История создания тепловых двигателей.



Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В первом веке до нашей эры древнегреческим ученым Героном Александрийским была описана примитивная паровая турбина, которую сам Герон назвал в своем трактате «Пневматика» шаром «Эола» или эолипилом (Эол — древнегреческий полубог, властелин ветров и ураганов).


Конструкция эолипила представляла собой бронзовый котел с водой, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, к которым крепилась сфера, при этом соединение трубок со сферой позволяло последней вращаться. При нагревании воды в котле по трубкам в сферу поступал пар под давлением. Из сферы выходили две трубки, изогнутые таким образом, что вырывающийся из них пар заставлял сферу вращаться. О практическом применении этой примитивной паровой турбины не известно ничего, вероятнее всего, она использовалась для развлечения.

Любопытно, что изготовленный спустя века по описанию Герона эолопил во время испытаний показал великолепные скоростные и тяговые характеристики.

Еще одним типом тепловых двигателей, известным человеку с давних времен, является реактивный двигатель. Энергия сгорания топлива в этом двигателе сопровождается повышением давления в камере сгорания и направленным истечением быстродвижущихся газов из сопла, вызывающих направленную противоположно потоку газов движущую силу, действующую на сам двигатель и машину, в которой он размещен (ракету). Известно о применении реактивных двигателей для создания небольших реактивных снарядов и фейерверков в военных и декоративно-зрелищных целях в Китае и некоторых других азиатских странах еще в XIII веке.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.

Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых «игрушек», а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать «огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».


Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.

В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.

Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.

Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.

Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г. г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.), но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.

Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.

Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

***

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.

Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.

Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

***

Двигатель Папена

Первое упоминание о создании примитивной конструкции своеобразного двигателя внутреннего сгорания относится к XVII веку.


Французского изобретателя Д. Папена осенила идея использовать энергию пороховых газов в стволе пушки для выполнения какой-либо полезной механической работы. Папен использовал ствол пушки в качестве цилиндра, расположив его вертикально, и поместив в него подвижный поршень, соединенный системой блоков и рычагов с грузом. По замыслу изобретателя после сгорания пороха в стволе поршень должен был подняться вверх; затем его следовало охладить водой, и он, опускаясь вниз, должен поднять собственным весом гирю, т. е. выполнить полезную работу.

Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

К сожалению, первое же испытание «двигателя» Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее «вспыльчивое» топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

***

Двигатель Ленуара

Спустя более полвека, в 1859 году французский изобретатель Э. Ленуар построил и запатентовал поршневой двигатель, который являлся усовершенствованной конструкцией двигателя Лебона, и тоже использовал в качестве рабочего тела светильный газ, воспламеняемый от внешнего источника (электрической свечи) прямо в цилиндре.

При явном новаторстве конструкции, двигатель Ленуара многое заимствовал у парового двигателя. Он состоял из цилиндра с двухходовым поршнем и кривошипно-шатунным приводом на вал. Светильный газ (от газогенератора) и воздух в цилиндр подавались через специальные золотники, весь цикл состоял из двух тактов.

Предварительного сжатия горючей смеси не предусматривалось. И это вполне понятно — двухходовой цикл (рабочий ход поршня осуществлялся по принципу — туда-сюда) не позволял осуществлять сжатие. Впрочем, о сжатии рабочей смеси для увеличения эффективности работы двигателя в те времена не догадывались.

Запуск двигателя осуществлялся длительным ручным раскручиванием колеса-маховика, после чего машина начинала относительно устойчиво работать.

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.


Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями), поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

***



Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто (нем. Andreas Otto) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.

Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя — специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.

КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз), поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.

Триумф немецкого изобретателя был омрачен французскими конкурентами — выяснилось, что за несколько лет до изобретения Отто, принцип работы двигателя по четырехтактному циклу был описан французским инженером Альфонсом Эженом Бо де Роша (фр. Alphonse Eugène Beau de Rochas).

Бо де Роша, как и Отто, пришел к выводу, что газовую смесь перед воспламенением необходимо сжать, а затем предложил и схему четырехтактного рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания. Он изложил свои идеи в книге, опубликованной несколько раньше, чем защитил свой патент Отто — еще в 1862 году, но сам двигатель изготавливать не стал.

Группе французских промышленников удалось оспорить в суде авторские права Отто на изобретение, в результате чего его патентные привилегии были значительно сокращены, в том числе аннулировано монопольное право на четырехтактный цикл теплового двигателя.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой «Отто и Компания». Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.

Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта — заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.

Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.

Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.

Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.

Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.

Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

***

Двигатель Дизеля

Очередной революционный прорыв в области двигателестроения состоялся благодаря немецкому изобретателю, инженеру Рудольфу Дизелю.

Некоторое время Дизель пытался изобрести двигатель, способный работать на угольной пыли, но его работы в этом направлении оказались неудачными. Тогда он направил творческую энергию в совершенно другое русло.

Слабым местом газовых и карбюраторных двигателей считался процесс воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя — применявшиеся для этих целей зажигательные, калильные и электрические устройства не отличались высокой надежностью.

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда — Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.

Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.

Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.

Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.

В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии), и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.

В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.

***

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) — советский учёный и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя.

Идея создания теплового двигателя нового типа посетила Г. Тринклера еще в студенческие годы, но лишь спустя десятилетие ему удалось воплотить замысел в жизнь. Причем для этого ему даже пришлось уехать в Германию, поскольку из-за патентных противостояний с владельцем патента на дизель Э. Нобеля в России ему запретили заниматься работами в этом направлении.

По возвращению в Россию он длительное время руководил отделом тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе.

Тринклер является автором более полусотни научных работ. В 1930 году за заслуги перед наукой ему была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.

В 1934 году Тринклер перешёл на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом Красное Сормово.

Основное отличие конструкции «Тринклер-мотора» состояло в том, что топливо в цилиндр подавалось с помощью специального устройства — прообраза современного ТНВД и форсунки, конструкция которого была несколько ранее предложена французским изобретателем Сабатэ (Сабатье). В классическом («чистом») дизельном двигателе топливо подавалось в камеру сгорания при помощи специального компрессора, поэтому такие двигатели иногда называют компрессорными дизелями, а двигатели Сабатэ-Тринклера — бескомпрессорными.

Кроме того, Тринклер внес еще одно усовершенствование, позволяющее эффективнее сжигать топливо: сжатый воздух поступал из цилиндра в небольшую отдельную камеру, куда и впрыскивалось топливо, а затем уже из камеры процесс горения распространялся в цилиндр.

Эта конструкция впоследствии получит название двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера), иногда его называют бескомпрессорный или форкамерный дизель.

Спустя некоторое время изобретателю удалось доказать явное отличие рабочего цикла, осуществляемого новым двигателем, от рабочего цикла двигателя Дизеля, что позволило заявить о существенной новизне конструкции, и рождение двигателя Тринклера состоялось, хоть и с некоторым запозданием.

Цикл двигателя Тринклера напоминает гибрид рабочих циклов двигателей Отто и Дизеля – воспламенение рабочей смеси на первой стадии осуществляется почти по изохорному процессу (как у двигателя Отто), а затем – по изобарному (как у дизельного двигателя). Использование изобретения Тринклера позволяло достичь более полного и равномерного сжигания топлива во время рабочего хода поршня.

Если сравнивать тепловой КПД поршневых двигателей, получивших наиболее широкое распространение в промышленности и транспорте, то безусловное первенство принадлежит двигателю Дизеля, имеющему самый высокий коэффициент полезного действия. Однако, двигатель Дизеля в «чистом» виде почти не применяется в практических целях из-за несовершенства системы подачи топлива. В настоящее время название дизельный двигатель закрепилось за двигателями, которые справедливее было бы называть двигателями Тринклера. Тем не менее, двигатель, работающий по циклу Дизеля имеет самый высокий температурный КПД среди известных типов ДВС.

У двигателя Отто самый низкий температурный КПД при равных условиях работы.

Двигатель, работающий по циклу Сабатэ — Тринклера занимает промежуточное место на этом «пьедестале почета» между дизельным двигателем и двигателем Отто.

***

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам

по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»

(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу

по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Скачать календарно-тематический план

по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»



Главная страница

• Страничка абитуриента

Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71

Специальности

• Ветеринария
• Механизация сельского хозяйства
• Коммерция
• Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
•    Карта раздела
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики




• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

История создания и развитие тепловых двигателей

Содержание

1. Основы теплотехники
2. История создания тепловых двигателей
3. Первые тепловые двигатели
4. Изобретение двигателей внутреннего сгорания
5. Двигатель Папена
6. Двигатель Ленуара
7. Двигатель Отто
8. Двигатель Дизеля
9. Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)
10. История создания и развитие тепловых двигателей
11. Презентация по физике «История тепловых двигателей»
12. История создания тепловых двигателей
13. История создания тепловых двигателей. doc
14. Видео

Основы теплотехники

История создания тепловых двигателей

Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.
Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых «игрушек», а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать «огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».
Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.
В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.
Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.
Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.
Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г.г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.
Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.
Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.
Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.
Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

Двигатель Папена

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее «вспыльчивое» топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

Двигатель Ленуара

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто ( нем. Andreas Otto ) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.
Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой «Отто и Компания». Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.
Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.
Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.
Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.
Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.
Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.
Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

Двигатель Дизеля

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.
Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.
Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.
Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.
В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Источник

История создания и развитие тепловых двигателей

В качестве энергетических установок для транспорта наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннегосгорания.

Особенностью тепловых двигателей этого типа является то, что процесс сгорания топливо-воздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую происходят непосредственно вцилиндредвигателя.

Положительные свойства двигателей внутреннего сгорания: компактность, высокая экономичность и долговечность, а также возможность использования в них жидкого и газообразного топлива привели к тому, что после появления этих двигателей в начале второй половины XIXв. они вскоре заменили паровую машину.

Первыми двигателями внутреннего сгорания, работавшими на газовом топливе, были двухтактные двигатели Ленуара (1860 г., Франция), Н. Отто и Э. Лангена (1867 г., Германия) и четырехтактный двигатель с предварительным сжатием смеси Н. Отто (1876 г.).

Организация в конце XIXв. промышленной переработки нефти способствовала созданию, а затем и производству двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе: карбюраторные двигатели с искровым зажиганием, калоризаторные двигателии двигателисвоспламенениемотсжатия — дизели.

В России первый двигатель с искровым зажиганием был построен в 1889 г. по проекту инженера И. С. Костовича. В 1899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге (ныне завод «Русский дизель») был построен промышленный образец высокоэкономичного двигателя с воспламенением от сжатия. Этот двигатель в отличие от двигателя, построенного немецким инженером Р. Дизелем (1897 г.) и работавшего на керосине, мог работать на природной (сырой) нефти и ее погонах. В течение короткого времени конструкция этого двигателя, названного дизелем, была значительно усовершенствована ион сталширокоприменятьсявэнергетических стационарных установках, на судах и т. п. В настоящее время дизели применяются на тепловозах, тракторах, автомобилях средней и большой грузоподъемности и на других транспортных машинах.

На автомобильном транспорте широкое применение получили карбюраторные двигатели. Они устанавливаются на всех легковых автомобилях и на грузовых автомобилях малой и средней груз опо дъемности.

В нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции, особенно в период первых пятилеток, стало быстро развиваться производство двигателей внутреннего сгорания различного назначения, в том числе и автомобильных. Автомобильные карбюраторные двигатели и дизели непрерывно совершенствуются. Модернизируются старые конструкции двигателей и ставятся на производство новые, имеющие большую экономичность и надежность при меньшей массе, приходящейся на единицу мощности.

Успешное развитие двигателей внутреннего сгорания, создание опытных конструкций и промышленных образцов в значительной мере связаны с исследованиями и разработкой теории рабочих процессов. В 1906 г. профессор Московского высшего технического училища В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя. Этот метод в дальнейшем был развит и дополнен чл.-корр. АН СССР Н. Р. Брилингом, проф. Е. К. Мазингом, акад. Б. С. Стечкиным и др.

Анализ развития энергетических установок для автомобильного транспорта показывает, что в настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным силовым агрегатом и еще возможно его дальнейшее совершенствование.

Источник

Презентация по физике «История тепловых двигателей»

Описание презентации по отдельным слайдам:

ИСТОРИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Учитель физики КОГОКУ «ВСШ пгт. Лесной Верхнекамского района» Варина Полина Ивановна

ГЕРОНОВ ШАР сосуд с водой, из которого вода выгоняется избыточным давлением воздуха.

h3 O ЭОЛИПИЛ – первая паровая машина I – II вв. н.э Создатель – Герон Александрийский Q

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Эту работу выполняли животные на ступальных колесах. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике. Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

«ОГНЕННАЯ» МАШИНА ТОМАСА СЕВЕРИ В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня. »

… Впоследствии машина Севери была усовершенствована Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду.

«ОГНЕДЕЙСТВУЮЩАЯ» МАШИНА ИВАНА ПОЛЗУНОВА 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.

… Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. Машина была изготовлена в декабре 1765 г., а в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно. Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

ПАРОВАЯ МАШИНА УАТТА В 1782 г. английский изобретатель Джемс Уатт (1736—1819) построил паровую машину. В ней имелся один цилиндр с поршнем (См.рис.). Пар впускался попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Это достигалось к результате применения специального механизма, который затем был заменен золотником.

… Уатт продолжал совершенствовать паровые двигатели. Задумывался он и о паромобилях. Но Уатт рассчитал, что сделать компактный пригодный для самоходного экипажа паровой двигатель можно только при высоком давлении в котле – до 8,3 атм. при толщине медных стенок в 6,35 мм. И, решив, что это крайне небезопасно (котел может попросту взорваться!), Уатт, по сути остановил развитие паромобилей в Великобритании на целых 32 года – на срок действия своего патента!

КОНЬО НИКОЛА ЖОЗЕФ Коньо начал постройку собственной паровой машины. Но так как получавшиеся конструкции были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.

Источник

История создания тепловых двигателей

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Марта 2012 в 20:50, доклад

Описание

Работа состоит из 1 файл

История создания тепловых двигателей.doc

История создания тепловых двигателей

Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение в жизни человеческого общества, развитии техники, энергетики и транспорта. Изобретение паровой машины имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, сделало возможным изобретение парохода(1807), и паровоза (1814).Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. В настоящее время паровая турбина—основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания вызвало к жизни автомобилестроение и авиацию.

Тепловой двигатель — тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию.

Первым устройством для превращения теплоты в работу могла быть паровая пушка «Архитронито». Ее название можно перевести как сильный гром. Описание этого прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего его Архимеду.

Прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил.
Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненной водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара.

Он поставил перед собой задачу создать

«огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».

22 января 1765 г. колывано-воскресенское горное начальство приняло решение о машине Ползунова, подтверждавшее решение, принятое еще в прошлом году, но все еще не осуществленное. Началось строительство, но вести его пришлось в полном несоответствии с тем, как хотел изобретатель. Вместо небольшой опытной установки пришлось сразу приступить к сооружению огромной производственной «машины большого корпуса». Вопреки необходимости предварительно освоить новую технику и подготовить людей пришлось немедленно заняться грандиозным по тому времени строительством, сооружая машину, достигавшую высоты 11 метров. Основными помощниками Ползунова считались юные ученики, особенно Дмитрий Лезвин и Иван Черницын.20 мая 1765 г. было уже готово сто десять частей установки, не считая котла с его арматурой и гарнитурой. Отдельные части весили более ста семидесяти пудов. Наибольший диаметр котла составлял 3,5 метра. Паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра. На исходе 1765 г. теплосиловая установка Ползунова была закончена. На берегу заводского пруда возвышалось машинное здание высотой более 18 метров.

В условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно, получить всеобщего распространения. Однако использование отдельных машин и, во всяком случае, использование уже построенной машины было и возможным, и целесообразным. Это понимали передовые русские деятели. А. И. Порошин, уже престарелый и отходивший от дел, еще в 1767 г. настаивал на продолжении дела Ползунова. Однако его не поддержали ни Кабинет, в ведении которого находился Алтай, ни Академия наук. Определенную роль сыграло то, что видевшие в натуре эту машину и впервые описавшие ее в печати Паллас и Фальк все извратили, вплоть до самого имени творца новой машины. Начатое Палласом и Фальком завершили Ирман и Меллер, физически уничтожившие машину Ползунова.

В 1774 постройка парового двигателя была завершена; дальнейшие испытания показали, что этот двигатель оказался более чем в 2 раза эффективнее лучших машин Ньюкомена. В 1782 получил английский патент на паровой двигатель с расширением. У. ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт). Паровая машина У. благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.

КАРНО (Carnot) (Никола Леонар) Сади (1796-1832), французский физик и инженер, один из основателей термодинамики. Труд Карно был, по существу, первым серьезным теоретическим исследованием принципов работы тепловых машин. Хотя он пользовался уже в его время отвергавшимся многими физиками представлением о теплороде, приток которого вызывает нагревание, а отток — охлаждение вещества, ему удалось открыть целый ряд положений, играющих определяющую роль в работе этих машин.Попытки Карно напрямую связать коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины (это — тоже его термин) с температурой нагревателя и холодильника не увенчалась успехом только потому, что в то время еще не была известна абсолютная шкала температур. Но он понял очень многое. Так, он дал глубокий анализ того, водяной пар или воздух выгоднее использовать в качестве рабочего вещества в тепловой машине, доказал, что максимальный теоретически возможный КПД не зависит от конструкции тепловой машины, а определяется только температурой нагревателя и холодильника, и установил много других важнейших положений.

Источник

Видео

История двигателей внутреннего сгорания

Тепловой двигатель ● 1

История развития паровозостроения

Принципы действия тепловых двигателей. КПД. КПД тепловых двигателей | Физика 10 класс #43 | Инфоурок

Четырехтактный двигатель и его история создания

Лекция 6 История развития авиационных двигателей. Часть 2 Начальный период двигателестроения

Джеймс Уатт и паровая машина.

Краткая история АВТОМОБИЛЯ

🔴 ЕГЭ-2022 по физике. КПД тепловых двигателей

Лекция 6 История развития авиационных двигателей. Часть 1 Период поршневых авиационных двигателей

История тепловых двигателей — www.

GBogatih.narod.ru

История тепловых двигателей
ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — двигатель, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу.
	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.      Как же стреляла эта пушка?
	Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.     Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.
	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.
	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.
ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ
	Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике.   Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.     В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…».
	Севери первым отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который поломали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную (верхнюю) трубу. Впоследствии машина Севери была усовершенствована Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду. Машины Севери оказались очень надежными и долговечными.
	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 порох, который затем поджигали.Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.
ДЕНИ ПАПЕН
	Папен человек очень интересной судьбы, член многих академий, работал вначале в Париже с известным голландским физиком Христианом Гюйгенсом, а в 1675 г. переселился в Лондон, где долгое время работал с другим известным физиком Робертом Бойлем. Предложения Гюйгенса и Готфейля были очень похожи. В цилиндр помещали поршень и под ним поджигали порох. Под действием продуктов сгорания поршень поднимался, его фиксировали в этом положении, продукты сгорания охлаждали. В результате их объем уменьшался, под поршнем возникало разрежение. Под действием атмосферного давления поршень опускался и мог совершать полезную работу.      Вклад Папена в науку и технику не ограничивается работами над созданием паровой машины. До сих пор успешно применяется его изобретение — автоклав. Ему же принадлежит изобретение предохранительного клапана. Известны его работы по изучению свойств водяного пара. На родине Папена, в маленьком французском городке Блуа, ему установлен красивый памятник. На вершине лестницы мраморный пьедестал, на котором стоит бронзовая фигура, прижимающая к боку цилиндр паровой машины.
ТОМАС НЬЮКОМЕН
	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 «прожорлива»: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» 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 свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни, 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.
ПАРОВАЯ МАШИНА ПОЛЗУНКОВА
	Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым.     Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро- и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину.     Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. К нему прикомандировали четырех учеников, которых он должен был обучить не только теории, но и ремеслам. Машина была изготовлена в декабре 1765 г. А в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно.   Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.
И. И. ПОЛЗУНКОВ
Ползунов родился в 1728 г. на Урале в семье солдата. В 1742 г. окончил арифметическую школу и начал служить на Екатеринбургском заводе. Когда ему исполнилось 19 лет, был переведен на Алтай на Колывано-Воскресенские заводы, принадлежавшие царской семье, где занимал низшие технические должности. Но затем его назначили в Барнаульское комиссарское управление, где в 1754 г. он получил чин шихтмейстера, уравнивавший его в правах с первым обер-офицерским чином. Ни в Екатеринбурге, ни на Алтае машин, действующих «при помощи движущей силы огня», не было. Но известно, что в 1762 г. Ползунов и другие специалисты обязаны были изучить «Наставление рудному делу», написанное президентом берг-коллегии и главным судьей монетной канцелярии И. А. Шлаттером, в котором описывались паровые водооткачивающие машины. Есть основания считать, что Ползунов изучил также книги Леупольда и Белидора, в которых также содержалось описание паровых водооткачивающих машин. Обе эти книги перевел на русский язык тот же Шлаттер. Но описанные в них установки не годились ни для чего, кроме откачки воды. Изобретательность Ползунова не может не вызвать восхищения. Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности. Машина была изготовлена в декабре 1765 г. А в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки
УСОВЕРШЕРНСТВОВАНИЯ ДЖЕЙМСА УАТТА
	Вклад Уатта в создание паровых машин очень велик. В 1765 г. Уатт, изготовив макет машины Ньюкомена в Глазго по заказу местного университета и проводя на нем опыты, понял, что основной причиной ее низкой экономичности является охлаждение расширяющегося пара стенками цилиндра. Уатт пришел к выводу, что нужно использовать давление пара и не связывать машину  воедино ни с каким потребителем мощности. Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства, Уатт смог уже в конце 1765 г. продемонстрировать ее работу. Второй образец он назвал «Вельзевул».
	Все  это время Уатт продолжал совершенствовать паровые двигатели. Задумывался он и о паромобилях. Но Уатт рассчитал, что сделать компактный пригодный для самоходного экипажа паровой двигатель можно только при высоком давлении в котле – до 8,3 атм. при толщине  медных стенок в 6,35 мм. И, решив, что это крайне небезопасно (котел может попросту взорваться!), Уатт, по сути остановил развитие паромобилей в Великобритании на целых 32 года – на срок действия своего патента!
КОНЬО НИКОЛА ЖОЗЕФ
	Кюньо родился в 1725 г. в Лотарингии. Он был хорошо образован и с детства проявил исключительный интерес к технике. К несчастью, он не имел капитала, который позволил бы юноше посвятить себя изобретательству. Чтобы стать материально независимым, Кюньо поступает на службу в армию и вскоре получает звание капитана инженерных войск. Уже тогда он проявил глубокие знания в строительстве современных укреплений, причем попутно осуществил ряд ценных изобретений. Некоторые из его проектов дожили до наших дней.      Инженер детально интересовался приспособлением паровой машины для привода «безлошадного экипажа», досконально знал конструкцию машины Папена и ряда паровых машин Уатта. К сожалению, слишком большие размеры этих конструкций не позволяли разместить их на повозке. Кюньо начал постройку собственной паровой машины небольших размеров. Но так как получавшиеся конструкции все равно были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.
ДЖЕЙМС УАТТ
Уатт родился в 1736 г. в Шотландии. В 1754 г. он был отправлен в Глазго для обучения профессии механика, но перебрался в Лондон, а затем вновь вернулся в Глазго и работал там в качестве университетского механика. Там он поддерживал отношения со многими учеными и основательно изучал литературу по паротехнике.     Уже около 1760 г. Уатт начинает заниматься самостоятельными разработками в области паротехники. Известно, что он прочел книги Дезагюлье и Белидора о паровых машинах, принимал участие в опытах Кевендиша и Пристли по анализу воды, измерял теплоту испарения воды и составил таблицу упругости водяного пара. В 1765 году он заинтересовался моделью паровой машины Ньюкомена.     Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства, Уатт смог уже в конце этого года продемонстрировать  работу своей паровой машины. Вскоре Уатт познакомился с Мэтью Болтоном.  В 1775 году вторую машину. Можно было заняться ее производством и начать получать прибыль. Но нужно было заинтересовать потребителей, привыкших к хорошо зарекомендовавшим себя машинам Ньюкомена. И Уатт с Болтоном предлагают приобретать у них машины на очень заманчивых условиях. Они дают свои машины бесплатно. Но, для того чтобы не потерять прибыль, Уатту и Болтону приходилось содержать штат высококвалифицированных инженеров, следивших за исправностью и правильной эксплуатацией. Кроме того, нужно было позаботиться о сроке действия патента, так как он был выдан на 14 лет, из которых уже прошло 6, и Уатт занялся хлопотами о его продлении. После долгих хлопот 22 мая 1775 г. его патент был продлен еще на 25 лет.
МОТОЦИКЛ ПЕРРО
	Параллельно с развитием первых автомобилей изобретатели продолжали совершенствовать конструкции мотоциклов и установленных на них моторов. Наиболее интересными работами в этой области были аппараты французского инженера Луи Гийома Перро, который создал собственный паровой мотоцикл. Начал он с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Но, к сожалению, накануне франко-прусской войны его изобретение не смогло завоевать поклонников и принести прибыль.
СТРОИТЕЛЬСТВО ПАРОВОЗОВ
	Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам.     Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми.     Тревитик был инженером-угольщиком из Корнуолла. Там во многих шахтах были железные рельсы для вагонов.     В 1804 г. Тревитик приделал к паровому двигателю Уатта специальные колеса. Получился первый паровоз. Вскоре паровозы вовсю дымили не только в шахтах, но и на поверхности.      Первая пассажирская железная дорога была открыта в 1825 г. на севере Англии — между Стоктоном и Дарлинг-тоном. По ней ходили паровозы «Движение», созданные Джорджем Стефенсоном. В 1829 г. лучший из его паровозов — «Ракета» — с грузом в 20 тонн развивал скорость до 40 км /час.
ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПАРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
	ПАРОХОД — судно, приводимое в движение паровой машиной или турбиной (турбинные пароходы называются обычно турбоходами). Первый пароход — «Клермонт» построен в 1807 в США Р. Фултоном. В России один из первых пароходов — «Елизавета» (для рейсов между Санкт-Петербургом и Кронштадтом) сооружен в 1815.
	Клеман Адер, в 1890 г. построил паровой самолет «Эол»  или «Авьон 1». Его крылья были сделаны из бамбуковых шестов, обтянутых плотной тканью, и настолько копировали крылья летучей мыши, что даже складывались вдоль корпуса. Самолет пролетел по прямой над парижским велотреком 50 м.     В 1897 г. усовершенствованная модель продержалась около трехсот метров, но упала и разбилась. Военное министерство, израсходовав на опыты двести тысяч франков, отказалось от планов создания «воздушной армии». Удрученный неудачей, Адер больше не принимался за свои опыты.
НЕПРИЗНАННЫЕ КОНКУРЕНТЫ ПАРА
	Братья Клод и Жозеф Нисефор Ньепсы, а также сын Нисефора Исидор известны главным образом благодаря своему вкладу в развитие фотографии.   Братья заинтересовались идеей альтернативного топлива на первых порах применили ликоподий — семена спорового растения плауна. Свой двигатель братья назвали «пирэолофор», т. е. составили его название из трех греческих слов: «пир» — огонь, «Эол» — бог ветра, воздуха и «фор» — несу, произвожу.
ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
	Первый патент на двигатель, использующий нагретый воздух, выдан в Великобритании в 1816 г. пастору Роберту Стирлингу. Изготовление двигателей Стирлинга началось в 1818 г. их  применяли там где не годились громоздкие паровые машины. Роберт Стирлинг вместе со своим братом долгие годы испытывал затруднения с выбором конструктивных материалов и в конце своей жизни, в 1876 г., выразил надежду, что препятствия, которые возникают из-за отсутствия соответствующих материалов, будут со временем устранены
ПОРШЕВАЯ МАШИНА
	ПОРШЕВАЯ МАШИНА — устройство, в котором основные функции по преобразованию энергии рабочего тела выполняет поршень.      При его движении вместе с изменением объёма камеры, которую он образует с цилиндром изменяются параметры рабочего тела.      При работе энергия рабочего тела может понижаться) или повышаться (насос, компрессор и т.п.).      Впуск и выпуск рабочего тела в цилиндр регулируются распределительным устройством  с помощью клапанов, золотников или самого поршня.
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
	Один из самых распространенных тепловых двигателей существующий в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и дизеля. Сегодня проектируются ДВС, в которых в качестве горючего будет использоваться водород. 1876 год – Николаус Отто. Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, и название двигателя. Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный ДВС.      1-ый такт — впуск (всасывание) . Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-ой такт сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. 3-ий такт рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. 4-ый такт выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.Из четырех тактов только один — третий — является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию).
ДВИГАТЕЛЬ ДИЗЕЛЯ
	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 8—9-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует. Степень сжатия есть отношение объема газа в цилиндре при положении поршня I к объему при положении поршня II
ДИЗЕЛЬ РУДОЛЬФ АРТУР
	Дизель Рудольф родился 18 марта 1858 года в Париже в семье ремесленника из Аугсбурга. Учился в Мюнхенской высшей технической школе. После знакомства с основами теории тепловых машин, увлекся идеей увеличения КПД паровой машины. Немецкий инженер Р. Дизель получил патент на это изобретение в 1892 и сумел заинтересовать им два ведущих завода Германии. Основная конструкция двигателя Дизеля получила оформление в результате многолетней работы конструкторов Аугсбургского машиностроительного завода и завода Круппа. К 1897 двигатель был изготовлен, испытан и поступил на рынок. Историю своего изобретения Дизель изложил в книге «Создание дизельного двигателя». Умер Дизель 29 сентября 1913 года по пути из Амстердама в Лондон
РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
	Двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия сгорающих газов преобразуется в механическую с помощью ротора, совершающего вращательное или вращательно-возвратное движение относительно корпуса. Идея создания была впервые выдвинута в 16 в. Первая попытка постройки действующего образца относится к 1799, однако практически пригодные двигатели появились лишь в 1957 Ванкеля двигатель. Современные Роторные двигатели выполняются как с одной, так и с двумя и тремя рабочими секциями (2 или 3 ротора, сидящих на общем эксцентриковом валу).
ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ
	Пока лучшей разработкой такого рода (роторного двигателя) является двигатель Ванкеля. Принцип его работы такой же, что и у четырехтактного двигателя, но здесь при сгорании горючей смеси вращается трехгранный ротор, причем всегда в одном и том же направлении.      На данной схеме двигателя Ванкеля трехгранный ротор эксцентрично вращается в одном  том же направлении вокруг фиксированной шестерни.
РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
	РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — это двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую энергию реактивной струи в могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).
ПЛАЗМЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Ракетные двигатели, в которых рабочее тело ускоряется, находясь в состоянии плазмы. Скорости истечения рабочего тела, достижимые в П. д., существенно выше скоростей, предельных для обычных газодинамических (химических или тепловых) двигателей. Увеличение скорости истечения позволяет получать данную тягу при меньшем расходе рабочего тела, что облегчает массу ракетной системы.      В настоящее время практическое применение на космических летательных аппаратах нашли плазменные электрореактивные двигатели. В таких двигателях через рабочее тело пропускается электрический ток от бортового источника энергии, в результате чего образуется плазма с температурой в десятки тыс. градусов. Эта плазма затем ускоряется либо газодинамически, либо за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии тока с магнитными полями.
КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
	Двигатель КПД, % паровая машина 1 паровоз 8 карбюраторный двигатель 20-30 газовая турбина 36 паровая турбина 35-46 РЖД 47
© Богатых Гульсум Тагизовна, 2010

История создания тепловых двигателей



История создания тепловых двигателей

Автор: Дуванова Е. А.

уч-ца 8 «А» класса

МОУ СОШ №1

Действительно  ли  история развития  тепловых  двигателей — это  история  прогресса?

  Тепловые  двигатели  имеют  исключительно  важное  значение  в жизни  человеческого  общества, развитии  техники, энергетики  и  транспорта. Изобретение  паровой машины имело  исключительно  большое  значение  для  перехода  к машинному  производству, сделало  возможным  изобретение  парохода(1807), и  паровоза (1814).Изобретение  паровой  турбины  позволило  резко увеличить  мощности электростанций. В  настоящее  время  паровая  турбина—основной  первичный  двигатель  на        тепловых  и  атомных  электростанциях.

  Изобретение  двигателя  внутреннего  сгорания  вызвало  к  жизни  автомобилестроение  и  авиацию.

Тепловой двигатель — тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию.

Первым устройством для превращения теплоты в работу могла быть паровая пушка «Архитронито». Ее название можно перевести как сильный гром. Описание этого прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего его Архимеду.

Прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил.
Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненной водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара.

По существу, эолипил — это не что иное, как паровая реактивная турбина. Конечно, эолипил не соответствует определению теплового двигателя, так как он ничего не приводит в движение, это просто красивая игрушка, но в нем, безусловно, теплота превращается в механическую работу, а идея использования энергии пара путем разгона его и подачи струй в окружном направлении была позднее использована при создании паровых турбин.
В алтайской глуши к шестидесятым годам XVIII в. сформировался замечательный человек. Изобретатель и конструктор, технолог и машиностроитель, строитель пильных мельниц и рудотолчейно-промывальных предприятий, знаток руд и строительных материалов, опытный горняк и металлург, механик и математик, физик и метеоролог, мастер тонких опытов и искусник в приборостроении, педагог и график — таким был этот выдающийся представитель русской технической мысли. — И.И.Ползунов.

Он поставил перед собой задачу создать

«огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».

22 января 1765 г. колывано-воскресенское горное начальство приняло решение о машине Ползунова, подтверждавшее решение, принятое еще в прошлом году, но все еще не осуществленное. Началось строительство, но вести его пришлось в полном несоответствии с тем, как хотел изобретатель. Вместо небольшой опытной установки пришлось сразу приступить к сооружению огромной производственной «машины большого корпуса». Вопреки необходимости предварительно освоить новую технику и подготовить людей пришлось немедленно заняться грандиозным по тому времени строительством, сооружая машину, достигавшую высоты 11 метров. Основными помощниками Ползунова считались юные ученики, особенно Дмитрий Лезвин и Иван Черницын.20 мая 1765 г. было уже готово сто десять частей установки, не считая котла с его арматурой и гарнитурой. Отдельные части весили более ста семидесяти пудов. Наибольший диаметр котла составлял 3,5 метра. Паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра. На исходе 1765 г. теплосиловая установка Ползунова была закончена. На берегу заводского пруда возвышалось машинное здание высотой более 18 метров.

В условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно, получить всеобщего распространения. Однако использование отдельных машин и, во всяком случае, использование уже построенной машины было и возможным, и целесообразным. Это понимали передовые русские деятели. А. И. Порошин, уже престарелый и отходивший от дел, еще в 1767 г. настаивал на продолжении дела Ползунова. Однако его не поддержали ни Кабинет, в ведении которого находился Алтай, ни Академия наук. Определенную роль сыграло то, что видевшие в натуре эту машину и впервые описавшие ее в печати Паллас и Фальк все извратили, вплоть до самого имени творца новой машины. Начатое Палласом и Фальком завершили Ирман и Меллер, физически уничтожившие машину Ползунова.

УАТТ (Watt) Джеймс (19.1.1736, Гринок, Шотландия, — 19.8.1819, Хитфилд, Англия), — английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества (1785). С 1757 работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и сам с большой точностью провёл, пользуясь котлом Д. Папена, исследование зависимости температуры насыщенного пара от давления. У. в 1765 построил экспериментальную машину с диаметром цилиндра 16 см, а в 1768 — первую большую паровую машину.

В 1774 постройка парового двигателя была завершена; дальнейшие испытания показали, что этот двигатель оказался более чем в 2 раза эффективнее лучших машин Ньюкомена. В 1782 получил английский патент на паровой двигатель с расширением. У. ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт). Паровая машина У. благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.

КАРНО (Carnot) (Никола Леонар) Сади (1796-1832), французский физик и инженер, один из основателей термодинамики. Труд Карно был, по существу, первым серьезным теоретическим исследованием принципов работы тепловых машин. Хотя он пользовался уже в его время отвергавшимся многими физиками представлением о теплороде, приток которого вызывает нагревание, а отток — охлаждение вещества, ему удалось открыть целый ряд положений, играющих определяющую роль в работе этих машин.Попытки Карно напрямую связать коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины (это — тоже его термин) с температурой нагревателя и холодильника не увенчалась успехом только потому, что в то время еще не была известна абсолютная шкала температур. Но он понял очень многое. Так, он дал глубокий анализ того, водяной пар или воздух выгоднее использовать в качестве рабочего вещества в тепловой машине, доказал, что максимальный теоретически возможный КПД не зависит от конструкции тепловой машины, а определяется только температурой нагревателя и холодильника, и установил много других важнейших положений.

История изобретения тепловых двигателей

Тепловые двигатели:

История и перспективы.

Проект подготовила

Медведева Дарья

8 «Е» класс

Тепловые двигатели

  ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ  — это машина, в котором энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу.     

Виды тепловых двигателей

Паровая машина

Двигатель внутреннего сгорания

Паровая и газовая турбины

Реактивный двигатель

Первые тепловые двигатели

  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.

Первые попытки

  Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике.   Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

  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 порох, который затем поджигали.Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

Классификация тепловых двигателей

Двигатели внешнего сгорания

Паровая машина

Паровая и газовая турбина

История двигателя внутреннего сгорания

Главное устройство любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.

В ходе исторического развития транспортных двигателей механическая работа осуществлялась за счет применения:

1) мускульной силы человека и животных;

2) силы ветра и потоков воды;

3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;

4) электрической и химической энергии;

5) солнечной и ядерной энергии.

Записи о попытках построить самоходные средства передвижения были уже в XV — XVI вв. Правда, силовыми установками этих «средств передвижения» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускульным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он соорудил в 1655 г.

Наибольшую известность в России получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752 г.

«Самобеглая коляска» Л.Л. Шамшуренкова.

«Самобеглая коляска»

Эта коляска, вполне вместительная для перевозки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоновым на рубеже XVIII и XIX вв.

Гидравлические и ветряные двигатели

Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортными, являются гидравлические двигатели — водяные колеса, приводящиеся в движение потоком (весом) падающей воды, а также ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.

Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако большие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправдались. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построенный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных остановок через каждые 15 минут движения.

Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удачные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начиная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил несколько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона.

Паровой автомобиль Дион-Бутона

В 1887 — появились автомобили Леона Серполле, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенератор с почти мгновенным испарением воды.

Паровые автомобили Серполле конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г.

Автомобиль Леона Серполле

Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внутреннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось попытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Россия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические автомобили.

Электрические автомобили

Появление электрических автомобилей связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недостаточная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двигателями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.

Электромобиль И.В. Романова

Электромобили имеют достаточно высокие преимущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тяговой характеристикой и большими ускорениями за счет возрастающего крутящего момента при снижении числа оборотов; используют дешевую электроэнергию, просты в управлений, надежны в эксплуатации» и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на городском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.

Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобретатель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топлива светильный газ.

Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.

Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных смесей и предварительного сжатия в цилиндрах.

Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;

Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;

Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с самовоспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.

Мотоцикл Г.Даймлера

Трёхколёсный экипаж К.Бенца

В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Протекание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который предполагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В России в течение короткого времени была усовершенствована конструкция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.

Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремление к повышению литровой мощности, а следовательно, и к получению наиболее компактного двигателя.

Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурентов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требований по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомобильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная промышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двигателестроения на выпуск новых типов двигателей. Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

Основные конкуренты поршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных партий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.

Эксплуатационные характеристики

КПД:

• Паровой двигатель – 8%
• Паровая турбина – 40%
• Газовая турбина – 25-30%
• Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
• Дизельный двигатель – 40- 44%
• Реактивный двигатель – 25%

Плюсы и минусы ТД

Достоинства:

Недостатки:

• Способствует экономическому развитию
• Создает комфортные условия
• Удовлетворяет потребности человека в быстром передвижении

• Загрязняет атмосферу
• Способствует повышению температуры окружающей среды
• Истощает природные ресурсы
• Негативно влияет на состояние здоровья человека

История создания тепловых двигателей

This Month in Physics History

Николя Леонар Сади Карно (1796–1832) в парадной форме студента Политехнической школы.

Мы принимаем законы термодинамики как одну из самых фундаментальных основ современной физики. Однако еще в начале 19 века никто не кодифицировал законы термодинамики в точных физических терминах. Этот процесс начался с работы малоизвестного французского физика Сади Карно.

Родившийся в 1796 году, Карно был сыном французского аристократа по имени Лазар Карно. Его отец был одним из самых влиятельных людей во Франции до позорного поражения Наполеона; семейное состояние резко росло и падало на протяжении всей жизни молодого Сади в связи с состоянием монархии. Названный в честь персидского поэта Сади из Шираза, Карно изучал математику, естественные науки, язык и музыку под строгим руководством своего отца. В 16 лет он поступил в Политехническую школу, где учился у Клода-Луи Навье, Симеона Дени Пуассона и Андре-Мари Ампера.

После выпуска Карно прошел двухгодичный курс военного инженера в Меце, как раз перед недолгим возвращением Наполеона из ссылки в 1815 году. Когда Наполеон потерпел поражение в октябре того же года, отец Карно был сослан в Германию. Он так и не вернулся во Францию. Карно-младший, недовольный плохими перспективами своей военной карьеры, в конце концов присоединился к Генеральному штабу в Париже и параллельно занимался своими академическими интересами.

В 1821 году он посетил своего изгнанного отца и брата Ипполита в Германии, где состоялось много дискуссий о паровых машинах. Энергия пара уже использовалась для осушения шахт, ковки железа, измельчения зерна и ткачества ткани, но двигатели французской разработки были не такими эффективными, как разработанные британцами. Убежденный, что передовые технологии Англии в этой области способствовали падению Наполеона и потере престижа и состояния его семьи, Сади Карно с головой ушел в разработку надежной теории паровых двигателей.

Хотя к тому времени паровой двигатель был довольно хорошо развит, КПД этих первых двигателей составлял всего 3%. Инженеры горячо экспериментировали с другими механическими средствами и топливом для повышения эффективности. Кроме того, было очень мало работы, описывающей лежащую в основе науку, с помощью которой он работает. Принцип сохранения энергии был довольно новым и весьма спорным среди ученых того времени. Пройдет еще 20 лет, прежде чем кто-то откроет механический эквивалент тепла. Когда Карно начал свои исследования, он и его коллеги придерживались теории калорий, предполагая, что теплота — это невесомая невидимая жидкость, которая течет, когда не находится в равновесии.

Отец Карно умер в 1823 году. В том же году Карно написал статью, в которой пытался найти математическое выражение для работы, производимой одним килограммом пара; он никогда не был опубликован. На самом деле рукопись не была обнаружена до 1966 года. Затем он занялся двумя фундаментальными вопросами, касавшимися паровых двигателей того времени: (1) существовал ли верхний предел мощности тепла и (2) существовало ли лучшее топливо. чем пар, способный производить такую ​​мощность.

В 1824 году он опубликовал Размышления о движущей силе огня , в котором описывается теоретическая «тепловая машина», производящая максимальное количество работы при заданном количестве тепловой энергии, подаваемой в систему. Карно абстрагировал то, что он считал критическими компонентами паровой машины, в идеальную теоретическую модель. Так называемый цикл Карно извлекает энергию из разницы температур между «горячим» и «холодным» резервуаром. Хотя это и была теоретическая конструкция, позже в том же столетии идеи Карно вдохновили Рудольфа Дизеля на разработку двигателя с гораздо более высокой температурой в более горячем из двух резервуаров, что привело к гораздо большей эффективности.

Из бесконечных экспериментов Карно знал, что на практике его конструкция всегда будет терять небольшое количество энергии на трение, шум и вибрацию, среди прочих факторов. Он знал, что для достижения максимального КПД в тепловой машине необходимо минимизировать сопутствующие тепловые потери, возникающие при переносе тепла между телами разной температуры. Он также знал, что ни один реальный двигатель не может достичь такой идеальной эффективности. Таким образом, он был мучительно близок к открытию второго закона термодинамики.

Что касается вопроса о том, какое вещество производит наибольшую работу, Карно занялся обсуждением относительных достоинств воздуха по сравнению с паром для того, что он назвал «рабочей жидкостью», но пришел к выводу, что максимальный КПД идеальной тепловой машины не зависит от рабочей жидкости. Как он отмечал, «Движущая сила тепла не зависит от агентов, используемых для ее реализации; его количество определяется исключительно температурами тел, между которыми он осуществляется, наконец, перенос теплоты». То есть КПД «двигателя Карно» зависит только от разницы температур внутри двигателя.

Размышления о движущей силе огня Номер не привлек особого внимания, когда он впервые появился, и начал привлекать к себе внимание только через несколько лет после безвременной смерти Карно от холеры в возрасте 36 лет, среди множества жертв эпидемии, которая прокатился по Парижу в 1832 году. Большая часть его вещей и сочинений была похоронена вместе с ним в качестве меры предосторожности, чтобы предотвратить дальнейшее распространение болезни.

Современники описывали Карно как «чувствительного и проницательного», но в то же время «интровертного» и «отстраненного», Карно опередил свое время как минимум на 20 лет. В краткосрочной перспективе его работа не сразу привела к созданию более эффективных паровых двигателей или любого другого практического применения. Его долговременный вклад заключался в том, чтобы установить физические границы настолько точно, что Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон (лорд Кельвин) использовали его работу для построения основ современной термодинамики в 1840-х и 1850-х годах.

История физики

Этот месяц в истории физики
Новости APS Архив

Инициатива по сохранению исторических мест
Места и подробности исторических физических событий

Тепловая история Земли

Тепловые двигатели: термодинамика, уравнения и типы

В какой-то момент своей жизни вы, вероятно, путешествовали внутри автомобиля, самолета или паровоза. Вы, возможно, задавались вопросом, какой процесс заставляет эти транспортные средства двигаться. Ответ: тепловая машина .

Эта статья о тепловых двигателях немного выходит за рамки того, что вы должны знать на уровне GCSE, но она будет очень полезна для вашего понимания термодинамика и ее применение в реальной жизни. В термодинамике , тепловой машиной называется система, преобразующая поток тепловой энергии (теплота) в механическую работу .

Тепловые двигатели в термодинамике

Теплота – это передача тепловой энергии от более высоких к более низким температурам. В тепловых двигателях это достигается за счет теплового потока от горячего резервуара к холодному резервуару . Бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это примеры тепловых двигателей.

Тепловой поток между горячим резервуаром и холодным резервуаром, адаптировано из изображения Майка Рана CC-BY-SA-4.0

Невероятно, но первая зарегистрированная тепловая машина была изобретена Героном Александрийским в 50 г. н.э., но считалась всего лишь новинкой или игрушка в то время. Только во время промышленной революции тепловые двигатели превратились в полезные устройства. Паровая машина стала полезной в 18 веке и быстро стала использоваться в качестве источника энергии. внутренний двигатель внутреннего сгорания последовал в конце 19 века, который во многих отношениях был усовершенствованием парового двигателя. Без тепловой машины многие удобства и технологии нашего современного мира были бы невозможны.

Типы тепловых двигателей

Тепловые двигатели можно разделить на два типа. Первым из них является двигатель внешнего сгорания , в котором при сгорании топлива тепло передается внешней жидкости, которая затем производит полезную работу своим движением по мере расширения. Примером этого является паровая машина. Здесь источник топлива, такой как уголь или древесина, сжигается для нагрева воды (внешней жидкости) в котле. Это производит пар, который затем может делать полезные механическая работа для питания двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания сгорание топлива происходит внутри системы. Двигатели внутреннего сгорания, как правило, более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, так как они непосредственно преобразуют тепловую энергию топлива в механическую работу. Например, тепловой двигатель в автомобиле воспламеняет бензин или дизельное топливо с помощью свечи зажигания, чтобы произвести полезную механическую работу.

Примеры тепловых двигателей

В этом разделе мы обсудим некоторые примеры реального применения тепловой машины, от древней античности до современности, как для двигателей внутреннего, так и для двигателей внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания

Чтобы понять основы работы тепловой машины, было бы неплохо начать с самого начала и взглянуть на первую паровую машину Герона Александрийского. Цапля назвала его aeolipile или ветряным шаром. Схема была проста: он поставил котел с водой (который служил резервуаром для горячей воды) над огнем. Вода вскоре превратилась в пар при нагревании. Затем пар поднимался по двум трубам в полую сферу наверху, откуда пар выходил через два изогнутых сопла на сфере. Выброшенный пар создавал тягу, как ракета, заставляя сферу вращаться. Вся внешняя среда в данном случае действовала как резервуар холода, в который текло тепло.

Тепловая машина Герона, заставляющая сферу вращаться, commons.wikimedia.org

Паровые локомотивы устарели благодаря электричеству и двигателю внутреннего сгорания. Например, паровозы теперь относятся к культурному транспорту или достопримечательностям. Однако пар по-прежнему широко используется в промышленных масштабах для производства электроэнергии. Вода нагревается от источника тепла в котле (горячем резервуаре), который превращает воду в пар, который затем используется для вращения турбины по мере ее подъема. Это пример тепловой машины, в которой тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Затем вращающаяся турбина приводит в действие электрический генератор, который вырабатывает электричество для наших нужд.

Схема типичной паровой турбины, используемой для выработки электроэнергии, commons.wikimedia.org

Затем пар снова охлаждается до воды внутри конденсатора (холодного резервуара) после приведения в действие турбины. Это выгодно по двум причинам. Во-первых, чем больше разница температур между горячим и холодным резервуарами (котлом и конденсатором), тем быстрее будет течь тепло между ними. Это означает, что пар будет двигаться быстрее и, следовательно, быстрее будет вращать турбину, производя больше электроэнергии. Во-вторых, конденсируя пар обратно в воду, мы можем повторно использовать эту воду для котла. Оба эти момента значительно повышают эффективность тепловой машины.

Геотермальные электростанции работают аналогично угольным электростанциям. Однако, хотя геотермальная электростанция является тепловым двигателем, она не является ни двигателем внутреннего, ни внешнего сгорания, потому что горячие геотермальные жидкости, используемые для нагрева котла, поступают непосредственно из земли, а не за счет сжигания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Давайте обсудим двигатель внутреннего сгорания, с которым вы, вероятно, лучше всего знакомы, бензиновый автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания внутри автомобиля сжигает бензин непосредственно в камере сгорания (горячем резервуаре). Затем часть энергии сгорания преобразуется в полезную работу. Большинство бензиновых двигателей являются четырехтактными, а это означает, что для завершения полного цикла двигателя требуется четыре хода поршня.

Четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, commons.wikimedia.org

Сначала, во время такта впуска, открывается впускной клапан, чтобы топливо и воздух из топливного бака поступали в рабочий цилиндр. Следующим шагом в этом процессе является такт сжатия. Оба клапана закрываются, чтобы удерживать топливовоздушную смесь внутри, а поршень движется вверх, чтобы сжать смесь до небольшого объема. Затем, во время такта зажигания, электрическая искра от свечи зажигания воспламеняет топливо, заставляя его быстро расширяться и толкая поршень обратно вниз. Наконец, во время такта выпуска открывается выпускной клапан, который позволяет выйти расширенным газам от сгорания, а затем цикл повторяется снова.

Расширение и выхлоп смесей внутри камеры сгорания заставляют поршни двигаться вверх и вниз. Движение этих поршней, прикрепленных к поршневым штокам, приводит во вращение коленчатый вал. В конечном счете, система зубчатых передач в трансмиссии автомобиля будет приводить в движение колеса автомобиля, вызывая движение.

Есть еще такая штука как реверс тепловая машина. Вместо того, чтобы использовать тепловую энергию для производства полезной работы, обратные тепловые двигатели используют механическую работу для изменения направления потока тепла. Механическая работа обычно исходит от внешнего источника энергии, такого как национальная сеть. Кондиционеры и холодильники являются типичными примерами реверсивных тепловых двигателей. Представьте, что ваш холодильник внутри — это резервуар для холода. Реверсивная тепловая машина вытесняет тепло из холодильника с помощью насоса (механическая работа).

Уравнение теплового двигателя

Энергия и топливо являются ценными ресурсами в нашем современном мире, и мы должны найти способы максимально сократить потребление энергии. Когда происходит передача энергии между накопителями энергии (например, тепловая энергия в кинетическую в тепловом двигателе), не вся произведенная энергия преобразуется в полезную энергию. Когда энергия передается в нежелательное хранилище, это называется пустой тратой энергии.

Эффективность системы определяется следующим уравнением:

Используя принципы термодинамики, тепловые двигатели были разработаны таким образом, чтобы производить как можно меньше потерь энергии. Различные тепловые двигатели имеют разную эффективность в зависимости от ряда факторов, таких как их тип, конструкция, источник топлива и т. д. Энергия теряется из-за нежелательного звука, производимого двигателем, трения между движущимися частями и отходящего тепла. , которые не конвертируются в полезную работу.

Например, для повышения эффективности и уменьшения трения между движущимися частями двигателя инженеры и механики добавляют смазку. Кроме того, теплоизоляция может использоваться для уменьшения потерь тепловой энергии двигателя в окружающую среду.

Эффективность тепловой машины, адаптировано из изображения Гая Вандегрифта CC BY-SA 4.0

Тепловая эффективность тепловой машины определяется по формуле:

Двигатели внутреннего сгорания почти всегда более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания. В общем, сжигание топлива непосредственно в механической работе является более эффективным процессом, потому что двигатели внешнего сгорания имеют дополнительный этап передачи энергии, что всегда приводит к большей неэффективности.

Существует предел потенциальной эффективности любой тепловой машины. Теорема Карно утверждает, что даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать почти 100% произведенного тепла в полезную работу. Факторами, ограничивающими эффективность, являются температуры, при которых тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которой двигатель выбрасывает отработанное тепло.

Тепловая машина совершает работу 6,3 кДж. 19,9 кДж энергии теряется в окружающей среде. Каков КПД этой тепловой машины в процентах?

Полная энергия, произведенная двигателем, равна сумме выполненной работы и энергии, потерянной в окружающей среде.

Двигатель внутреннего сгорания имеет КПД 42%. При сгорании 1 л дизельного топлива вырабатывается 38 МДж энергии. Какую полезную работу совершает 1 л топлива?

Измените уравнение эффективности, чтобы сделать полезной работу, выполняемую двигателем.

Переставить в:

Не забудьте преобразовать процентную эффективность обратно в десятичную форму.

Тепловые двигатели – основные выводы

• В термодинамике тепловой двигатель преобразует поток тепловой энергии (тепло) в полезную механическую работу.
• Тепловые потоки в тепловом двигателе из-за разницы температур между горячим и холодным резервуаром.
• В двигателях внешнего сгорания жидкость в горячем резервуаре нагревается за счет внешнего источника топлива. Затем движение нагретой жидкости можно использовать для производства полезной работы. Примером этого является паровая машина.
• В двигателях внутреннего сгорания сгорание топлива происходит непосредственно внутри горячего резервуара. Они непосредственно преобразуют тепловую энергию сгорания в полезную работу. Примеры этого включают бензиновый или дизельный двигатель.
• В некоторых тепловых двигателях внешняя среда может выступать в качестве резервуара холода.
• Чем больше разница температур между горячим и холодным резервуарами, тем быстрее будет течь тепло между ними, в конечном итоге производя больше полезной механической работы.
• Двигатели внутреннего сгорания, как правило, более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, поскольку двигатели внешнего сгорания имеют дополнительную ступень передачи энергии.
• Тип тепловой машины, конструкция, источник топлива и ряд других факторов влияют на ее эффективность.
• Энергия теряется из-за нежелательных звуков, отходящего тепла и трения между движущимися частями тепловой машины.

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 16 марта 2022 г.

В наш век топливных элементов и
электромобили, паровозы (и
даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.
Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие
паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были
используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза
миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали
искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают
все сами по себе. Скажем иначе: люди были без
двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись
их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или
самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет
просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его.
От мостов и туннелей до небоскребов
и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми.
в последние пару столетий был построен с помощью
двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров.
их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших
еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться
круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит
на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как
Работа!

Работа: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

Содержание

1. Что такое тепловая машина?
2. Как двигатель приводит машину в движение?
3. Типы двигателей
   • Двигатели внешнего сгорания
   • Двигатели внутреннего сгорания
4. Двигатели в теории
   • Цикл Карно
   • Насколько эффективен двигатель?
   • Каков максимальный КПД двигателя?
5. Узнать больше

Что такое тепловая машина?

Двигатель — машина, которая вращает
энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет
очевидное использование
кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в
однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для
заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое справедливо
других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С
двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они
позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает
химическая реакция, называемая горение , при которой топливо сгорает в
кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

“ Всем известно, что тепло может производить движение.
В том, что оно обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться… »

Николя Сади Карно, 1824 г.

Существует два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания.
сгорание:

• В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи
  и вдали от основной части двигателя, где сила и движение
  производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь
  на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает
  плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно.
  движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно,
  заводской станок или колеса паровоза). Это внешний
  двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые
  расстояние от цилиндра и поршня.
• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри
  цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть
  что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин
  постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии.
  цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит
  стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним
двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от
огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

Фото: Паровой двигатель является двигателем внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

Как двигатель приводит машину в движение?

В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят,
непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный
движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на
на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, вращательный
движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения.
движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели
пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса.
приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой
рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что
колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер
Джеймс Уатт (1736–1819 гг.)) решил сделать в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он
Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути,
уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как
солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен
колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем
стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.

Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в
возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в
противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это
некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде
бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо
заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого
яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и
вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит
возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в
электрическая зубная щетка, которая делает
щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые машины были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания
и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом.
(1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый
и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад.
Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре.
В цилиндр накачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая
пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад
другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением,
но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

Паровые машины

В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее
меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар
двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара
двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели
которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные.
Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный
двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа
езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией).
источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии.
подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по
челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри
двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое
регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает
экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание,
хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин 18 века. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он был слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые (бензиновые) двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе
Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг. ).00) и Герман Николаус Отто
(1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали
бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929).
подключить один из этих двигателей к трехколесному
карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать далее
в нашей статье об автомобильных двигателях.

Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель
(1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее
двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива.
В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее.
он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию
заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения.
тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они
нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их
мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал
постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция
двигателя внутреннего сгорания, в котором
«цилиндры» (которые не всегда цилиндрические
форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала.
Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно,
самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля ,
особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о
Роторный двигатель Ванкеля
хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

Двигатели в теории

Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые.
Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками.
Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию
того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения.
Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в
Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива).
Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить
Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя
теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

Фото: Паровые двигатели изначально неэффективны.
Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе
как это нужно перегреть (так что это выше его
обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловая машина Карно представляет собой довольно простую математическую модель
того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель,
бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно .
Мы не будем вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см.
Страница цикла НАСА Карно
и превосходная страница «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла,
расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

“ Мы не должны рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих материалов. »

Николя Сади Карно, 1824

Следует отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя
(реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает .
С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до
Tmin (его минимальная температура):

(Tmax−Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (K).
Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур.
Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.
Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax.
Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают
при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных
материалов, таких как сплавы и керамика).

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно
Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство
настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C,
это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар.
до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания
(0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик
и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давление пара на больше, чем у таких людей, как Томас Ньюкомен.
Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее:
при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.
При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%.
с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление).
является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).
Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности;
реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов.
Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

Узнайте больше

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые двигатели
• Двигатели Стирлинга

На других сайтах

Один из лучших способов понять двигатели — посмотреть их анимацию в работе.
Вот два очень хороших сайта, на которых исследуется широкий спектр различных движков:

• Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые только можно придумать, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
• Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Введение

• Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).

Более сложный

• Цикл Карно и тепловой двигатель. Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
• Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
• Размышления о движущей силе тепла Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Уайли, 1897. Прочтите идеи Карно его собственными словами.

Детские книги

• «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Следуйте за нами

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Средства связи
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Тихоокеанская тепловая машина

Статус : этот препринт находился на рассмотрении для журнала ESD, но редакция не была принята.

Роджер Н. Джонс и Джеймс Х. Рикеттс

Просмотрено

Всего просмотрено статей: 1 138 (включая HTML, PDF и XML)

• HTML: 918
• PDF: 197
• XML: 23
• Всего: 1 138
• Дополнение: 45
• БибТекс: 12
• КонецПримечание: 12

Просмотров и загрузок (рассчитано с 22 июля 2021 г. )

Месяц	HTML	ПДФ	XML	Всего
июль 2021	195	33	2	230
авг. 2021 г.	227	41	0	268
сен 2021	149	21	5	175
окт. 2021 г.	70	14	4	88
ноябрь 2021 г.	56	20	5	81
декабрь 2021 г.	43	14	1	58
Январь 2022	49	11	2	62
Февраль 2022	25	6	1	32
март 2022 г.	23	5	1	29
Апрель 2022	19	6	0	25
май 2022 г.	13	7	1	21
июнь 2022 г.	16	6	1	23
Июль 2022	15	4	0	19
Август 2022	15	5	0	20
Сентябрь 2022	3	4	0	7

Общее количество просмотров и загрузок
(рассчитано с 22 июля 2021 г. )

Месяц	просмотров HTML	загрузок PDF	загрузок XML
июль 2021	195	33	2
авг 2021	422	74	2
сен 2021	571	95	7
окт. 2021 г.	641	109	11
ноябрь 2021 г.	697	129	16
декабрь 2021 г.	740	143	17
Январь 2022	789	154	19
Февраль 2022	814	160	20
март 2022 г.	837	165	21
Апрель 2022	856	171	21
май 2022 г.	869	178	22
июнь 2022 г.	885	184	23
Июль 2022	900	188	23
Август 2022	915	193	23
Сентябрь 2022	918	197	23

Просмотрено (географическое распространение)

Всего просмотров статей: 1 052 (включая HTML, PDF и XML)

Из них 1052 с указанием географии
и 0 с неизвестным происхождением.

Последнее обновление: 20 сентября 2022 г.

Новый тепловой двигатель Массачусетского технологического института превосходит по эффективности паровую турбину

В нем нет движущихся частей, и он может позволить нам получать возобновляемую энергию круглый год.

Со времен промышленной революции паровая энергия стала основой современного мира. Даже сегодня большая часть электроэнергии в мире производится паровыми турбинами на угольных, газовых и атомных электростанциях.

Но теперь другой тип теплового двигателя, разработанный исследователями из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), обгоняет по эффективности паровую турбину, потенциально способствуя преобразованию того, как мы производим и храним энергию.

Задача: Стоимость производства возобновляемых источников энергии резко упала за последнее десятилетие, и в 2020 году Международное энергетическое агентство сообщило, что солнечная энергия стала самым дешевым источником электроэнергии в истории.

Тепловые двигатели — это устройства, преобразующие тепло в электричество. Наиболее распространенным примером являются паровые турбины.

Возобновляемые источники энергии лучше для окружающей среды, чем ископаемые виды топлива, однако мы по-прежнему полагаемся на уголь, нефть и природный газ для производства двух третей электроэнергии, главным образом потому, что они более надежны — мы всегда можем сжигать больше топлива , но мы не можем заставить солнце светить или ветер дуть.

Мы можем временно хранить избыточную возобновляемую энергию в батареях, но поскольку батареи со временем разряжаются, хранения хватает на несколько дней или недель. Это означает, что мы не можем накопить тонну солнечной энергии летом, чтобы использовать ее пасмурной зимой.

Горячая тема : Электрические батареи, которые не так быстро разряжаются, находятся в разработке, но есть еще один вариант, который может сделать возобновляемую сеть более надежной: системы тепловых батарей.

Более 90% электроэнергии в мире так или иначе вырабатывается из тепла, а тепловые двигатели — это устройства, которые управляют процессом преобразования.

Наиболее распространенный пример — паровые турбины. Мы вырабатываем тепло (обычно путем сжигания угля или газа), кипятим воду в пар, который вращает турбину, а механическая энергия преобразуется в электричество.

«Это первый раз, когда термофотоэлектрические элементы достигли действительно многообещающих диапазонов эффективности».

Андрей Ленерт

Термофотоэлектрические элементы (TPV) представляют собой еще один тип теплового двигателя. В них используются полупроводниковые материалы для прямого преобразования фотонов от источника тепла в электричество.

Как и солнечные фотоэлектрические элементы, элементы TPV не имеют движущихся частей, что делает их обслуживание более дешевым, чем паровые турбины. Они также могут преобразовывать тепло с более высокой температурой, чем турбины, что повышает их эффективность.

Тем не менее, ячейки TPV традиционно не были столь же эффективны, как турбины, преобразовывая всего 20% тепловой энергии в электричество по сравнению с 35% паровых турбин.

Тепловая машина Массачусетского технологического института : Что касается того, как это связано с возобновляемыми источниками энергии, мы могли бы хранить энергию, вырабатываемую ветром или солнцем, в виде тепла, нагревая резервуары с жидким металлом в хорошо изолированных тепловых батареях, которые могут хранить ее в течение длительного времени.

Чтобы преобразовать энергию обратно в электричество, мы могли бы использовать ячейки TPV для производства электроэнергии из тепла по запросу.

В 2019 году исследователи Массачусетского технологического института подсчитали, что повышение эффективности элементов TPV до 35% сделает системы тепловых батарей коммерчески жизнеспособными, и с помощью ученых NREL они разработали устройство, которое может преобразовывать тепло до 4350 градусов. Фаренгейта в электричество с эффективностью около 40%

«Термофотоэлектрические элементы стали последним ключевым шагом к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией».

Асегун Генри

Ключевым моментом было использование множества слоев различных полупроводниковых материалов — одни поглощают фотоны в основном в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, а другие поглощают инфракрасное излучение. Позолоченное зеркало в ячейке отражает любые непоглощенные фотоны обратно к источнику тепла, чтобы свести к минимуму потери.

«Это очень захватывающие вещи», — сказал Science Андрей Ленерт, инженер-материаловед из Мичиганского университета, который не участвовал в исследовании. «Впервые [TPV] попали в действительно многообещающие диапазоны эффективности, что, в конечном счете, важно для многих приложений».

Заглядывая вперед: Тепловая машина TPV команды имеет размер около одного квадратного сантиметра.