Spalovací (výbušné) motory mají dnes na celém světě výkon aspoň 3 miliardy koní, kdežto všechny lokomotivy světa mají výkon asi sedmkrát menší a elektrárny asi osmkrát menší. Zhospodárněním jejich chodu může dojít k velkým úsporám. K tomu však nezbytně potřebujeme hlubší znalost jejich práce. Proto studujeme nauku o teple.
Teplota. Teplotu měříme ve stupních Celsia, oC. Voda zmrzne při 0o, vře na volném vzduchu při 100o C. Ve vědeckých úvahách se počítá také s absolutní teplotou, která se měří ve stupních Kelvina, oK. Dostaneme ji, když k oC přidáme 273. Voda teplá 30o C má absolutní teplotu 30o + 273 = 303o K.
Teplo nebo chlad vnímáme tepelnými a chladovými tělísky v kůži. Tepelných tělísek má člověk asi 30 000, někde jsou až 1 cm od sebe, hlouběji v kůži. Chladových tělísek je asi 300 000 a nalézají se v blízkosti povrchu kůže (hmatových tělísek je aspoň 600 000). Pocit tepla v místnosti nezávisí jen na teplotě, ale i na vlhkosti vzduchu. V dílně kde je vlhký vzduch (něco se tam suší, pracuje se s párou aj.), necítíme chlad ani při 18o C. V suché místnosti, ohřívané jen ústředním vytápěním, cítíme chlad i při 27o C, třebaže při správně provlhčeném vzduchu by tam bylo nepříjemně horko.
Není-li tedy vzduch dílen správně provlhčen, vznikají veliké ztráty tepla, protože musíme vytápět na zbytečně vyšší teplotu. Proto spojujeme vytápění při každé novější instalaci (i při opravě staré) s úpravou vzduchu, s tzv. klimatizací (vlhčení, čištění aj.).
Vytápění a spotřebě energie s tím spojené musíme věnovat větší pozornost než dosud, neboť velmi často nejen v domácnostech, ale i v kotelnách starých závodů topíme velmi nehospodárně. Někdy se více než polovina paliva vyplýtvá tím, že teplo neužitečně uniká komínem nebo i jinak. Na otop domácností se spotřebuje podle SÚP asi 15 % z veškeré uhelné těžby. V některých průmyslových odvětvích (např. v kovovýrobě) otop vyžaduje až 40 % celkové spotřeby energie. Mnoho záleží také na klimatických poměrech a na rozmístění budov se zřetelem k světovým stranám (čili závažná energetická chyba vznikla někdy už při volbě staveniště a při projektu budov).
Teplo. Teplo je druh energie; je to název pro pohybovou energii molekul, z nichž jsou tělesa složena. Při zahřívání roste pohyb molekul, tělesa se „načechrávají“, jejich rozměry se zvětšují.
Jednotkou tepla je 1 kalorie (1 cal). Větší jednotkou je 1 kilokalorie (1 kcal) = 1000 kalorií = 1000 cal; 1 kcal je teplo, jež ohřeje 1 kg vody o 1o C, např. ze 14,5o C na 15,5o C.
Specifické (měrné) teplo. Ohřívejme dvěma stejnými plameny kilogram oceli a kilogram vody. Za chvíli bude ocel žhavá, kdežto voda bude sotva vlažná, ač jsme přivedli oběma stejné množství tepla. Aby teplota stejného množství vody a oceli stoupla stejně, je třeba dodat vodě desetkrát více tepla než oceli. Ostatně podobný úkaz může každý poznat při jídle: vyjmeme-li z horké vody současně brambor a párek, je párek za chvíli skoro studený a o brambor se ještě spálíme.
Tato podivuhodná věc, která dlouho mátla středověké učence, se vykládá tím, že k stejnému ohřátí naberou různé látky různá množství tepla. Říkáme, že mají různé specifické (měrné) teplo. Voda má specifické teplo 1 kcal/kg 1o C, ocel 0,1 kcal/kg 1o C. Aby se 1 kg vody ohřál o 1o C, je třeba přivést 1 kcal. Aby se 1 kg oceli ohřál o 1o C, je třeba přivést 0,1 kcal (desetkrát méně tepla).
Teplo je energie. Energií tedy rozumíme všechno, co zvyšuje teplotu tělesa. Není jen energie mechanická a elektrická, ale i chemická (hašení vápna) a zářivá (tělesa pohlcují záření, a tím se ohřívají). Z rozžhavených kamen sálá neviditelné zářivé teplo. Bylo zjištěno, že
1 kcal tepla = 427 kpm práce = 0,00116 kWh práce.
Vidíme, že k nepatrnému ohřátí 1 l vody o 1o C je třeba stejné práce jako k vyzvednutí 427 kp do výše 1 m. Kdyby se nám např. podařilo proměnit v práci jen desetinu stupně z teploty vody v řece, nahradil by stroj, který by to dokázal, vodopád 42,7 m vysoký. Zatím je to nemožné, protože neznáme prostředek, jak teplo donutit, aby přecházelo samo do sebe z teplejšího tělesa na studenější a z chladnějšího na teplejší.
Pára. Ohříváním kapaliny kmitají její molekuly stále více, až se s povrchu oddělí a létají do prostoru (vypařování). Každá molekula odnese s sebou určitou část tepla; důsledek toho je, že kapalina při vypařování i chladne.
V uzavřené nádobě je prostor nad ohřívanou kapalinou brzy naplněn molekulami, jež se vypařily. Nakonec se sice stále nové a nové vypařují, ale stejný počet molekul se po klikaté cestě prostorem opět vrací do kapaliny. Říkáme, že pára nad kapalinou je nasycená (sytá).
Vodní páru můžeme ohřát a dostaneme páru přehřátou (nad 100o C).
Je v ní více tepla než v páře nasycené, může tedy část tepla odevzdat a nesrazí se (nezkondenzuje) hned ve vodu. To je veliká výhoda, a proto přehřáté páry používáme k pohonu parních strojů a turbín.
Tlak čili napětí páry se určuje v atmosférách, at.
1 at = tlak 1 kp na 1 cm2 = tlak 10 000 kp na 1 m2.
Má-li pára tlak 10 at, tlačí na každý čtvereční centimetr stěny kotle tlakem 10 kp. Vzduch má tlak asi 1 at. Je-li v kotli tlak 10 at (říkáme 10 atmosfér absolutních, 10 ata, měří-li se od nuly), tlačí zvenčí vzduch na kotel tlakem 1 at a přetlak páry v kotli je 10 – 1 = 9 atp = atmosfér přetlaku. V parních tabulkách příruček najdeme, jak teplá je sytá pára při určitém tlaku, jaký tlak má pára přehřátá na určitou teplotu atd.
Teplota a tlak jsou parametry páry.
Zdroje energie
Praktickým zdrojem energie (nepočítáme-li s energií atomovou, jejíž průmyslové využití se rychle rozvíjí) je sluneční teplo. Je uloženo ve formě paliv v zemi, v ohřátém ovzduší (energie větrná), ve vypařené vodě moří a řek. Z vodní energie a uhlí vyrábíme zpravidla elektřinu (zřídka žene turbína přímo pracovní stroje), z uhlí teplo. Hospodaření energií znamená tedy především šetření uhlím a elektřinou. Zároveň však musíme brát zřetel i na pořizovací náklady celého zařízení. Drahého zařízení musí být co možná plně využito, je třeba, aby bylo stále v provozu a aby bylo hospodárné. Motor, který slouží jako rezerva při špičkovém zatížení a pracuje nepravidelně, je nehospodárný.
Elektrická energie je velmi levná, výrobní cena jedné kilowatthodiny je několik haléřů. Z každé koruny účtu za elektřinu, spotřebovanou v domácnosti činí skutečná výrobní cena elektrické energie přibližně 14 haléřů. Zbývajících 86 haléřů platíme za výhodu, že je energie dodána až na místo spotřeby a že ji můžeme odebírat, kdy potřebujeme, tj. za zařízení, provoz a údržbu rozvodové sítě s transformačními stanicemi.
Při energetické rozvaze běžné kotelny počítáme, kolik energie spotřebujeme k výrobě 1 kp páry. Obvykle (na běžném kotelním zařízení při střední účinnosti) spotřebujeme v palivu na 1 kp páry asi kolem 1000 kcal tepla.
K vyrobení 1 kWh práce spotřebujeme v dobře pracující uhelné centrále přibližně 3500 až 5000 kcal tepla. Průměrně se počítá, že 1 kWh z vodní síly je asi za třetinu ceny kWh z uhlí.
Uhlí roztřiďujeme podle různých hledisek. Podle zrnění máme uhlí hrubé (kusy, kostky, ořechy) a drobné (hrášek, krupice, prach). Podle původu rozeznáváme uhlí hnědé (mostecké, sokolovské, handlovské aj.) a černé (ostravské, kladenské, rosické, nýřanské aj.).
Výhřevnost, tj. počet kcal, získaný dokonalým spálením 1 kp paliva, je u černého uhlí mezi 5000 až 7000 kcal/kp, u hnědého mezi 3000 až 4500 kcal/kp. Závisí na čistotě a vlhkosti uhlí. Pro průmyslová topeniště kotlů přicházejí v úvahu jen nižší hodnoty, u černého uhlí 5000, u hnědého 3000 kcal/kp.
Použití plynu v průmyslu se stále šíří. Také zde jsou velké rezervy úspor. Plynem se může šetřit nejen odstraněním různých technických závad a dobrou údržbou spotřebičů, ale i zlepšením a modernizací pracovní postupů, při kterých plynu využíváme. Někdy uniká plyn i netěsnými kohouty; mnohem větší ztráty však vznikají nedostatečným nebo neodborným využitím plynových spotřebičů. Postačí, aby byl plamen plynového hořáku svítivě žlutý místo modrý, a už podstatně stoupá spotřeba. Velkou závadou je, udržují-li se plynové pece v plném žáru i bez vsázky (např. mezi směnami). Energetik se musí snažit vypracovat normy spotřeby plynu pro různé práce tak, aby získal podklad pro kontrolu spotřeby měření hospodárnosti.
Tepla obsaženého v plynu nejlépe využijeme, spalujeme-li plyn bez plamene. Tento způsob propracovali sovětští technici (Ravič aj.). Plyn hoří v úzkých kanálcích v šamotovém zdivu, přivádí-li se pod tlakem do injektorového hořáku, který zároveň nasává z okolí k spalování potřebný vzduch a mísí jej s plynem. Ravičův plynový kotel má malý objem; na jeho stavbu se spotřebuje asi pětina množství kovu, nutného k výrobě běžného kotle téhož výkonu.
Zdroj: Emil Řeháček, Malá energetika, SNTL 1963
