| динённым с газовой турбиной. Почти все существующие Г. имеют одновальную газотурбинную установку открытого цикла с электрич. передачей (рис. 1).
Г. появились впервые в США в 1948, в 1969 на ж. д. Юнион Пасифик эксплуатировалось до 50 Г. с ГДТ мощностью 3300 квт (4500 л.с.) и 6300 квт (8500л. с.). Отд. Г. были изготовлены также в Великобритании, Швеции, Швейцарии и Чехословакии. Первые советские Г. находятся в эксплуатации с 1965.
Силовая установка Г. с электрич. передачей состоит из газовой турбины, компрессора, генератора постоянного тока и тяговых электродвигателей. Генератор обеспечивает питание электрич. энергией тяговых электродвигателей, устанавливаемых обычно по одному на каждую движущую ось локомотива.
Рис. 3. Расположение силового оборудования газотурбовоза Г1-01: 1- компрессор; 2- турбина: 3- камеры сгорания; 4- редуктор; 5- главные генераторы; 6- вспомогательный дизель; 7- высоковольтные камеры; 8- холодильник газотурбинного двигателя; 9- топливный бак; 10- тормозной компрессор.
Вид передачи мощности от вала газовой турбины к движущим колёсам Г. определяется типом ГТД и его назначением. При одновальном ГТД применяется
Рис. 1. Схема одновальной газотурбинной установки открытого цикла: 1-воздушный компрессор; 2- газовая туобнна; 3- камера сгорания; 4- атмосферный воздух; 5- отработавшие газы) 6- топливо.
электрич. передача тепловозного типа; т. н. жёсткие передачи, использование к-рых возможно в Г. при многовальном двигателе, бывают механические (гл. редуктор, карданы, осевые редукторы) или электрические переменного тока (синхронные генераторы, асинхронные короткозамкнутые двигатели). На Г. имеется также пусковая установка, обычно дизельная - 150-240 квт (200- 300 л. с.). Её осн. назначение - довести скорость вращения генератора до величины, при к-рой компрессор начинает подавать воздух в камеру сгорания. Кроме того, эта установка передвигает локомотив, когда он следует без состава, и питает ряд вспомогат. агрегатов. Газотурбинная установка Г. обычно работает на тяжёлом жидком топливе или газе.
Г. имеют ряд преимуществ не только перед паровозами, но по нек-рым показателям и перед тепловозами. Так, удельная масса Г., т. е. масса на единицу мощности, составляет ок. 50% массы паровоза и 75% массы тепловоза; компактность газотурбинной установки позволяет уменьшить длину локомотива примерно в 2 раза по сравнению с тепловозом равной мощности; силовая установка Г. не требует водоснабжения; простота конструкции газотурбинного агрегата обеспечивает надёжность и бесперебойность его работы, облегчает обслуживание и текущий ремонт. Управление Г. сводится к регулированию подачи горючего в камеру сгорания. Надлежащий режим элект-рич. передачи обеспечивается автоматически.
Г. Коломенского тепловозостроит. з-да Г1-01 (рис. 2 и 3) отличается высокой надёжностью ГТД, простотой ухода и ремонта, возможностью работы на тяжёлом топливе.
Развитие газотурбовозостроения пока не вышло из опытной стадии, гл. обр. из-за сравнительно невысокого кпд (примерно в 2 раза ниже кпд тепловоза). Ведутся работы над повышением кпд Г. Напр., Луганским тепловозостроит. з-дом построен опытный Г. с СПГГ мощностью 2200 квт (3000 л. с.). Силовая установка состоит из 4 электрич. генераторов, работающих на одну газовую турбину, гид-ромеханич. передачи и вспомогат. оборудования. Подобные опытные Г. созданы также во Франции и Швеции. Кпд таких Г. может достигать 30-32%.
Лит.: Белоконь Н. И., Газотурбинные локомотивы, "Железнодорожный транспорт", 1955, N° 4; Локомотивные газотурбинные установки, М., 1962; Бартош Е. Т., Газотурбовозы, М., 1963; Вопросы создания мощных газотурбинных локомотивов. [Сб. ст.], М., 1966. Е. Т. Бартош.
ГАЗОУБЕЖИЩЕ, специальное защитное сооружение или помещение, предназначенное для противохимич. защиты людей. После 2-й мировой войны 1939-45 подобные сооружения стали называть убежищами. Термин "Г." из употребления вышел.
ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА, служит для разделения смеси лёгких углеводородов на индивидуальные, или технически чистые, вещества.
Г. у. входит в состав газобензиновых, газоперерабатьшающих, нефтехимич. и химич. з-дов. Мощность Г. у. достигает 750 тыс. т сырья в год. Для переработки на Г. у. поступает сырьё - газовые бензины, получаемые из природных и нефте-заводских газов, продукты стабилизации нефтей, газы пиролиза и крекинга. В состав сырья входят в основном углеводороды, содержащие от 1 до 8 атомов углерода в молекуле. Разделение смесей углеводородов осуществляется ректификацией в колонных аппаратах.
Схема разделения газового бензина в Г. у. включает предварит, нагрев в теплообменнике газового бензина и подачу его в пропановую колонну (рис.). Из верхней части колонны отводятся пары пропана, к-рые конденсируются в конденсаторе-холодильнике и поступают в ёмкость орошения. Часть пропана возвращается на верх колонны как орошение, а избыток отводится в виде готового продукта. Жидкость с низа колонны после подогрева поступает для дальнейшего разделения по такой же схеме в следующую колонну, где из неё выделяется в виде верхнего продукта смесь бутанов, а из нижней части отводится бензин. Аналогичным образом производится разделение бутанов на изобутан и нормальный бутан, а бензина-на изопентан, нормальный пен-тан, гексаны и т. д. Примерное содержание чистого вещества (в % ) в товарном продукте того же наименования при переработке газового бензина: пропан 96; изобутан 95; нормальный бутан 96; изопентан 95; стабильный бензин 74. Совершенствование технологич. схемы Г. у. направлено на снижение энергетич. и капитальных затрат, автоматизацию контроля и управления процессом путём установки хроматографич. анализаторов качества продуктов на потоках и электронных вычислительных машин.
Схема газофракционирующей установки: 1- пропановая колонна; 2- стабилизационная колонна; 3- изобутановая колонна; 4- конденсаторы-холодильники; 5- подогреватели низа колонны; 6- теплообменники; 7- холодильники.
Лит.: Переработка и использование газа, М., 1962; Черный И. Р., Подготовка сырья для нефтехимии, М., 1966.
А. Л. Халиф.
ГАЗЫ (франц. gaz; назв. предложено голл. учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в к-ром его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Г. образуют атмосферу Земли, в значит, количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного вещества состоят из Г.- нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях Г. представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных Г.
Физические свойства газов
Свойства газа
Азот
N2
Аргон Аr
Водород Н2
Воздух
Кислород O2
Углекислый газ СО2
Масса 1 моля (г)
28,02
39,94
2,016
28,96
32,00
44,00
Плотность при 0°С и 1 am* (кг/м3)
1,2506
1,7839
0,0899
1 ,2928
1,4290
1,976
Теплоёмкость при постоянном объёме Сv и 0°С (кдж/моль*град)
20,85
12,48
20,35
20,81
20,89
30.62 (55°С)
Скорость звука при 0°С (м/сек)
333,6
319
1286
331,5
314,8
260,3
Вязкость л при 00С (n* 106 н*сек/м2)
16,6
21,2
8,4
17,1
19,2
13,8
Теплопроводность ламбда при 0°С (лямбда*102 дж/м*сек* град)
2,43
1,62
16,84
2,41
2,44
1,45
Диэлектрич. проницаемость эпсилон при 0°С и 1 am*
1,000588
1,000536
1,000272
1,000590
1,000531
1 ,000988
Удельная магнитная восприимчивость х при 20°С (капа*106 на 1 г)
-0,43
-0,49
-1,99
-
+ 107,8
-0,48
* 1 am = 9,81*104 н/м2.
Г. обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в к-ром находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём Г. существенно зависит от давления и темп-ры. Коэфф. объёмного расширения Г. в обычных условиях (О-100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет в среднем 0,003663 град-1. В табл. приведены данные о физич. свойствах наиболее распространённых Г.
Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и темп-ры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - темп-pa Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При темп-рах ниже критической Тк (см. Критическое состояние) эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) I и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует темп-ра Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше к-рой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой I (ниже тройной точки Тр) газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критич. точкой K) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.
Рис. 1. р, T-диаграмма состояния вещества. Область газообразного состояния заштрихована. Со стороны низких температур и давлений она ограничена кривыми сублимации (I) и парообразования (II). Тр - тройная точка, К - критическая точка. Штриховой линией показана критическая изохора вещества.
При темп-рах ниже Ткможно сконденсировать Г.- перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение Г. в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (напр., плотности, энтальпии, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации Г., особенно сжижение газов, имеют важное техническое значение.
При Т>ТК граница газообразной области условна, поскольку при этих темп-рах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между Г. и жидкостью при сверхкритич. темп-pax и давлениях принимают критич. изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см, рис. 1), в непосредств. близости от к-рой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.
В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства Г. при изменении темп-ры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0°С и атмосферном давлении) плотность Г. примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной темп-ре, но давлении, в 1017 раз меньшем атмосферного (предел, достигнутый совр. вакуумной техникой), плотность Г. составляет ок. 10-20г/см3. В космич. условиях плотность Г. может быть ещё на 10 порядков меньше (~10 -30г/см3).
С другой стороны, при высоких давлениях вещество, к-рое при сверхкритич. темп-pax можно считать Г., обладает огромной плотностью (напр., в центре нек-рых звёзд~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства Г.- теплопроводность, вязкость и т. д.
Молекулярно-кинетическая теория Г. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает Г. как совокупность слабо взаимодействующих частиц (молекул или атомов), находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений кинетич. теории удаётся объяснить осн. физич. свойства Г., особенно полно - свойства разреженных Г.
У достаточно разреженных Г. средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, напр., при нормальных условиях в 1 см3 Г. находится ~ 1019 молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10-6 см, или ~100А, тогда как межмолекулярное взаимодействие не существенно на расстояниях свыше 5-10А. Следовательно, в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на расстояние действия межмолекулярных сил. Такое сближение принято трактовать как столкновение молекул. Радиус действия межмолекулярных сил в рассмотренном примере в 10-20 раз меньше среднего расстояния между молекулами, так что общий объём, в к-ром эти силы могут сказываться (как бы "собственный объём" всех молекул), составляет 10~3 - 10~4 от полного объёма Г. Это позволяет считать собств. объём молекул Г. в нормальных условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Газ, молекулы к-рого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, наз. идеальным. При тепловом равновесии
идеального Г. все направления движения его молекул равновероятны, а скорости распределены в соответствии с Максвелла распределением. На рис. 2 приведён график этого распределения для азота при темп-рах 20 и 500°С. Из графика видно, что подавляющее большинство
Рис. 2. Распределение Максвелла для молекул азота при температурах 20 и 500°С. По оси ординат отложена доля молекул (в %), обладающих скоростями между с и (с + 10) м/сек; сн - наиболее вероятная скорость, к-рой обладает наибольшее число молекул при данной температуре; - средняя арифметическая скорость молекул; - средняя квадратичная скорость.
молекул имеет близкие значения скорости (максимум кривой соответствует скорости наиболее вероятной при данной темп-ре), но существует также изностная часть молекул с малыми и очень большими скоростями. При помощи максвеллов-ского распределения может быть определена т. н. средняя квадратичная скорость молекул связанная с темп-рой Т газа соотношением
(1)
Здесь k - Больцмана постоянная, т - масса молекулы. Уравнение (1) позволяет установить связь между средней кинетич. энергией одной молекулы и темп-рой газа:
(2)
Эту зависимость часто рассматривают как молекулярно-кинетич. толкование темп-ры - темп-pa есть мера кинетич. энергии молекул.
Поскольку молекулы идеального Г. обладают лишь кинетич. энергией, внутренняя энергия такого Г. не зависит от занимаемого им объёма (закон Джоуля).
Молекулярно-кинетич. теория рассматривает давление Г. на стенки сосуда, в к-ром он находится, как воздействие ударов молекул, усреднённое по поверхности и времени. Количественно давление р определяется импульсом, передаваемым молекулами в единицу времени единице площади стенки:
(3)
где п - число молекул в единице объёма. Ур-ния (2) и (3) позволяют записать уравнение состояния идеального Г. в виде
(4)
Ур-ние (4), записанное для 1 моля Г., содержащего N = 6,023*1023 молекул (см. Авогадро число), называют Клапейрона уравнением:
(5)
Здесь R = kN - универсальная газовая постоянная, v - объём, приходящийся на 1 моль. Ур-ние Клапейрона обобщает эмпирич. газовые законы Бойля - Мариотта и Гей-Люссака (см. Бойля - Мариотта закон, Гей-Люссака законы). Из ур-ния (5) следует также, что при одинаковых темп-ре и давлении идеальные Г., взятые в количестве 1 моля, имеют равные объёмы и в любом таком Г. в единице объёма содержится равное количество молекул (см. Авогадро закон).
В условиях теплового равновесия темп-pa и давление Г. по всему его объёму одинаковы, молекулы движутся хаотично, в Г. нет упорядоченных потоков. Возникновение в Г. перепадов (градиентов) темп-ры или давления приводит к нарушению равновесия и переносу в направлении градиента энергии, массы или др. физич. величин.
Кинетич. свойства Г.- теплопроводность, диффузию, вязкость - молекулярно-кинетич. теория рассматривает с единой точки зрения: диффузию как перенос молекулами массы, теплопроводность как перенос ими энергии, вязкость как перенос количества движения. Модель идеального Г. для анализа явлений переноса непригодна, ибо в этих процессах существенную роль играют столкновения молекул (при к-рых происходит передача к.-н. из переносимых величин, напр, энергии) и "размер" молекул (влияющий на частоту столкновений). Поэтому в простейшем случае явления переноса в Г. рассматриваются для разреженного Г., молекулы к-рого в первом приближении считаются упругими шариками с определённым диаметром а, причём эти шарики взаимодействуют друг с другом только в момент соударения. В этом приближении диаметр молекулы связан простым соотношением с её средней длиной свободного пробега
(6)
Размерсущественно влияет на процессы переноса в разреженном Г, В частности, если характерный размер объёма, занимаемого Г., больше, то теплопроводность и вязкость Г. не зависят от давления. Наоборот, когда больше характерного размера, теплопроводность и вязкость Г. с уменьшением давления (а значит, и числа столкновений) начинают падать. На этом явлении, в частности, основаны тешюизолирующие свойства сосудов с двойными стенками, воздух между к-рыми откачан (см. Дьюара сосуды). В более строгой молекулярной теории при анализе явлений переноса в разреженных газах учитывается взаимодействие молекул при любых расстояниях между ними. Характер взаимодействия определяется т. н. потенциалом взаимодействия (см. Межмолекулярное взаимодействие). Строгое рассмотрение динамики парных взаимодействий (столкновений) приводит к тому, что в формулах для расчёта коэффициентов переноса появляются т. н. интегралы столкновений, являющиеся функциями только приведённой темп-ры . Эта темп-pa характеризует отношение кинетич. энергии молекул (~kT) к их потенциальной энергии (- глубина потенциальной ямы при данном потенциале взаимодействия). Интегралы столкновений учитывают то обстоятельство, что сталкивающиеся молекулы в зависимости от их кинетич. энергии, а значит и темп-ры Г., могут сближаться на различные расстояния, т. е. как бы изменять свой эффективный размер.
Свойства реальных Г. При повышении плотности изменяются свойства Г., они перестают быть идеальными. Уравнение состоя |
