Тепловоз

Теплово'з,один из видов ,на котором первичным двигателем является двигатель внутреннего сгорания. Основные элементы Т.: , ,экипажная часть, вспомогательное оборудование. Установленный в машинном отделении Т. двигатель превращает тепловую энергию сжигаемого топлива в механическую или электрическую энергию, которая через механическую, гидромеханическую или электрическую силовую передачу реализуется в движение .

  Идея использования теплового двигателя на локомотиве возникла в конце 19 в. Предшественники Т. - , ,создававшиеся главным образом для внутризаводских перевозок. Русский инженер В. И. в 1908-12 создал опытный двигатель внутреннего сгорания, приспособленный к переменным нагрузкам, возникающим при работе локомотива. Т. с таким двигателем и прямой передачей был спроектирован, но не был построен. В 1922 Т. оригинальной конструкции с механическим генератором газа предложил советский инженер А. Н. Шелест. (Его идея была осуществлена только в 50-е гг. 20 в. в Швеции.) Первый магистральный Т. ( рис. 1 ) был создан в СССР в 1924 по проекту Я. М. .Наиболее распространены Т. с электрической передачей ( рис. 2, 3 ), в которых коленчатый вал основного двигателя вращает якорь главного электрогенератора, вырабатывающего электрический ток для питания тяговых электродвигателей. Через зубчатую передачу вращение якорей тяговых электродвигателей передаётся колёсным парам.

  К экипажной части Т. относятся главная рама, двух-, трёх- или четырёхосные тележки с колёсными парами, буксами и рессорным подвешиванием (см. ) .На главной раме Т. располагается кузов. Т. выполняются одно-, двух- и трёхкузовными (одно-, двух- и трёхсекционными). В кузове размещается кабина машиниста, из которой осуществляется управление Т. Машинист при помощи контроллера устанавливает определённую частоту вращения вала двигателя, а изменение режимов работы электрогенератора и тяговых электродвигателей производится автоматически в зависимости от профиля ж.-д. пути. От машинной части кабину обычно отделяет аппаратная камера, в которой размещены приборы и аппараты для выполнения переключений в силовой цепи Т. В машинном отделении, кроме двигателя, находится главный генератор, компрессор, аккумуляторная  батарея, фильтры и т. п. Т. - экономичный локомотив, на котором энергия топлива используется примерно в 6 раз эффективней, чем на паровозе. Современные Т. имеют расчётный кпд 28-32%, развивают скорость 120-160 км/чи более.

  Лит.:Якобсон П. В., История тепловоза в СССР, М., 1960; Тепловоз ТЭЗ, 5 изд., М., 1973; Тепловозы СССР. Каталог-справочник, М., 1974.

  П. И. Кметик.

Рис. 3. Двухсекционный тепловоз 2ТЭ116 - 001 с двумя дизелями общей мощностью 4400 квт(6000 л. с.). Ворошиловград. 1971.

Рис. 1. Первый магистральный тепловоз с дизелем мощностью 750 квт(1000 л. с.), построенный в СССР в 1924.

Рис. 2. Двухсекционный тепловоз 2ТЭ10Л с двумя дизелями общей мощностью 4400 квт(6000 л. с.). Ворошиловград. 1962.

Тепловозный двигатель

Теплово'зный дви'гатель,двигатель внутреннего сгорания ( ) ,устанавливаемый на тепловозе. Отличие Т. д. от стационарных и судовых двигателей состоит в разнообразии режимов работы и частой их смене, что обусловлено различной массой поездов, переменным профилем пути, остановками, разными климатическими условиями (например, температура воздуха изменяется от -50 до 45 °С) и др. причинами. Удельный эффективный расход топлива Т. д. 204- 230 г/( квтЧч)[150 -170г/( л. с. Ч ч)] .Мощность Т. д. магистральных тепловозов достигает 4400 квт (»6000 л. с.) ,наблюдается тенденция к росту мощности до 6000 квт(»8100 л. с.). Т. д. присуща высокая степень форсирования по среднему эффективному давлению [ р _е= 1,6-2,0 Мн/м ²( p _e= 16-20 кгс/см ²)] .Удельная масса (в пересчёте на эффективную мощность) 3,3-22 кг/квт(2,4-16 кг/л. с.) .Максимальная частота вращения коленчатого вала 750-1500 об/мин.В зависимости от мощности на Т. д. расположены 6-20 цилиндров в 1-2 ряда или V-образно. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра 0,9-1,4. Цилиндровую мощность повышают в основном путём увеличения давления до 0,3 Мн/м ²(3 кгс/см ²) и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. На маневровых тепловозах устанавливают Т. д. мощностью 550-1400 квт(750- 2000 л. с.) .Т. д. характеризуются высокой степенью автоматизации, осуществляемой регуляторами частоты вращения и мощности, регуляторами температуры воды и масла, устройствами защиты от ненормальных режимов эксплуатации. Продолжительность работы Т. д. до первого капитального ремонта - до 35 тысяч ч,что соответствует пробегу до 1,2 млн. км.

  Лит.:Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, 3 изд., М., 1973.

  В. А. Дробинский.

Тепловой баланс Земли

Теплово'й бала'нсЗемли, соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе Земля - атмосфера. Основным источником энергии для подавляющего большинства физических, химических и биологических процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является ,поэтому распределение и соотношение составляющих Т. б. характеризуют её преобразования в этих оболочках.

  Т. б. представляют собой частные формулировки закона сохранения энергии и составляются для участка поверхности Земли (Т. б. земной поверхности); для вертикального столба, проходящего через атмосферу (Т. б. атмосферы); для такого же столба, проходящего через атмосферу и верхние слои литосферы или гидросферу (Т. б. системы Земля - атмосфера).

  Уравнение Т. б. земной поверхности: R+ P+ F ₀+ LE= 0 представляет собой алгебраическую сумму потоков энергии между элементом земной поверхности и окружающим пространством. В число этих потоков входит (или остаточная радиация) R- разность между поглощённой коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением с земной поверхности. Положительная или отрицательная величина радиационного баланса компенсируется несколькими потоками тепла. Так как температура земной поверхности обычно не равна температуре воздуха, то между и атмосферой возникает поток тепла Р.Аналогичный поток тепла F ₀наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы или гидросферы. При этом поток тепла в почве определяется молекулярной ,тогда как в водоёмах теплообмен, как правило, имеет в большей или меньшей степени турбулентный характер. Поток тепла F ₀между поверхностью водоёма и его более глубокими слоями численно равен изменению теплосодержания водоёма за данный интервал времени и переносу тепла течениями в водоёме. Существенное значение в Т. б. земной поверхности обычно имеет расход тепла на испарение LE,который определяется как произведение массы испарившейся воды Ена теплоту испарения L.Величина LEзависит от увлажнения земной поверхности, её температуры, влажности воздуха и интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое воздуха, которая определяет скорость переноса водяного пара от земной поверхности в атмосферу.

  Уравнение Т. б. атмосферы имеет вид: R _a+ L _r+ P+ F _a= D W.

  Т. б. атмосферы слагается из её радиационного баланса R _a ;прихода или расхода тепла L _rпри фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г - сумма осадков); прихода или расхода тепла Р, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; прихода или расхода тепла F _a, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, который связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение T. б. атмосферы входит член DW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба.

  Уравнение Т. б. системы Земля - атмосфера соответствует алгебраической сумме членов уравнений Т. б. земной поверхности и атмосферы. Составляющие Т. б. земной поверхности и атмосферы для различных районов земного шара определяются путём метеорологических наблюдений (на актинометрических станциях, на специальных станциях Т. б., на метеорологических спутниках Земли) или путём климатологических расчётов.

  Средние широтные величины составляющих Т. б. земной поверхности для океанов, суши и Земли и Т. б. атмосферы приведены в таблицах 1, 2, где величины членов Т. б. считаются положительными, если соответствуют приходу тепла. Так как эти таблицы относятся к средним годовым условиям, в них не включены члены, характеризующие изменения теплосодержания атмосферы и верхних слоев литосферы, поскольку для этих условий они близки к нулю.

  Для Земли как планеты, вместе с атмосферой, схема Т. б. представлена на рис. На единицу поверхности внешней границы атмосферы поступает поток солнечной радиации, равный в среднем около 250 ккал/см ²в год, из которых около  отражается в мировое пространство, а 167 ккал/см ²в год поглощает Земля (стрелка Q _sна рис. ). Земной поверхности достигает коротковолновая радиация, равная 126 ккал/см ²в год; 18 ккал/см ² в год из этого количества отражается, а 108 ккал/см ²в год поглощается земной поверхностью (стрелка Q). Атмосфера поглощает 59 ккал/см ²в год коротковолновой радиации, то есть значительно меньше, чем земная поверхность. Эффективное длинноволновое излучение поверхности Земли равно 36 ккал/см ²в год (стрелка I) ,поэтому радиационный баланс земной поверхности равен 72 ккал/см ²в год. Длинноволновое излучение Земли в мировое пространство равно 167 ккал/см ²в год (стрелка I _s) .Таким образом, поверхность Земли получает около 72 ккал/см ²в год лучистой энергии, которая частично расходуется на испарение воды (кружок LE) и частично возвращается в атмосферу посредством турбулентной теплоотдачи (стрелка Р) .

Табл. 1. - Тепловой баланс земной поверхности, ккал/см ²год

  Данные о составляющих Т. б. используются при разработке многих проблем климатологии, гидрологии суши, океанологии; они применяются для обоснования численных моделей теории климата и для эмпирической проверки результатов применения этих моделей. Материалы о Т. б. играют большую роль в изучении изменений климата, их применяют также в расчётах испарения с поверхности речных бассейнов, озёр, морей и океанов, в исследованиях энергетического режима морских течений, для изучения снежных и ледяных покровов, в физиологии растений для исследования транспирации и фотосинтеза, в физиологии животных для изучения термического режима живых организмов. Данные о Т. б. были использованы и для изучения географической зональности в работах советского географа А. А. Григорьева.

Табл. 2. - Тепловой баланс атмосферы, ккал/см ²год

  Лит.:Атлас теплового баланса земного шара, под ред. М. И. Будыко, М., 1963; Будыко М. И., Климат и жизнь, Л., 1971; Григорьев А. А., Закономерности строения и развития географической среды, М., 1966.

  М. И. Будыко.

Схема теплового баланса системы земная поверхность - атмосфера.

Тепловой баланс моря

Теплово'й бала'нсморя, соотношение прихода и расхода теплоты в море, основными составляющими которого являются: ,турбулентный и конвективный моря с атмосферой, потеря теплоты на испарение, перенос её течениями. Кроме того, в Т. б. моря входит приход и расход теплоты в результате на поверхность моря, выпадения осадков, речного стока, образования и таяния льдов, поступления теплоты из недр Земли через поверхность дна моря, химических процессов в море, перехода части кинетической энергии воды и воздуха в теплоту. Подробнее см. в ст. .

Тепловой баланс (физич.)

Теплово'й бала'нс,сопоставление прихода и расхода (полезно использованной и потерянной) теплоты в различных .В технике Т. б. используется для анализа тепловых процессов, осуществляющихся в паровых котлах, печах, тепловых двигателях и т. д. Т. б. составляется в единицах энергии ( , ) или в % общего количества теплоты, приходящихся на единицу выпускаемой продукции, на 1 чработы, на период времени (цикл) или на 1 кгизрасходованного вещества. В научных исследованиях Т. б. пользуются при решении многих астрофизических, геофизических, химических, биологических и других проблем (см. моря, Земли и т. д.).

  Т. б. рассчитывается на основе физических теплот ( ) ,участвующих в процессе веществ, и теплот соответствующих химических реакций. Для сложных процессов (особенно в металлургии, химической технологии и т. д.) Т. б. предшествует построение материального баланса, т. е. сопоставление прихода и расхода масс веществ в этом процессе; при этом Т. б. установки часто получается как сумма Т. б. аппаратов, составляющих эту установку. Различают Т. б. расчётные и экспериментальные, составленные по данным тепловых испытаний.

  Т. б. выражается: в виде уравнения (в одной части которого суммируется приход теплоты, в другой - её расход или потери), таблицы или диаграммы ( рис. ). Например, Т. б. парового котла выражается след. уравнением:

,

где  - теплота сгорания топлива;  - физическая теплота топлива;  - физическая теплота воздуха;  - теплота, переданная рабочему телу; - потеря теплоты с уходящими газами; - потери теплоты из-за химического и механического недожога топлива;  - потеря теплоты с излучением в окружающую среду.

  По данным Т. б. определяют численное значение как отдельных частей, так и всей установки в целом. Для оценки экономичности установок, вырабатывающих несколько видов энергии, может применяться эксергический баланс (см. ) .

  Лит.см. при статьях и .

  И. Н. Розенгауз.

Тепловой баланс автомобильного двигателя: а - полезно использованная теплота; б - потери с выхлопными газами; в - потери с охлаждающей водой; г - прочие потери.

Тепловой вакуумметр

Теплово'й вакуумме'тр,см. в ст. .

Тепловой двигатель

Теплово'й дви'гатель, ,в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Т. д. составляют наибольшую группу среди первичных двигателей и используют природные энергетические ресурсы в виде химического или ядерного топлива. В основе работы Т. д. лежит замкнутый (или условно замкнутый) термодинамический цикл (см. ) .Эффективность работы идеального Т. д. определяется термодинамическим кпд (см. ) .Работа реального Т. д., имеющего дополнительные потери, например на трение, вихреобразование, тепловые потери, оценивается так называемым эффективным кпд, то есть отношением механической работы на выходном валу Т. д. к подведённой тепловой энергии. Эффективный кпд Т. д. колеблется в пределах 0,1-0,6. По типу машин, осуществляющих рабочие термодинамические процессы, Т. д. подразделяются на поршневые двигатели (см. ) , и .Возможны комбинации этих типов Т. д., например , .По способу подвода теплоты для нагрева рабочего тела Т. д. подразделяются на ,в которых процессы сгорания топлива и преобразования теплоты в механическую работу происходят в одних и тех же рабочих полостях (цилиндрах) Т. д., и двигатели внешнего сгорания, в которых рабочее тело получается (или нагревается) вне самого Т. д. в специальных устройствах (см., например, , ) .

  О. Н. Емин.

Тепловой комфорт

Теплово'й комфо'рт,комфортное тепловое состояние, функциональное состояние организма человека, характеризующееся определённым содержанием и распределением теплоты в поверхностных и глубоких тканях тела при минимальном напряжении аппарата .Субъективно такое состояние оценивается как наиболее предпочитаемое. Объективно оно характеризуется постоянством ,минимальной активностью потовых желёз (неощутимое потоотделение 40-60 г/ч) ,небольшими периодическими колебаниями температуры конечностей, особенно кистей и стоп (в диапазоне 30-31 °С) при почти неизменном уровне температуры кожи в области туловища (около 33 °С), относительным постоянством средней температуры кожи (32-33 °С), оптимальным уровнем функционирования сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной, выделительной и других физиологических систем организма, а также наивысшим уровнем умственной работоспособности. Т. к. наблюдается у человека, находящегося в состоянии мышечного покоя при теплопродукции около 80 ккал/ч(1 ккал= 4,19 кдж) или при лёгкой работе с теплопродукцией, не превышающей 150 ккал/ч(канцелярский труд, работа инженера, оператора, научного сотрудника и т. п.), при известном сочетании параметров микроклимата - температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения. Нормативы микроклимата для жилых и общественных зданий, обеспечивающие Т. к., разрабатываются дифференцированно, применительно к разным климатическим зонам, сезонам года и возрастным группам. У большинства взрослых практически здоровых людей, постоянно проживающих в умеренной климатической зоне и одетых в обычную комнатную одежду, Т. к. наблюдается зимой при температуре воздуха 18-22 °С, летом 23-25 °С, при разнице температур воздуха и ограждений не более 3 °С, относительной влажности 30-60%, скорости движения воздуха 0,05-0,15 м/сек(зимой) и 0,2-0,4 м/сек(летом). Зоне комфорта обнажённого человека соответствует температура воздуха 28-30 °С. Под влиянием ряда факторов (физическая работа, акклиматизация к теплу или холоду, некоторые патологические состояния) зона Т. к. несколько изменяется. Тренировка и закаливание организма путём применения воздушных ванн и водных процедур с постепенным снижением температуры раздражителя, а также динамического микроклиматического воздействия, понижая нижнюю границу, расширяют зону Т. к., чем повышают сопротивляемость организма к простудным факторам. В ночное время рекомендуется умеренное понижение температуры вдыхаемого воздуха на 1-2 °С при хорошей теплоизоляции тела, что способствует глубине сна. У детей в первые годы жизни, особенно у новорождённых, и у пожилых людей из-за функциональной недостаточности аппарата терморегуляции зона комфортного микроклимата сужается. Индивидуальные различия границ зоны Т. к. зависят от особенностей ,акклиматизации, развития подкожного жирового слоя, привычки к ношению одежды с той или иной теплоизоляцией и т. п.

  Лит.:Слоним А. Д., Воронин Н. М., Влияние на организм климата как средства профилактики и курортного лечения, в кн.: Основы курортологии, ч. 1, М., 1959, с. 20-59; Горомосов М. С., Микроклимат жилищ и его гигиеническое нормирование, М., 1963; Руководство по коммунальной гигиене, т, 3, М., 1963, с. 203-51; Кандрор И. С., Демина Д. М., Ратнер Е. М., Физиологические принципы санитарно-климатического районирования территории СССР, М., 1974.

  Е. М. Ратнер.

Тепловой насос

Теплово'й насо'с,устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой (чаще всего - окружающей среды) к теплоприёмнику с высокой температурой. Для работы Т. н. необходима затрата внешней энергии (например, механической, электрической, химической). Процессы, происходящие в Т. н., подобны процессам, осуществляемым рабочим телом в ,с той разницей, что назначение холодильной машины - производство холода, а Т. н. - производство теплоты (см. ) .Рабочим телом в Т. н. обычно является жидкость с низкой температурой кипения (например, фреон, аммиак). Теплоприёмник Т. н. получает, кроме теплоты, эквивалентной совершаемой внешней работе, теплоту, перенесённую от теплоотдатчика, например речной воды; следовательно, коэффициент преобразования энергии в Т. н. всегда больше единицы и такой процесс более выгоден, чем непосредственное превращение электрической, механической или химической энергии в теплоту. Однако условия развития энергетики, заключающиеся в совместной выработке теплоты и электроэнергии, ограничивают использование Т. н., который применяется только в тех случаях, когда другие виды теплоснабжения затруднены (например, при удалённости объекта от ТЭЦ). Иногда Т. н. применяется для отопления в районах с жарким климатом, так как в летний период эта же установка охлаждает подаваемый в здание воздух. Т. н. получил широкое распространение во время 2-й мировой войны 1939-45 в связи с топливными затруднениями, особенно в странах, где имеется в избытке дешёвая электрическая энергия гидростанций (например, в Швейцарии, Швеции, Норвегии и др.).

  В. С. Бунин.

Тепловой пограничный слой

Теплово'й пограни'чный слой,слой теплоносителя (жидкости или газа) между его основным потоком и поверхностью теплообмена; в этом слое температура теплоносителя меняется от температуры стенки до температуры потока. См. .

Тепловой поток

Теплово'й пото'к,количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени. Размерность Т. п. совпадает с размерностью .Т. п. измеряется в или ккал/ч(1 вт= 0,86 ккал/ч) .Т. п., отнесённый к единице изотермической поверхности, называется плотностью Т. п., удельным Т. п. или тепловой нагрузкой; обозначается обычно q,измеряется в вт/м ²или ккал/( м ² Чч) .Плотность Т. п. - вектор, любая компонента которого численно равна количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению взятой компоненты.

Тепловой процесс

Теплово'й проце'сс,термодинамический процесс, изменение состояния физической системы ( ) в результате теплообмена и совершения работы. Если Т. п. протекает настолько медленно, что в каждый момент рабочее тело будет находиться в ,то он является равновесным, в противном случае Т. п. - .Если Т. п. можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных состояний, то он называется (такой Т. п. должен быть равновесным). Все реальные Т. п. - ,поскольку они осуществляются с конечными скоростями, при конечных разностях температур между источником теплоты и рабочим телом и сопровождаются трением и потерями теплоты в окружающую среду.

  Т. п. могут происходить при постоянных давлении ( ) ,температуре ( ) ,объёме ( ) .