Большая энциклопедия техники

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к началу XX столетия. Здесь, прежде всего, хочется упомянуть нашего соотечественника В. Залевского. На первый взгляд может показаться, что использование энергии ветра в начале XX в., по меньшей мере, нерационально, что есть другие, гораздо более эффективные источники энергии, но нужно помнить: мир с 1914 по 1918 г. находился в состоянии войны, поэтому дешевый источник энергии был просто необходим. Таким источником и явился ветер. Кстати, разработка теории использования энергии ветра советским ученым не значит, что подобный вид энергии применялся только в нашей стране. Многие страны Европы и США приступили к созданию станций и промышленных предприятий на основе энергии ветра.

Вихревая топка

Вихревая топка – конструкция, предназначенная для температурной обработки жидкого и твердого топлива в газообразное горючее топливо с температурой от 500 до 1200 К. В структуре вихревой топки различают загрузочный бункер, камеру возгорания и камеру газообразования. Принцип работы вихревой топки заключается в образовании газообразного топлива из жидкого или твердого под действием высоких температур и без доступа кислорода, подобный процесс получил название «пиролиз».

Широкое распространение вихревых топок обусловлено повышением тарифов на топливо. Использование же подобных конструкций позволяет снизить затраты. Например, на деревоперерабатывающих предприятиях остается большое количество отходов, которые могут использоваться в вихревых топках для получения газообразного топлива.

Вихрекамерный двигатель

Вихрекамерный двигатель – двигатель внутреннего сгорания (зачастую, как правило, это дизель), внутри которого каждый цилиндр соединен с вихревой камерой, где происходит смесеобразование топлива с интенсивной турбулентностью воздуха. Воздух подают в камеру сгорания в форме шаров, для соединения с цилиндром двигателя имеется сложный тангенциальный канал. К основным преимуществам вихрекамерных двигателей можно отнести следующее:

1) наблюдается относительно постоянное прохождение теплового процесса;

2) рабочий процесс приспособлен к быстроходным дизелям, имеющим малолитражный объем;

3) имеется сравнительно низкая чувствительность к качеству дизельного топлива.

К недостаткам вихрекамерных двигателей относится сравнительно высокий расход топлива на одну удельную единицу, который вызван большими потерями в тепловой и гидравлической системах вихрекамерного двигателя.

Рудольф Дизель свою профессиональную деятельность начал с работ по увеличению КПД паровой машины. Свои идеи исследователь опубликовал в статье «Теории и конструкция рационального теплового двигателя». Первоначально в качестве топлива для своего двигателя Дизель использовал угольную пыль, но это не приводило к увеличению КПД, т. е. поставленная задача не была выполнена. Нужно сказать, что попытки использования в качестве топлива угольной пыли предпринимались не один раз и имели экономическую подоплеку, так как угольная пыль являлась одним из самых дешевых видов топлива. После длительных экспериментов была предпринята попытка использования частично очищенной нефти, которая явилась завершающим этапом в работе по созданию нового, более эффективного двигателя. 1897 г. считается годом изобретения дизельного двигателя внутреннего сгорания. Работы по усовершенствованию дизельного двигателя внутреннего сгорания начались практически сразу после его изобретения. Это было неудивительно, ведь бурное развитие технической отрасли требовало более совершенных источников энергии. Спустя несколько лет сразу несколькими учеными была предложена идея перемешивать топливо в вихревом потоке воздуха, этот принцип и был положен в основу при создании вихрекамерного двигателя.

Водо-водяной реактор

Водо-водяной реактор – разновидность ядерного реактора, в котором вода выполняет функцию и замедлителя нейтронов, и теплоносителя.

По конструкции водо-водяной реактор представляет собой заполненный водой резервуар. В этой воде расположены тепловыделяющие сборочные узлы (комплекты тепловыделяющих элементов), представляющие собой активную зону. Водный поток, создаваемый циркуляционными насосами, проходящий через активную зону, отводит выделяющееся тепло. В реакторах с малой мощностью часто используют естественную циркуляцию. Известны две разновидности энергетических водо-водяных реакторов: с водой под давлением и кипящие. В первом случае вода не доводится до кипения, и полученное тепло она передает воде второго контура в парогенераторах. В дальнейшем вода второго контура превращается в рабочий пар (например, в реакторах Нововоронежской АЭС). В кипящих реакторах вода, которая проходит через активную зону, частично превращается в пар. Полученная пароводяная смесь разделяется после выхода из реактора или в самом реакторе. Пар направляется в рабочую турбину, а вода транспортируется обратно в активную зону реактора. Для получения пара, необходимого для использования в турбинах энергетических реакторов, поддерживается высокое давление: 10—20 Мн/м² (100—200 кгс/см²) в реакторах с водой под давлением и 7 Мн/м² (70 кгс/см²) – в кипящих реакторах. Водо-водяные реакторы, давление воды в которых существенно ниже, чем в энергетических, применяются в качестве реакторов для исследования. Высокие замедляющие свойства воды и отличные ее качества как теплоносителя позволяют развивать значительную удельную мощность (на единицу объема активной зоны). В связи с этим их сооружение относительно рентабельно и дешево. Реакторы просты и надежны в эксплуатации, в связи с чем они нашли широкое распространение в качестве энергетических и, что наиболее важно, в исследовательских установках.

Водонагреватель

Водонагреватель – аппарат, предназначенный для теплообменного нагревания воды паром, горячей водой, горячими газами, электрическим током. Водонагреватель применяют в различных энергетических системах, таких как система горячего водоснабжения, система водяного отопления, система нагрева питательной воды для котельных агрегатов, для бытовых и иных различных сфер деятельности человека. Самыми распространенными считаются водонагреватели поверхностного типа, в них к нагреваемой воде тепло передается через поверхность металлических трубок, подогреваемых паром или водой. Значительно реже применяют контактные водонагреватели, в которых нагреваемая вода непосредственно соприкасается с паром или горячими газами. Работающие на газе или на твердом топливе ванные колонки, змеевики или водогрейные коробки, размещенные в плитах, кипятильники относятся к местным водонагревателям. Широкое применение из местных водонагревателей нашли ванные колонки. Их формы, размеры, конструктивные особенности, дизайн и исполнение могут быть различными. Они могут быть проточными и емкостными, работать на различном виде топлива: газообразном, твердом, жидком и электричестве. Тепловая мощность ванных колонок может достигать 35 кВт (30 тыс. ккал/ч). Водяные экономайзеры – это разновидность водонагревателей, которые устанавливаются в котельных агрегатах для нагрева воды за счет тепла отходящих газов.

Водотрубный котел

Водотрубный котел – паровой котельный агрегат, конструктивно соединенный в единое целое комплекс устройств, предназначенный для получения пара под давлением или горячей воды за счет сжигания различного вида топлива. Водотрубный котел является одним из двух основных видов котлов. У водотрубного котла вода и пароводяная смесь движутся по стальным трубам, омываемым снаружи газообразными продуктами сгорания. Главной частью водотрубного котла являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива (пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель). Элементы водотрубного котла располагаются на каркасе. Они защищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. Основное свое применение водотрубные котлы получили на тепловых электростанциях. Там они необходимы для обеспечения паром турбин. Также водотрубные котлы применяются в отопительных и промышленных котельных для выработки пара и горячей воды для технологических и отопительных нужд; в судовых котельных установках. Конструкция водотрубного котла зависит от его функционального назначения, вида и типа применяемого топлива и способа сжигания, давления и температуры вырабатываемого пара, а также от единичной производительности пара. Сгорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания происходят в топочной камере водотрубного котла. В результате этого между нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами, в которых циркулирует охлаждающая их среда (вода или пар), происходит лучистый теплообмен. Система этих труб называется топочными экранами. При выходе из топки газы имеют температуру, достигающую 1000 °С. В дальнейшем на пути газа устанавливают трубчатые поверхности нагрева (пароперегреватели) для его охлаждения, обычно они выполняются в виде ширм-змеевиков с трубчатым поперечным сечением, собранных в плоские пакеты. Теплообмен в ширмовых поверхностях происходит излучением и конвекцией, именно из-за этого такие поверхности часто называют полурадиационными. Пройдя пароперегреватель ширмового типа, газы с температурой 800—900 °С далее поступают в конвективные пароперегреватели высокого и низкого давления, которые выполнены в виде пакетов труб. Теплообмен в этих и последующих рабочих поверхностях нагрева происходит в основном конвекцией и соответственно называется конвективным. Затем на пути газов, имеющих температуру 600—700 °С, устанавливается сначала водяной экономайзер, а далее – воздухоподогреватель. В воздухоподогревателе газы (в зависимости от вида сжигаемого топлива) охлаждаются до 130—170 °С. Дальнейшему снижению температуры мешает конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, которая образовалась при сжигании различных видов сернистого топлива и привела к интенсивному загрязнению поверхностей нагрева золовыми частицами с последующей коррозией металла. Охлажденные газы, пройдя устройства очистки различной степени от золы и в большинстве случаев от серы, выбрасываются дымовой трубой в атмосферу. Различные продукты сгорания топлива, которые были уловлены в водотрубных котлах, периодически или непрерывно удаляются через сложные системы шлакоудаления и золоудаления. По характеру передвижения рабочей среды водотрубные котлы бывают с многократной естественной или принудительной циркуляцией и прямоточные. В водотрубном котле с многократной циркуляцией рабочая среда непрерывно движется по замкнутому контуру, который состоит из обогреваемых и необогреваемых труб, соединенных между собой промежуточными камерами-коллекторами и барабанами. Там она частично испаряется в обогреваемой части контура. В связи с разностью плотностей пароводяной смеси в обогреваемой (подъемной) части контура и воды в слабо обогреваемой или совсем не обогреваемой (опускной) его части осуществляется движение рабочей среды по циркуляционному контуру в водотрубном котле с естественной циркуляцией. В водотрубном котле с принудительной циркуляцией перемещение рабочей среды по контуру осуществляется под действием циркуляционного насоса. Постоянное упаривание котловой воды в водотрубном котле с многократной естественной или принудительной циркуляцией в конечном счете неизбежно приводит к концентрации растворенных и взвешенных в ней всевозможных примесей (солей, окислов, гидратов окислов). В дальнейшем эти примеси могут скапливаться на внутренней поверхности труб обогревания с ухудшением условия их охлаждения и становясь причиной перегрева металла (с последующей аварийной остановкой водотрубного котла из-за разрыва рабочих труб). Кроме того, недопустимо чрезмерное повышение концентрации примесей в используемой воде из-за переноса их паром из барабана в капельках воды или в виде парового раствора в пароперегреватель, а также в турбину, где вредные примеси оседают на рабочих лопатках турбомашины, существенно уменьшая ее КПД. Для избежания повышения концентрации примесей производятся продувки котла со строгой периодичностью. Предельно допустимая концентрация (ПДК) примесей определяется конструкцией и параметрами водотрубного котла, составом питающей воды и тепловыми напряжениями экранных поверхностей нагрева.

В прямоточном водотрубном котле происходят нагрев, испарение воды и перегрев пара за один проход рабочей среды по тракту. В отличие от водотрубного котла с естественной или принудительной, многократной циркуляцией в водотрубном котле с прямоточной организацией процесса генерации пара примеси, содержащиеся в питательной воде, не могут быть выведены из конструкции продувкой части котловой воды. В связи с этим часть вредных примесей осаждается на внутренней поверхности труб прямоточного водотрубного котла, а часть (вместе с паром) транспортируется в турбину, где отлагается на лопатках. Именно поэтому и предъявляются более жесткие требования к качеству питательной воды в прямоточных водотрубных котлах. В связи с этим вода предварительно проходит обработку в системе водоподготовки. Для повышения экономичности в энергетических установках используются схемы с вторичным (промежуточным) перегревом: образованный пар после срабатывания части его тепловой энергии в турбине возвращается в водотрубный котел, подвергается дополнительному перегреву в пароперегревателе с низким давлением и опять отправляется в турбину. Существуют водотрубные котлы с двумя промежуточными перегревами пара. Температура вторично перегретого пара, как правило, берется в рассмотрение такой же, как первично перегретого, или близкой к ней. Для поддержания температуры первичного и вторичного перегрева пара на требуемом уровне водотрубные котлы обычно снабжают различными регулирующими устройствами. Зачастую они представлены в виде смесительных и поверхностных теплообменников разной формы и конфигурации, систем рециркуляции части охлажденных дымовых газов в топочную камеру, приспособлениями для изменения угла наклона горелок и т. д.

Паропроизводительность выпускаемых промышленностью вертикально-водотрубных котлов составляет от 2,5 до 640 т/ч наряду с прямоточными котлами от 250 до 2500 т/ч, они применяются в различных котельных установках. Горизонтально-водотрубные котлы сняты с производства.

Изобретателем котла считается исследователь из Франции Дени Папен. Первые котлы имели вид цилиндра диаметром 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.

Водотрубный котел был изобретен в 1829 г. Джорджем Стефенсоном и М. Сеганом независимо друг от друга. Дальнейшие модификации водотрубных котлов связаны с именами Гарни Голдуотера, Якоба Перкинса.

Воздухоподогреватель

Воздухоподогреватель – аппарат, предназначенный для теплообмена и нагревания проходящего внутри него воздуха. Его применение весьма обширно (в котельных установках ТЭС и промышленных предприятиях, системах воздушного отопления, приточной вентиляции и кондиционирования воздуха).

В теплотехнике и энергетике воздухоподогреватели устанавливаются с целью повышения температуры воздуха, направляемого затем в топку и углеразмольные устройства, за счет использования тепла уходящих газов.

По принципу действия воздухоподогреватели условно разделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных воздухоподогревателях тепло от газов к воздуху передается через неподвижную разделяющую их металлическую стенку трубы. Как правило, это стальные трубчатые воздухоподогреватели (диаметр трубок 30—40 мм). Трубки в нем расположены обычно вертикально, внутри них движутся продукты сгорания; воздух омывает их поперечным потоком в несколько ходов, организуемых за счет перепускных воздуховодов (коробов) и промежуточных перегородок. Газ в трубках движется со скоростью 9—13 м/с, воздух между трубками – вдвое медленнее. Это позволяет иметь примерно равные коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенки трубы.