Собственно говоря, на этот вопрос уже дан ответ в . Действительно, подобно тому как каждый килограмм воды при падении может произвести тем большую работу, чем больше разность уровней падения, так и каждый килограмм пара может произвести тем большую работу, чем больше его температура на входе в двигатель и чем меньше его температура на выходе из двигателя.
Что касается температуры пара на выходе из двигателя, или, иначе говоря, той самой температуры, при которой должно быть отнято от пара тепло, то она в лучшем случае может быть снижена до температуры окружающей среды (воды, охлаждающей трубки конденсатора). Температуре 28,6° С соответствует давление конденсации, равное 0,04 атмосферы. Производить конденсацию пара при более низкой температуре было бы практически затруднительно. Таким образом, температура пара на выходе из двигателя имеет вполне определенный предел, устанавливаемый температурой окружающей среды и обычно близка к 30 °С. Вместе с тем определено и давление в конденсаторе.
Иное дело температура пара на входе в двигатель. Теоретически она могла бы быть поднята до температуры продуктов сгорания в топке котла, т. е. более чем до 1000 °С. С точки зрения экономичности процесса превращения тепла в работу именно это и следовало бы сделать. К сожалению, нас ждет здесь еще одно огорчение.
Металл, из которого выполнены рабочие лопатки (обычно это высококачественная сталь) работает в очень трудных условиях. Напряжения, которые приходится выдерживать рабочим лопаткам, очень велики, что обусловливается большим числом оборотов, с которым работает турбина (обычно 3000 оборотов в минуту). Известно, что допустимая нагрузка на любое металлическое изделие уменьшается при высоких температурах. Другими словами, механические качества металла снижаются с ростом его температуры.
В результате большой работы, проводимой металлургами, качество металла, применяемого в энергомашиностроении, неуклонно повышается. Одновременно повышается и допустимая температура пара на входе в турбину. Совсем недавно такой максимальной температурой считалась температура 420-450 °С. В годы перед второй мировой войной удалось повысить ее до 500 °С. В настоящее время в мире имеются установки, работающие с начальной температурой до 600 °С.
Остается еще выяснить: какое начальное давление водяного пара ‘целесообразно поддерживать в паросиловой установке. Как мы уже установили выше, подвод тепла к рабочему телу выгоднее всего производить изотермически, при максимальной температуре рабочего тела. Кроме того, установлено, что изотермический подвод тепла практически удается осуществить в процессе парообразования. Тут мы опять встречаемся с новой трудностью. Критическая температура для водяного пара равна примерно 374 °С. Следовательно, процесс испарения можно осуществить только при более низкой температуре, так как жидкость вообще не может существовать при температуре выше критической. Остается, очевидно, примириться с этим положением и постараться, хотя бы частично осуществить изотермический подвод тепла при возможно более высокой температуре. Чем выше температура, при которой производится испарение воды (изотермический подвод тепла), тем выше должно быть и давление. Если процесс парообразования происходит при 100 °С, то давление должно быть около 1 атмосферы. Если поднять давление до 30 атмосфер, то парообразование будет происходить уже при 232,8 °С, если поднять давление до 100 атмосфер-при 309,5 °С; если поднять давление до 170 атмосфер — при 350,7 °С и т. д. Таким образом, чем выше мы изберем начальное давление, тем при более высокой температуре можно осуществить подвод тепла.
Теоретически всегда выгодно повышать начальное давление. Практически же это не всегда так. Дело в том, что с ростом давления в установке растет и стоимость установки. Поэтому окончательное решение о выборе начального давления приходится принимать на основе технико-экономического расчета. Так как стоимость высококачественных сталей из года в год снижается, то и с этой точки зрения применение высокого давления становится все более целесообразным.
История развития паросиловых установок есть в то же время история внедрения в энергетику пара все более высоких начальных параметров. Особенно наглядно это можно проследить на развитии энергетики Советского Союза.
В конце XIX века давление в паросиловых установках не превышало 10-12 атмосфер, а производительность котельных агрегатов была не больше 15-20 тонн пара в час. К началу первой мировой войны начальные параметры пара несколько повысились, но все еще давление не превышало 16 атмосфер, а температура — 350 °С.
После Великой Октябрьской социалистической революции энергетика нашего социалистического государства сразу же получила быстрое развитие. При этом станции строились на все более высокие начальные параметры пара. По Государственному плану электрификации России (план ГОЭЛРО), принятому в 1920 г. VIII съездом Советов по инициативе В. И. Ленина, предполагалось в основном со-
оружать теплоэлектричеокие станции, работающие на водяном шаре с давлением 20 атмосфер и температурой 375° С. Однако план ГОЭЛРО был перевыполнен не только по установленной мощности, но и но уровню техники созданных электростанций.
За годы первой пятилетки тепловые электростанции строились в основном на давление 30—37 атмосфер и температуру 375—450 °С. Производительность достигла 200 тонн пара в час. В этот же период были сооружены станции высокого давления. В 1930 г. была начата эксплуатация теплоэлектроцентрали (Москва), работающей на паре с давлением 60 атмосфер и температурой 425 °С. В 1931 г. была пущена мощная Березниковская теплоэлектроцентраль, имеющая твердотопливные котлы http://tt-kotly.ru с давлением пара 60 атмосфер и температурой 450 °С. В 1933 г. вошла в эксплуатацию теплоэлектроцентраль, работающая на паре с давлением около 140 атмосфер и температурой 500 °С. В дальнейшем за годы перед Великой Отечественной войной осуществлялся массовый переход паросиловых установок на давление 31,5 атмосферы и температура 420 °С; кроме того, сооружались новые установки высокою давления.
После окончания Великой Отечественной войны началось решительное внедрение паросиловых установок высокого давления, рассчитанных на 100 атмосфер и 500 °С. Переход со среднего на высокое давление, или, говоря точнее, от начальных параметров пара 31,5 атмосферы и 420 °С к 100 атмосферам и 510 °С, дает большую выгоду для народного хозяйства страны, обеспечивая при равной выработке электроэнергии экономию топлива на 12-15%.
В настоящее время научно-исследовательские институты, предприятия энергомашиностроительной промышленности, электрические станции ведут большую работу, имеющую целью переход на еще более высокие начальное давление и температуру. Дальнейшее повышение начальных параметров пара от 100 атмосфер и 500 °С до 170—225 атмосфер и 550—600 °С (сверхвысокие параметры) может дать новую экономию топлива, превышающую десять процентов при равной выработке электроэнергии.