильное повышение температуры и давления, за счет которого двигатель совершает работу. Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на четырехтактные и двухтактные; кроме того по роду топлива они строятся для газообразного топлива и жидкого.

Четырехтактные двигатели

Под таким названием известны двигатели, в которых на каждые четыре хода поршня дается одинрабочий ход. На рисунке 58 представлена схема работы четырехтактного двигателя. Такты (отдельные ходы поршня) будут следующие:

Всасывание,
Прессование или сжатие,
Горение и расширение и
Выталкивание продуктов горения.

Рисунок 58. Схема работы четырехтактного двигателя

Во время первого хода открывается воздушный клапан (а в случае газового двигателя и газовый); когда поршень дойдет до крайнего положения, клапан закрывается. Во время второго хода поршень сжимает воздух или смесь его с горючим газом.

Рисунок 59. Нефтяной четырехтактный двигатель.

После прохода поршнем мертвой точки на третьем ходе дают жидкое топливо и воспламеняют получившуюся горючую смесь (в случае газового, просто воспламеняют готовую сжатую смесь): происходит взрыв, поршень выталкивается из цилиндра; это будет рабочий ход. Четвертый ход служит для удаления сгоревших газов из цилиндра двигателя, что достигается открытием выхлопного клапана.

Чтобы дать рабочий ход, необходимо зажечь горючую смесь в цилиндре. Зажигание производится различными способами. Часто к задней стенке цилиндра прикрепляется запальник, который перед пуском двигателя в ход накаливается докрасна. Нефть, вспрыскивается особой форсункой так, что она попадает на раскаленную стенку запальника и воспламеняется. Кроме таких запальников делают также и электрические. Действие электрического запальника основано на том, что при разъединении двух проводов (размыкании тока), по которым течет электрический ток, получается искра, которая может воспламенять горючие газовые смеси. В двигателях Дизеля, самых совершенных, зажигание происходит вследствие сильного разогревания воздуха при сжатии, и поэтому он не имеет никаких специальных приспособлений для запала.

На рисунке 59 представлен нефтяной четырехтактный двигатель в разрезе. Цилиндр двигателя двустенный, в промежутках между стенками постоянно циркулирует вода для охлаждения стенок. Цилиндр снабжен двумя клапанами: один В—всасывающий или впускной и другой С — выхлопной. Д—запальник для зажигания, А—приемная труба, по которой воздух входит в цилиндр. Двигатель работает так же, как и паровая машина; движущие и передаточные механизмы, за исключением ползушки, которая у двигателей отсутствуют, те же самые.

Рисунок 60. Схема работы двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели

Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что в них на два хода поршня приходится один рабочий.

Схема работы двухтактного двигателя изображена на рисунке 60. Первая фигура представляет момент выполаскивания, то есть продувки цилиндра чистым воздухом, вторая — сжатие воздуха,—кончается первый ход. На третьей фигуре изображено вспрыскивание нефти и начало 2-го хода—рабочего; на четвертом — выхлоп, то есть поршень открыл в цилиндре отверстие, через которое сгоревшие газы уносятся в атмосферу.

Особенности устройства двухтактных двигателей обусловливаются самой работой двигателя. На схеме мы видели, что в конце второго (рабочего) хода из цилиндра должны быть удалены все отработанные газы, и кроме того надо продуть цилиндр и заполнить его свежим воздухом, необходимым для горения топлива. Этого можно достигнуть, имея воздух под давлением несколько выше 1 атмосфер (обычно достаточно 1,2 атмосфер). Для того чтобы воздух лучше промывал цилиндр, концу поршня придают своеобразную форму. Чтобы яснее представить как работу, так и устройство двухтактного двигателя, рассмотрим таковой, изображенный на рисунке 61.

Рисунок 61. Двухтактный двигатель

Прежде всего бросается в глаза устройство кривошипной коробки; она герметически закрыта и имеет канал с соединяющий ее с цилиндром через, отверстие в Для продувки цилиндра необходимо иметь воздух под давлением 1,2 атмосфер Этого можно достигнуть имея отдельный компрессор или же сделав так, как показано на рисунке. Во время хода поршня вверх, он производит разрежение в кривошипной коробке, открывается клапан В, воздух входит в коробку. Когда поршень пойдет книзу, клапан В закрывается, и в коробке создается давление, достаточное для продувки цилиндра

Запальник или калоризатор, шарообразной формы, находится наверху под крышкой Е; во время работы двигателя он постоянно накален докрасна. Топливо (нефть) подается форсункой А прямо в калоризатор, где и загорается. При взрыве повышается температура, газы сильно расширяются и выдавливают поршень книзу. Поршень, двигаясь книзу, доходит до отверстия а и открывает его; газы из цилиндра вылетают наружу, затем дальше открывается канал в, через него устремляется воздух из кривошипной коробки. Благодаря особой форме конца поршня воздух получает направление кверху и поэтому Проходит внутри цилиндра по указанному стрелкой направлению.

Рисунок 62. Генератор для получения газа

Пока поршень дойдет до низа, вернется обратно и закроет отверстия а и в, воздух успевает вытеснить отработанные газы из цилиндра и занять их место.

Двигатели, применяемые для аэропланов и автомобилей, работают на легко испаряющихся и очень чистых видах топлива — как например бензин, смеси бензола с спиртом, эфиром и тому подобное. Б таких, случаях в цилиндр обыкновенно подают уже готовую смесь паров бензина и воздуха. Для получения готовых смесей употребляются особые приборы, называемые карбюраторами. Насыщение воздуха парами бензина можно произвести или протягивая мелкие пузырьки, воздуха через слой бензина в карбюраторах испарения или же протягивая воздух через распыленный бензин — карбюратор с пульверизацией.

Газовые двигатели внутреннего сгорания могут работать на любом горючем газе, будь-то светильный, каменноугольный, генераторный газ и другие. Чаще они делаются для генераторного газа. Установка в этих случаях состоит из генератора, промыва-теля и фильтра, пройдя которые газ поступает через клапан в цилиндр двигателя. Топливо для получения генераторного газа можно использовать любое: дрова, торф, каменный уголь, кокс и тому подобное. На рисунке 62 представлена генераторная установка для получения силового газа. Слева направо размещены: генератор, промыватель, или скруббер и фильтр. Скруббер заполнен крупными кусками кокса и все время опрыскивается из душа водой; назначение его — освобождение газа от смолы и его охлаждение. Фильтры служат для подсушки газа, который, выходя из скруббера, несет много воды; на полках фильтра наложены опилки, хорошо осушающие и окончательно очищающие газ. В генератор загружается топливо и разжигается.

Рисунок 63. Динамомашина.

Когда топливо разгорится, то переводят генератор на работу. Во время хода двигателя через горящее топливо просасывают воздух через трубу 3; воздух, пройдя слой горящего топлива, дает генераторный газ, который по трубе 9 идет в скруббер, а из скруббера через фильтр—в двигатель.

Газовые двигатели, в отличие от нефтяных, могут работать подобно паровым машинам с зажиганием с обеих сторон, что значительно увеличивает их мощность при одном и том же весе.

Двигатели внутреннего сгорания, в отличие от паровых двигателей, не требуют промежуточного приспособления в виде парового котла или какого другого прибора для использования энергии топлива. Выкидывание промежуточных стадйй всегда влечет повышение коэффициента использования, так и в данном случае двигатель внутреннего сгорания использует топливо значительно лучше, чем машины других родов. Паровые двигатели в лучшем случае используют 20% всей энергии топлива, в то время как двигатель Дизеля 30—33%.

Электрические машины

Электрические машины производят электрическую энергию, которую легко можно преобразовать в другие виды энергии. Машины, производящие электрическую энергию, называются динамомашинами, или генераторами.

Динамомашины состоят из якоря А (рисунок 63) и электромагнитов М. Якорем называется барабан, обмотанный медной изолированной проволокой и наглухо соединенный с валом. От обмотки через определенное число витков отходит ответвление к коллектору К (точный перевод значит—собиратель). Образующийся при вращении ток по проводам поступает в коллектор, из коллектора через щетки в провода и далее в электрическую сеть для использования.

Электромагниты встречаются разнообразного устройства; на рисунке 63 он состоит из железных пластин своеобразной формы, сложенных вместе и обмотанных электрическим проводом. При пропускании электрического тока между концами железного остова появляется так называемый магнитный поток, другими словами, этот кусок железа намагничивается.

Рисунок 64. Схема направления движения постоянного тока.

Электрические машины могут давать электрический ток двух родов: постоянный и переменный. Машины, даюшие переменный ток, называются генераторами, или альтернаторами, а машины, дающие постоянный — динамомашинами. Мощность их измеряется киловаттами в секунду; 1 килловатт=1,36 лошадиной силы.

Постоянным током называется такой, который не меняет своего направления. На рисунке 64 слева изображена схема направления движения постоянного тока, а справа — схема направления движения переменного тока.

Из этих рисунков ясно видно, что в случае постоянного тока направление его не меняется, и он течет по проводу от А к Б; в случае же переменного тока, он течет то от А к Б, то наоборот, от Б к А.

Время, в продолжение которого ток течет от А к Б и от Б к А., называется периодом. Когда говорят: „переменный ток в 50 периодов“, то это значит, что ток меняет свое направление 50 раз в течение одной секунды.

Электрическая энергия представляет очень большие удобства в том отношении, что ее очень легко передавать на большие расстояния; для этого требуются сравнительно не дорогие устройства. В связи с получением тока очень высокого напряжения, можно по тонким проводам передать ток большой мощности.

Электрическую энергию можно легко преобразовать в механическую, тепловую и световую. Преобразование в механическую энергию совершается при помощи электромоторов. Электромоторы по своему устройству ничем не отличаются от динамомашины; в случае постоянного тока любая динамомашина является одновременно и электромотором. На рисунке 65 изображен один из случаев преобразования электрической энергии в механическую. На полу стоит электромотор, который приводит в движение станки для обработки металлов.

Превращение электрической энергии в тепловую применяется как в домашнем быту, так и в промышленности, начиная от нагревательных приборов для воды в стаканах до очень больших электрических печей для плавления металлов и других веществ. Устройство нагревательных приборов основано или на том, что ток, проходящий по проводу, сравнительно плохо проводящему электричество, разогревает его, или же на том, что между двумя проводниками получают постоянное пламя, называемое вольтовой дугой, температура которой достигает 3 000°Ц. При помощи вольтовой дуги плавят вещества, которые другим путем расплавить не удается.

Превращение электрической энергии в световую производится пропусканием тока через тонкую металлическую или угольную нить, которая накаливается добела и дает свет. Кроме этого для освещения может также служить вольтова дуга.

Рисунок 65. Установка электромотора.

Легкость, с которой можно передавать электрическую энергию на большие расстояния с небольшими потерями, делает ее самым удобоприменимым видом энергии как для промышленности, так и для всех других видов народного хозяйства. Благодаря легкости передачи электрической энергии центральные силовые станции могут ставиться в местах скопления топливных запасов. Не всякое топливо выгодно перевозить к предприятиям вследствие их малой теплопроизводительности, например: уголь подмосковного бассейна, содержащий большие количества воды и золы, с теплопро-изводительностью около 4 000 калорий, не может выдержать перевозку, так как он вследствие низкого качества обошелся бы дороже относительно высокоценного и далекого угля из Донбасса. Торф также неудобен для перевозки, и при транспорте его на далекие расстояния он обходится слишком дорого. В таких случаях электрическая энергия спасает положение. В местах, где имеются накопления низкосортного топлива, можно поставить большую центральную электрическую станцию и от нее посылать во все стороны на сотни километров нергию, которую легко использовать для самых разнообразных целей. э Примером такой станции может служить наша Богородская электрическая станция „Электропередача“, работающая на торфе и выстроенная близ Москвы, около торфяного болота. Часто в пределах очень небольшого хозяйства требуются небольшие переносные силовые станции; в этом случае трудно и даже почти невозможно заменить электромотор. Простота обращения, быстрый пуск в ход, небольшой вес — все это делает электромоторы необыкновенно удобными для использования. Все указанные преимущества играли свою роль при решении вопроса об электрификации. Своевременность и нужда в электрификации становятся все яснее и яснее. Огромные электрические станции, построенные на Ниагарском водопаде в Северной Америке, показали всю выгодность и удобства таких крупных силовых установок.

Трудно представить себе современное промышленное предприятие без электрической энергии, используемой как для освещения, так и для приведения в действие станков и машин. На благоустроенных и рационально построенных заводах и мастерских мы уже не видим бесконечных трансмиссионных валов с огромным числом шкивов, от которых приводятся в движение сотни больших и малых станков. Теперь стараются станки приводить в движение непосредственно моторами, а также при помощи зубчатых и ременных передач.

На больших заводах, где приходится часто переносить большие тяжести с одного места на другое, где раньше требовался для выполнения работы десяток рабочих, а иногда и лошади, теперь выполняет работу один небольшой электромотор, поставленный наверху, на так называемом мостовом кране, который легко двигается вдоль всего помещения при помощи того же мотора. Электровозы широко применяются для перевозки тяжести. На рисунке 66 дана фотография электровоза для вывозки угля из штольни.

Рисунок 66. Электровоз.

Трамваи, обслуживающие население больших городов, приводятся в движение электромоторами. В Америке, в горных местностях, где обыкновенная железная дорога вследствие крутых подъемов не могла быть построена, сообщение поддерживается электрическими поездами.

Электричество становится необходимым спутником не только промышленности, но и сельского хозяйства, где оно также находит широкое применение.

Имея электрические провода в разных местах двора, можно легко перевозить небольшой мотор с место на место и производить разную работу. Водокачка, соломорезка, мельницы и другие машины сельского хозяйства могут обслуживаться одним переносным мотором. Немного сложнее и труднее использование электроплугов, но во всяком случае применение их дает определенные преимущества перед другими видами запашки полей. В домашнем бйту электричество используется главным образом для целей освещения. Электричество находит широкое применение в медицине и науке. Каждый день расширяется область применения этой необыкновенно полезной энергии. Беспроволочный и с проводами телеграф и телефон работают только благодаря электричеству.

Подводя итоги всего изложенного относительно энергии, ее получения и использования, мы видим, что до сих пор главным источником необходимой человеку механической, тепловой, электрической и световой энергии служит топливо. Промышленный прогресс идет гигантскими шагами вперед, с каждым годом увеличивается потребление энергии, топливные запасы отдельных стран начинают заметно сокращаться. Англия, которая является одним из главных производителей каменного угля в Европе, уже теперь проявляет беспокойство и изыскивает меры к предупреждению топливного, а следовательно и электрического голода. Топливные запасы слагаются из запасов древесины, торфа, горючих сланцев, каменных и бурых углей и нефти; кроме того, частично используется энергия воды и ветра.

Рассматривая различные виды источников энергии, которые человек подчинил себе, можно подразделить их на запасы, постоянно возобновляемые (ветер, вода), источники, постоянно образующиеся (дерево и торф), и, наконец, невозобновляемые (ископаемые угли, нефть, горючие сланцы), количество которых заметно уменьшается, и при продолжающемся росте промышленности их хватит не надолго. По приблизительным подсчетам этот срок близок к 300 годам.

Лондонская всемирная конференция по энергетике, созванная для обсуждения вопросов, связанных с истощением запасов, нашла положение с запасами топлива угрожающим и указала на необходимость изыскания новых средств для пополнения или замены уничтожаемых запасов. Многое можно сделать для сбережения существующих запасов путем более правильного устройства всех аппаратов и машин, служащих для преобразования тепловой энергии в другие ее виды. Усложнение в современных отопительных приспособлениях направлено исключительно к экономии топлива. Сжигание низкосортного топлива (как, например, угольная мелочь, служившая долго обременительным отбросом, или многозольные угли, не выдерживавшие перевозки) теперь производится так же совершенно, как и малозольного. Такое топливо сжигают в виде пыли или превращая его в газообразное. Кроме усовершенствованных способов использования топлива, надо обратить внимание также и на утилизацию энергии воды и ветра, с которыми мы обращаться уже выучились, но применяем их далеко не с той полнотой, с какой следовало бы.

Источники энергии, до сих пор еще не поддающиеся непосредственной утилизации, но которые надо стремиться подчинить себе, заставляя служить в той мере, в какой нам необходимо, будут:

Тепловая, посылаемая к нам солнечными лучами,
Внутренняя теплота земли и
Атмосферное электричество, проявляющееся в грозовых разрядах.

В последнее время в Италии найдены выходы водяного пара, бьющего из земли через скважины подобно нефти. Этот пар идет на приведение машин в движение; таким образом заложено начало использования внутренней теплоты земли. Солнечную энергию, как уже указывалось раньше, можно заставить работать непосредственно, но это применимо только в тропических странах, в наших же северных широтах надо искать другие пути. Один из способов — это разведение лесов, которые превращают тепловую солнечную энергию в древесину. Солнечная энергия посылается на землю в огромных количествах, но к сожалению только очень ничтожная доля ее служит человеку, главная же масса рассеивается в пространстве совершенно бесполезно.

Посмотрим, какими известными запасами располагает человек для удовлетворения своих потребностей в промышленной и повседневной жизни.

Рисунок 67. Диаграмма запасов энергии, мировых (наверху) и в СССР (внизу).

По данным проф. Рамзина Л. К., эти запасы слагаются из следующих:

Запасы	Мировые		СССР
Запасы	Миллиардов тонн	%%	Миллиардов тонн	%%	%% от мирового
Ископаемые угли	5 600	75,1	393,9	50,8	7,0
Нефть	11,5	0,15	4,3	0,6	37,4
Торф	265,0	3,6	207,6	26,7	78,0
Дрова	340	4,6	63,0	8,1	18,5
Солома	37	0,5	6,7	0,9	18,1
Ветер	826	11,1	69,0	8,9	8,3
Водные силы	374	5,0	31,1	4,0	8,3

Для удобства все виды энергии выразим в условном топливе, обладающем теплопроизводительностыо 7 000 калорий в 1 килограмм.

Диаграммы (рисунок 67), представляющие запасы отдельных видов энергии, дают полную картину относительного значения каждого из них. Большой круг — мировые запасы, малый, в соответственном масштабе запасы СССР.

Водные силы приобретают все большее и большее значение.

Рисунок 68. Установка водяных турбин с динаномашинами.

Соединенные Штаты строят огромные сверхсиловые станции, работающие за счет энергии текущей воды рек и водопадов. Знаменитая станция на Ниагарском водопаде, дающая энергию в 200 000 лошадиных сил, обслуживает прилегающие города и промышленные предприятия энергией, отпуская ее по дешевой цене. В недалеком будущем вода, как источник энергии, будет играть одну из главных ролей; недаром она получила название белого угля. Запасы водяной энергии в СССР составляют 8,3% от мирового, что соответствует 31 миллиарду тонн топлива теплопроизводительностью в 7 000 калорий. Этого количества хватит с большим избытком на покрытие всех наших нужд. В настоящее время у нас работает большая гидроэлектрическая станция на реке Волхове, которая начала работать с конца 1926 г. Эта станция обслуживает Ленинград и промышленный район, примыкающий к Ленинграду. В настоящее время в СССР строится ряд гидроэлектрических станций, из которых наиболее крупной является „Днепрострой“.

На рисунке 68 изображена станция у водопада. Вода с верхнего уровня устремляется вниз по шахте и поступает в колесо водяных турбин, которые приводят в действие динамомашины.

Запасы белого угля поистине огромны и исчисляются в 745 миллиардов лошадиных сил, которые распределяются следующим образом:

Европа	65	миллионов
Северная Америка	160	»
Южная	94	»
Азия	236	»
Африка	160	»
Австралия	30	»

Число лошадиных сил (белый уголь), приходящихся на душу населения показано в следующей таблице:

Южная Америка	5,25 лошадиных сил
Австралия	3,75 лошадиных сил
Северная Америка	1,27 лошадиных сил
Африка	1,14 лошадиных сил
Европа	1,13 лошадиных сил
Азия	0,27 лошадиных сил