Реферат: Тепловые двигатели 2. Реферат тепловые двигатели

Реферат - Тепловые двигатели - Физика

Условия, необходимые для работы тепловых двига­телей. Простейшеймашиной, при помощи которой люди давно использовали энергию излучения Солнцадля полу­чения работы, являются ветряные мельницы (ветряные двигатели). Вращениекрыльев двигателя, приводящее в движение вал, совершающий какую-либо работу,возни­кает под действием ветра. Для возникновения ветра не­обходима разностьдавлений, а эта последняя возникает вследствие различия в температуре различныхчастей ат­мосферы. Ветер есть не что иное, как конвекционное дви­жениеатмосферы, обусловленное неравномерным нагрева­нием ее.

Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может бытьиспользована для получения работы в ветряном дви­гателе только при условии, чтоимеется разность тем­ператур отдельных частей атмосферы, создаваемая погло­щениемлучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство.Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы засчет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающаяработу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело называютнагрева­телем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику).Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя,а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.

Машины[1],производящие механическую работу в резуль­тате обмена теплотой с окружающими телами,называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагреваниеполучается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточновысокую темпера­туру. В этих случаях работа совершается за счет использо­ваниявнутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуютмашины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты ма­шин,использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие неимеют заметного прак­тического значения. В настоящее время эксплуатируютсятакже тепловые машины, использующие теплоту, выделя­ющуюся в реакторе, гдепроисходит расщепление и пре­образование атомных ядер.

Паросиловая станция. Раньше всего (в конце XVIII века)были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустяпримерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работаэтих двига­телей производится посредством пара. В огромном боль­шинстве случаев— это водяной пар, но возможны ма­шины, работающие с парами других веществ(например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электриче­ских станциях ина больших кораблях. Поршневые дви­гатели в настоящее время находят применениетолько в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и паро­ходы).

Для работы парового двигателя необходим ряд вспо­могательных машини устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции.На паро­силовой станции все время циркулирует одна и та же вода.

/>

Схема оборудования паросиловой станции

Она превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине(или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемомпроточной водой (конден­сатор). Из конденсатора получившаяся вода посредствомнасоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. Итак,круговорот воды происходит по следующей схеме:

/>

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор —холодильником. Так как в установке цир­кулирует практически одна и та же вода(утечка пара не­велика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почтине получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, таккак накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действиякотла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. В следующихпараграфах мы рассмотрим части пароси­ловой станции по отдельности.

Паровой котел. Он состоит из топки и собственнокотла. Уголь или дрова сжигаются в топке на колоснико­вых решетках. Жидкоетопливо сжигается в распыленном состоянии; распыление обычно производится спомощью пара в форсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстияв трубке, засасывает жид­кое топливо и разбрызгивает его.

/>

Схема устройства форсунки

Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 —водотрубная часть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба дляподачи воды в котел, 6 — поддувало, 7 — предохрани­тельный клапан, 8 — заслонкав борове

На котле имеются манометр для наблюдения за дав­лением пара ипредохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превыситдопустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения зауровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опуститсянастолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не со­прикасаютсяс водой, то возможен взрыв котла.

Энергия горячих топочных газов передается воде в котле не целиком.Часть ее рассеивается в котельной, часть уносится с газами в дымовую трубу.Кроме того, значи­тельную потерю может дать неполное сгорание топлива.Признаком этого является черный дым из труб станции. Черный цвет придается дымукрупинками несгоревшего угля.

с)

Лопатки на рабо­чем колесе паровой турбины

б) Расположение на валу ее турбины лопаток: а —направляющих, b— рабочих

Весьма важной для элект­рических станций является возможность строитьтурби­ны на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительнопревышающие максимальные мощности дру­гих типов тепловых двигате­лей. Этообусловлено равно­мерностью вращения вала турбины. При работе турби­ныотсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршнявзад и вперед.

Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневойпаровой машины, изобретенной в конце XVIII века[2], в основном сохранились до нашихдней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знав­шеймашин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время она частичновытеснена другими ти­пами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, за­ставляющиеиногда предпочесть ее турбине. Это — про­стота обращения с ней, возможностьменять скорость и давать задний ход.

Устройство паровой машины показано на рисунке. Основная ее часть —чугунный цилиндр 1, в котором хо­дит поршень 2. Рядом с цилиндромрасположен парорас­пределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки,имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3сообщается с кон­денсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовуютрубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. Вкоробке находится золотник 6, движимый специальным механизмомпосредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), леваячасть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая —через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, аотработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когдапоршень дви­жется налево (рис. б), золотник передвигается так, чтосвежий пар входит в правую часть цилиндра, а отрабо­танный пар из левой частиуходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, атолько в начале его. После этого благодаря особой форме золотника паротсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимсяи охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. На паровозахобычно установлены два цилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в одинцилиндр, а затем во второй. Так как пар в первом цилиндре расширяется, тодиаметр второго цилиндра значительно больше первого. На паровозах, как правило,ставятся огнетрубные котлы; имеется пароперегреватель.

В конце IX и начале XX векастроили паровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозахставили конден­саторы, и пар в них циркулировал так же, как и в паро­силовойстанции[3].

/>Конденсатор. Как былоуказано ранее, после тур­бины или поршневой машины пар поступает в конденсатор,играющий роль холодильника. В конденсаторе пары долж­ны превратиться в воду. Нопар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся приконденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например,конденсатор может быть уст­роен в виде барабана, внутри которогорасположены трубы с проточной холодной водой.

Схема поверхностного конденсатора

Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холоднаявода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасыва­ется от конденсаторапо трубе, показанной снизу. В кон­денсаторах давление пара обычно значительнониже ат­мосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), ивоздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.

Коэффициент полезного действия теплового двига­теля.Назначение теплового двигателя — производить меха­ническую работу. Но толькочасть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы.Отношение механической работы, совер­шаемой двигателем, к израсходованнойэнергии называет­ся коэффициентом полезного действия двигателя (к. п.д.). Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно этоэнергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известныколичество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количествотеплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топ­лива. Удельную теплотусгорания различных сортов топ­лива определяют, сжигая небольшую порцию топливав закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная теплота сгорания некоторыхсортов топлива приведена в табл. 25 (цифры округлены).

Керосин

Бензин

Уголь каменный

-бурый

Дерево

44

46

30

20

10

Рассмотрим пример. Пусть в двигателе сожжено 3 кг бензина.Выделившаяся при этом энергия равна 46 МДж/кг х З кг=138 МДж. Если приизрасходовании 3 кг бензина двигатель произвел работу 29 МДж, то его к. п. д.=29: 138 = 0,21, т. е. равен 21 %.

/>Коэффициентполезного действия паросиловой станции. Энергетический баланс паросиловойстанции с турби­ной показан на рисунке. Он является примерным; к. п. д. паросиловойстанции может быть и больше (до 27 %). Потери энергии, которые имеют место приработе пароси­ловой станции, можно разделить на две части. Часть по­терьобусловлена несовершенством конструкции и может быть уменьшена без изменениятемпературы в котле и в конденсаторе. Например, устроив более совершенную теп­ловуюизоляцию котла, можно уменьшить потери теплоты в котельной. Вторая, значительнобольшая часть — по­теря теплоты, переданной воде, охлаждающей конден­сатор,оказывается при заданных температурах в котле и в конденсаторе совершеннонеизбежной. Как было отмечено ранее, условием работы теплового двигателяявляется не только получение некоторого количества теплоты от нагревателя, но ипередача части этой теплоты холодильнику.

Примерныйэнергетический баланс паросиловой станции с турбиной

Большой научный и технический опыт по устройству тепловыхдвигателей и глубокие теоретические исследо­вания, касающиеся условий работытепловых двигателей, установили, что к. п. д. теплового двигателя зависит от разноститемператур нагревателя и холодильника. Чем больше эта разность, тем большийк. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при условии устранениявсех технических несовершенств конструкции, о которых упоминалось выше). Ноесли разность эта невелика, то даже самая совершенная в техническом смыслемашина не может дать значительного к. п. д. Теоретический рас­чет показывает,что если термодинамическая температура нагревателя равна Т1,а холодильника Т2, то к. п. д. не может быть больше чем

/>

Так, например, у паровой машины, пар который имеет в котлетемпературу 100 °С (или 373 К), а в холо­дильнике 25 °С (или 298 К), к. п. д.не может быть больше (373—298)/373=0,2, т. е. 20 % (практически, вследствиенесовершенства устройства, к. п. д. такой установки бу­дет значительно ниже).Таким образом, для улучшения к. п. д. тепловых машин нужно перейти к болеевысоким температурам в котле, а следовательно, и к более высоким давлениямпара. В отличие от прежних станций, работав­ших при давлении 12—15 атм (чтосоответствует темпе­ратуре пара 200 °С), на современных паросиловых стан­цияхначали устанавливать котлы на 130 атм и более (тем­пература около 500°С).

Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижатьтемпературу в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым.При очень низ­ких давлениях плотность пара очень мала и при большом количествепара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины иконденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.

Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по путииспользования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающейконденсатор.

/>

Примерныйэнергетический баланс ТЭЦ

Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку илиозеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее дляпромышленных целей в химической или текстильной промышленности. Можно такжепроизводить расширение пара в турбинах только до давления 5—6 атм. Из турбиныпри этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промыш­ленныхцелей.

Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей нетолько электрической энергией, получен­ной за счет механической работы, но и теплотой.Она назы­вается теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энер­гетическийбаланс ТЭЦ представлен на рисунке.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Перей­демтеперь к другим типам тепловых двигателей. Самый распространенный типсовременного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигателивнутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках,тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могутработать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе,сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкойиз дерева (газогенераторные двигатели).

Рассмотрим устройство четырехтактного бензино­вого двигателяавтомобильного типа. Устройство двига­телей, устанавливаемых на тракторах,танках и самоле­тах, в общих чертах сходно с устройством автомобильногодвигателя.

Основной частью двигателя внутреннего сгорания яв­ляется один илинесколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива.Отсюда и на­звание двигателя.

Устройство поршня двигателя внутреннего сгорания. Справа показано присоединение шатуна к поршню

Устройство карбюратора

/> Четыретакта работы двигателя внутреннего сгорания

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан /, ипоршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень,двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт — сгорание. Когда поршень достигает верх­негоположения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигаетсяэлектрической искрой, дава­емой свечой. Сила давления газов — раскаленных про­дуктовсгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передаетсяколенчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и рас­ширяясь,продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего ходадавление в цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, иотработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота ко­ленчатоговала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровыйдвигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергиикоторого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигателиставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. сцелью получения более равномерной работы двига­теля ставятся четыре, шесть иболее цилиндров, установ­ленных на общем валу так, что при каждом такте по край­неймере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надопривести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощиособого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

/>

Схемаустройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля

Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособлениедля охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндровнаступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси идетонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имею­щего место при нормальнойработе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительнодей­ствует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой,отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует,омывая цилиндры 1. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизицилиндров и охлаждением в радиаторе 2. Это — система медных трубок, покоторым протекает вода. В ра­диаторе вода охлаждается потоком воздуха,засасываемого при движении вентилятором 3.

Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенныедвухтактные двигатели.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом пре­имуществ,являющихся причиной его широкого распро­странения (компактность, малая масса).С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требуетжидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощималую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работаеткарбюратор). Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям дляуменьшения частоты вращения (например, к зубчатой передаче).

Коэффициент полезного действия двигателя внутрен­него сгорания. Присматриваяськ условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания,мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровомдвигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны,источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакциягорения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны,имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмо­сфера;она играет роль холодильника.

Так как температура газов, получающихся при сго­рании смеси внутрицилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннегосгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практикек. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерныйэнергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.

Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателявнутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надоупотреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшимобъемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнеенагревается и получает­ся более высокая температура во время горения смеси.Однако в двигателях автомобильного ти­па нельзя употреблять сжатие более4—5-кратного. При боль­шей степени сжатия горючая смесь нагревается в течениевто­рого такта настолько, что вос­пламеняется раньше, чем нуж­но, и детонирует.

/>/>Этозатруднение обойдено в двигателе, сконструирован­ном в конце XIX века Р. Ди­зелем(двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически по­казанона рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не го­рючая смесь, а чистый воздух.Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500—600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр вбрызги­вается жидкое топливо.Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха,нагнетаемого компрессором[4].Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокойтемпературы, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никакихвспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегосязначительно дольше, чем горение смеси бензин — воздухв автомобиль­ном двигателе, поршень движется вниз и производит ра­боту. Затемпроизводится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к.п. д. около 38 %). Он может иметь зна­чительно большую мощность. Дизели ставятна судах (теп­лоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольшихэлектростанциях. Большим преимуществом ди­зеля является то, что он работает надешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Крометого, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях,когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизелиоказываются менее выгодными.

/> Схемадвигателя Дизеля

Схемаустройства реактивного двигателя

Передача теплоты от холодного тела к горячему. Мыубедились на ряде примеров, что работа производится тогда, когда теплотапереходит от горячего тела (нагре­вателя) к холодному (холодильнику), причемхолодильник получает меньше теплоты, чем отдает нагреватель. Внут­ренняяэнергия нагревателя убывает не только потому, что он передает теплотухолодильнику, но также и потому, что производится работа.

Выясним, при каких условиях имеет место обратный процесс —передача теплоты от холодного тела к горя­чему?

Примером такого рода могут служить холодильные машины, применяемыев пищевой промышленности (для изготовления мороженого, для хранения мяса и т.п.). Схема устройства компрессорной холодильной машины является обратнойустройству паросиловой установки.

Она показана на рисунке. Рабочим веществом в холодиль­ной машинеобычно служит аммиак (иногда углекислый газ, сернистый ангидрид или какой-либоиз галоидоводородов, получивших специальное название «фреоны»). Ком­прессор 1нагнетает пары аммиака под давлением 12 атм в змеевик 2 (он соответствуетконденсатору). При сжатии пары аммиака нагреваются, и их охлаждают в баке 3 про­точнойводой. Здесь пары аммиака обращаются в жидкость. Из змеевика 2 аммиакчерез вентиль 4 поступает в другой змеевик 5 (испаритель), гдедавление около 3 атм.

Схемаустройства компрессорной холодильной машины

Схемаустройства абсорбционной холодильной машины

Возникает вопрос, почему в конденсаторе газообразный аммиаксжижается, а в испарителе он испаряется, хотя температура испарителя ниже, чемтемпература конденсатора? Это достигается благодаря тому, что вся системазаполнена водородом при давлении около 20 атм. Когда нагревают генератор, то газообразныйаммиак выделяется из кипящего раствора, причем давление его доходит примерно до20 атм. Аммиак вы­тесняет водород из верхней части генератора и конденсатора виспари­тель и абсорбер. Таким образом, аммиак в конденсаторе находится подсобственным высоким давлением и поэтому сжижается при температу­ре, близкой ккомнатной, в испаритель же жидкий аммиак попадает под низким парциальнымдавлением, а находящийся в испарителе водо­род обеспечивает нужное суммарноедавление, равное давлению в кон­денсаторе и других частях системы.

Смесь водорода и газообразного аммиака из испарителя переходит вабсорбер, где аммиак растворяется в воде, что вызывает нагревание раствора, аводород проходит сквозь теплый раствор и, нагревшись там, переходит благодаряконвекции в холодный испаритель. На место же растворившегося аммиака виспарителе испаряются его новые порции, вызывая дальнейшее охлаждениеиспарителя. Преимущество этой кон­струкции состоит в отсутствии движущихсямеханических частей. Цир­куляция аммиачного раствора (между 1 и 4) и циркуляцииводорода (между 4 и 3) осуществляется за счет разности плотностей, обусловлен­нойразностью температур (раствор в 1 горячее, чем в 4, а водород в 4 теплее, чем в3).

Итак, чтобы осуществить передачу теплоты от холод­ноготела к горячему, нужно произвести работу внешней силой. При этом горячее телополучит не только то коли­чество теплоты, которое отдано холодным телом, нотакже и то, которое эквивалентно произведенной работе.

www.ronl.ru

Реферат - Тепловые двигатели - Физика

и их применение

Условия, необходимые для работы тепловых двига­телей. Простейшей машиной, при помощи которой люди давно использовали энергию излучения Солнца для полу­чения работы, являются ветряные мельницы (ветряные двигатели). Вращение крыльев двигателя, приводящее в движение вал, совершающий какую-либо работу, возни­кает под действием ветра. Для возникновения ветра не­обходима разность давлений, а эта последняя возникает вследствие различия в температуре различных частей ат­мосферы. Ветер есть не что иное, как конвекционное дви­жение атмосферы, обусловленное неравномерным нагрева­нием ее.

Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может быть использована для получения работы в ветряном дви­гателе только при условии, что имеется разность тем­ператур отдельных частей атмосферы, создаваемая погло­щением лучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство. Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающая работу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело называют нагрева­телем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику). Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.

Машины[1], производящие механическую работу в резуль­тате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую темпера­туру. В этих случаях работа совершается за счет использо­вания внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты ма­шин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного прак­тического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделя­ющуюся в реакторе, где происходит расщепление и пре­образование атомных ядер.

Паросиловая станция. Раньше всего (в конце XVIII века) были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустя примерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работа этих двига­телей производится посредством пара. В огромном боль­шинстве случаев — это водяной пар, но возможны ма­шины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электриче­ских станциях и на больших кораблях. Поршневые дви­гатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и паро­ходы).

Для работы парового двигателя необходим ряд вспо­могательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паро­силовой станции все время циркулирует одна и та же вода.

Схема оборудования паросиловой станции

Она превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конден­сатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. Итак, круговорот воды происходит по следующей схеме:

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке цир­кулирует практически одна и та же вода (утечка пара не­велика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. В следующих параграфах мы рассмотрим части пароси­ловой станции по отдельности.

Паровой котел. Он состоит из топки и собственно котла. Уголь или дрова сжигаются в топке на колоснико­вых решетках. Жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии; распыление обычно производится с помощью пара в форсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстия в трубке, засасывает жид­кое топливо и разбрызгивает его.

Схема устройства форсунки

Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 — водотрубная часть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба для подачи воды в котел, 6 — поддувало, 7 — предохрани­тельный клапан, 8 — заслонка в борове

На котле имеются манометр для наблюдения за дав­лением пара и предохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превысит допустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения за уровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опустится настолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не со­прикасаются с водой, то возможен взрыв котла.

Энергия горячих топочных газов передается воде в котле не целиком. Часть ее рассеивается в котельной, часть уносится с газами в дымовую трубу. Кроме того, значи­тельную потерю может дать неполное сгорание топлива. Признаком этого является черный дым из труб станции. Черный цвет придается дыму крупинками несгоревшего угля.

б) Расположение на валу ее турбины лопаток: а — направляющих, b — рабочих

Весьма важной для элект­рических станций является возможность строить турби­ны на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности дру­гих типов тепловых двигате­лей. Это обусловлено равно­мерностью вращения вала турбины. При работе турби­ны отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.

Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце XVIII века[2], в основном сохранились до наших дней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знав­шей машин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время она частично вытеснена другими ти­пами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, за­ставляющие иногда предпочесть ее турбине. Это — про­стота обращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.

Устройство паровой машины показано на рисунке. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, в котором хо­дит поршень 2. Рядом с цилиндром расположен парорас­пределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3 сообщается с кон­денсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая — через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, а отработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когда поршень дви­жется налево (рис. б), золотник передвигается так, что свежий пар входит в правую часть цилиндра, а отрабо­танный пар из левой части уходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, а только в начале его. После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. На паровозах обычно установлены два цилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в один цилиндр, а затем во второй. Так как пар в первом цилиндре расширяется, то диаметр второго цилиндра значительно больше первого. На паровозах, как правило, ставятся огнетрубные котлы; имеется пароперегреватель.

В конце IX и начале XX века строили паровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозах ставили конден­саторы, и пар в них циркулировал так же, как и в паро­силовой станции[3] .

Конденсатор. Как было указано ранее, после тур­бины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары долж­ны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть уст­роен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.

Схема поверхностного конденсатора

Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холодная вода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасыва­ется от конденсатора по трубе, показанной снизу. В кон­денсаторах давление пара обычно значительно ниже ат­мосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), и воздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.

Коэффициент полезного действия теплового двига­теля. Назначение теплового двигателя — производить меха­ническую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совер­шаемой двигателем, к израсходованной энергии называет­ся коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.). Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топ­лива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топ­лива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива приведена в табл. 25 (цифры округлены).

Рассмотрим пример. Пусть в двигателе сожжено 3 кг бензина. Выделившаяся при этом энергия равна 46 МДж/кг х З кг=138 МДж. Если при израсходовании 3 кг бензина двигатель произвел работу 29 МДж, то его к. п. д.= 29: 138 = 0,21, т. е. равен 21 %.

Коэффициент полезного действия паросиловой станции. Энергетический баланс паросиловой станции с турби­ной показан на рисунке. Он является примерным; к. п. д. паросиловой станции может быть и больше (до 27 %). Потери энергии, которые имеют место при работе пароси­ловой станции, можно разделить на две части. Часть по­терь обусловлена несовершенством конструкции и может быть уменьшена без изменения температуры в котле и в конденсаторе. Например, устроив более совершенную теп­ловую изоляцию котла, можно уменьшить потери теплоты в котельной. Вторая, значительно большая часть — по­теря теплоты, переданной воде, охлаждающей конден­сатор, оказывается при заданных температурах в котле и в конденсаторе совершенно неизбежной. Как было отмечено ранее, условием работы теплового двигателя является не только получение некоторого количества теплоты от нагревателя, но и передача части этой теплоты холодильнику.

Примерный энергетический баланс паросиловой станции с турбиной

Большой научный и технический опыт по устройству тепловых двигателей и глубокие теоретические исследо­вания, касающиеся условий работы тепловых двигателей, установили, что к. п. д. теплового двигателя зависит от разности температур нагревателя и холодильника. Чем больше эта разность, тем больший к. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при условии устранения всех технических несовершенств конструкции, о которых упоминалось выше). Но если разность эта невелика, то даже самая совершенная в техническом смысле машина не может дать значительного к. п. д. Теоретический рас­чет показывает, что если термодинамическая температура нагревателя равна Т1 , а холодильника Т2, то к. п. д. не может быть больше чем

Так, например, у паровой машины, пар который имеет в котле температуру 100 °С (или 373 К), а в холо­дильнике 25 °С (или 298 К), к. п. д. не может быть больше (373—298)/373=0,2, т. е. 20 % (практически, вследствие несовершенства устройства, к. п. д. такой установки бу­дет значительно ниже). Таким образом, для улучшения к. п. д. тепловых машин нужно перейти к более высоким температурам в котле, а следовательно, и к более высоким давлениям пара. В отличие от прежних станций, работав­ших при давлении 12—15 атм (что соответствует темпе­ратуре пара 200 °С), на современных паросиловых стан­циях начали устанавливать котлы на 130 атм и более (тем­пература около 500°С).

Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижать температуру в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым. При очень низ­ких давлениях плотность пара очень мала и при большом количестве пара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины и конденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.

Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по пути использования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающей конденсатор.

Примерный энергетический баланс ТЭЦ

Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей в химической или текстильной промышленности. Можно также производить расширение пара в турбинах только до давления 5—6 атм. Из турбины при этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промыш­ленных целей.

Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей не только электрической энергией, получен­ной за счет механической работы, но и теплотой. Она назы­вается теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энер­гетический баланс ТЭЦ представлен на рисунке.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Перей­дем теперь к другим типам тепловых двигателей. Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

Рассмотрим устройство четырехтактного бензино­вого двигателя автомобильного типа. Устройство двига­телей, устанавливаемых на тракторах, танках и самоле­тах, в общих чертах сходно с устройством автомобильного двигателя.

Основной частью двигателя внутреннего сгорания яв­ляется один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и на­звание двигателя.

Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан /, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт — сгорание. Когда поршень достигает верх­него положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, дава­емой свечой. Сила давления газов — раскаленных про­дуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и рас­ширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота ко­ленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двига­теля ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установ­ленных на общем валу так, что при каждом такте по край­ней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Схема устройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля

Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имею­щего место при нормальной работе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно дей­ствует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры 1. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе 2. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В ра­диаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором 3.

Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенные двухтактные двигатели.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом пре­имуществ, являющихся причиной его широкого распро­странения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор). Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям для уменьшения частоты вращения (например, к зубчатой передаче).

Коэффициент полезного действия двигателя внутрен­него сгорания. Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмо­сфера; она играет роль холодильника.

Так как температура газов, получающихся при сго­рании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.

Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получает­ся более высокая температура во время горения смеси. Однако в двигателях автомобильного ти­па нельзя употреблять сжатие более 4—5-кратного. При боль­шей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение вто­рого такта настолько, что вос­пламеняется раньше, чем нуж­но, и детонирует.

Это затруднение обойдено в двигателе, сконструирован­ном в конце XIX века Р. Ди­зелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически по­казано на рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не го­рючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500— 600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр вбрызги­вается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором[4]. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобиль­ном двигателе, поршень движется вниз и производит ра­боту. Затем производится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь зна­чительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теп­лоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом ди­зеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.

Схема двигателя Дизеля

Схема устройства реактивного двигателя

Передача теплоты от холодного тела к горячему. Мы убедились на ряде примеров, что работа производится тогда, когда теплота переходит от горячего тела (нагре­вателя) к холодному (холодильнику), причем холодильник получает меньше теплоты, чем отдает нагреватель. Внут­ренняя энергия нагревателя убывает не только потому, что он передает теплоту холодильнику, но также и потому, что производится работа.

Выясним, при каких условиях имеет место обратный процесс — передача теплоты от холодного тела к горя­чему?

Примером такого рода могут служить холодильные машины, применяемые в пищевой промышленности (для изготовления мороженого, для хранения мяса и т. п.). Схема устройства компрессорной холодильной машины является обратной устройству паросиловой установки.

Она показана на рисунке. Рабочим веществом в холодиль­ной машине обычно служит аммиак (иногда углекислый газ, сернистый ангидрид или какой-либо из галоидоводородов, получивших специальное название «фреоны»). Ком­прессор 1 нагнетает пары аммиака под давлением 12 атм в змеевик 2 (он соответствует конденсатору). При сжатии пары аммиака нагреваются, и их охлаждают в баке 3 про­точной водой. Здесь пары аммиака обращаются в жидкость. Из змеевика 2 аммиак через вентиль 4 поступает в другой змеевик 5 (испаритель), где давление около 3 атм.

Схема устройства компрессорной холодильной машины

Схема устройства абсорбционной холодильной машины

Возникает вопрос, почему в конденсаторе газообразный аммиак сжижается, а в испарителе он испаряется, хотя температура испарителя ниже, чем температура конденсатора? Это достигается благодаря тому, что вся система заполнена водородом при давлении около 20 атм. Когда нагревают генератор, то газообразный аммиак выделяется из кипящего раствора, причем давление его доходит примерно до 20 атм. Аммиак вы­тесняет водород из верхней части генератора и конденсатора в испари­тель и абсорбер. Таким образом, аммиак в конденсаторе находится под собственным высоким давлением и поэтому сжижается при температу­ре, близкой к комнатной, в испаритель же жидкий аммиак попадает под низким парциальным давлением, а находящийся в испарителе водо­род обеспечивает нужное суммарное давление, равное давлению в кон­денсаторе и других частях системы.

Смесь водорода и газообразного аммиака из испарителя переходит в абсорбер, где аммиак растворяется в воде, что вызывает нагревание раствора, а водород проходит сквозь теплый раствор и, нагревшись там, переходит благодаря конвекции в холодный испаритель. На место же растворившегося аммиака в испарителе испаряются его новые порции, вызывая дальнейшее охлаждение испарителя. Преимущество этой кон­струкции состоит в отсутствии движущихся механических частей. Цир­куляция аммиачного раствора (между 1 и 4) и циркуляции водорода (между 4 и 3) осуществляется за счет разности плотностей, обусловлен­ной разностью температур (раствор в 1 горячее, чем в 4, а водород в 4 теплее, чем в 3).

Итак, чтобы осуществить передачу теплоты от холод­ного тела к горячему, нужно произвести работу внешней силой. При этом горячее тело получит не только то коли­чество теплоты, которое отдано холодным телом, но также и то, которое эквивалентно произведенной работе.

[1] Слово «машина» употребляется в смысле «дви­гатель» — устройство, совершающее работу за счет получаемой теплоты, тогда как раньше мы говорили о простых машинах, понимая под ними ме­ханизмы, передающие работу,

[2] Ф. Энгельс говорит, что «паровая машина была первым действи­тельно интернациональным открытием» (К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч.— 2-е изд., т. 14, с. 570). Энгельс упоминает Папина (француз), Лейбница (немец), Сэвери и Ньюкомена (англичане), а также Уатта (англичанин), придавшего «паровой машине в принципе ее современный вид». Энгель­су в то время не были известны материалы о русском горном инженере, работавшем на Урале и в Сибири, И. И. Ползунове (1728—1766), на 21 год раньше Уатта разработавшем проект паровой машины.

[3] В наше время паровозы почти вытеснены тепловозами и электро­возами

[4] В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и вбрызгивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление.

www.ronl.ru

Реферат - Тепловой двигатель. - Термодинамика

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В 17в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии. Двигатель внутреннего сгорания. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. (схема №1) Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах и др. Паровая турбина. В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами. В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а несколько дисков, насажанных на общий вал. Турбины применяют на тепловых электростанциях и на кораблях.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца. Один из путей уменьшения путей загрязнения окружающей среды- использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород. Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.

www.ronl.ru

Реферат - Тепловые двигатели 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСТАНСКО-АМЕРИКАНСКИЙ СВОБОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КОЛЛЕДЖ

на тему: Тепловые двигатели

Проверила:

Максименко Т. П.

Выполнила:

учащаяся группы 09 ОГХ — 1

Шушаникова Ю. Ю.

г. Усть-Каменогорск

2009 г.

План

1. История тепловых двигателей

2. Виды тепловых двигателей

а) паровая машина

б) двигатель внутреннего сгорания

в) паровая и газовая турбины

г) реактивный двигатель

3. Экологические проблемы, связанные с тепловыми двигателями

4. Пути решения экологических проблем

История тепловых двигателей

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена.

В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.

В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход, и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.

Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век раньше великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и другие.

Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После того цилиндр и поршень с наружной стороны обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он ни годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы. Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным.

Однако нельзя не усмотреть в первой машине Палена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден.

Недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.

Об этом догадался современник Дени Палена англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.

Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех- пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин — Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.

Ползунов построил его на одном из Барнаульских заводов. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного Цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

Весной 1766-года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти, испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.

Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819). Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан. В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса.

Уже потом было придумано машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван .

Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.

Виды тепловых двигателей

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана. Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах. Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.

Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение ) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из компрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними. (Термин Газовая турбина может также относится к самому элементу турбина.)Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и происходит возгорание смеси. В результате сгорания возрастает температура, скорость и объём потока газа. Далее энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов заставляет вращаться ротор турбины. Часть мощности турбины расходуется на работу компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолётах, поездах, кораблях и танках.

Преимущества газотурбинных двигателей

· Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;

· Высокий КПД на максимальных оборотах, чем у поршневых двигателей.

· Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, чем у поршневого двигателя.

· Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.

· Низкие эксплуатационные нагрузки.

· Высокая скорость вращения.

· Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

Недостатки газотурбинных двигателей

· Стоимость намного больше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы должны быть более крепкие и жаропрочные.

· Машинные операции также более сложные;

· Как правило, имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели, на холостом ходу.

· Задержка отклика на изменения настроек мощности.

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты, крупные катера и так далее, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения). Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания. Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т.н. тепловые реактивные двигатели ), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (См. ионный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть, он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Существует два основных класса реактивных двигателей:

· Воздушно-реактивные двигатели — тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.

· Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга (иначе — сила тяги) — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата. Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом, являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме числа Маха, что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей.

Экологические проблемы тепловых двигателей

Экологический кризис, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическое бедствие и экологическая катастрофа

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

КПД тепловых двигателей < 40%, в следствии чего больше 60% теплоты двигатель отдаёт холодильнику

При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, азотных, серных и других соединений

Меры предотвращения загрязнений:

1. Снижение вредных выбросов.

2. Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

3. Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.

Перспективы использования электрических двигателей, пневмокаров, транспорта на солнечных батареях

www.ronl.ru

Реферат Физика Тепловые двигатели

Тепловые двигатели и их применение

Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива

Топливо

Удельная теплота сгора­ния, МДж/кг

Керосин

Бензин

Уголь каменный

-бурый

Дерево

44

46

30

20

10