В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.
История появления тепловых двигателей 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.
Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.
В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.
Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.
В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие.
В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался — снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.
Англичанин Томас Севери построил паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.
Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.
Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно «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.
Весной 1766 года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.
Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819).
Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.
В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса.
Уже потом было придумано «двойное действие» машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван «золотником».
Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.
multiurok.ru
Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι?) веке н. э. в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.
В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм. В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа –либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях. В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре. Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.
Холодильная машина
Холодильная машина –периодически действующая установка, в которой за счёт работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой(рис. 130).
Рис. 130.
|
отнимается количество теплоты 
и отдаётся термостату с более высокой температурой 
количество теплоты 
.
Для кругового процесса 
, но согласно условию 
, поэтому 
и 
или 
, т.е. количество теплоты , отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре , больше количества теплоты , полученного от источника теплоты при более низкой температуре , на величину работы, совершённой над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать её более нагретому.
Эффективность холодильной машины характеризуется холодильным коэффициентом:
.
Здесь полезным эффектом выступает теплота , затраченным – абсолютное значение совершенной работы.
Для обратимых циклов существует взаимосвязь: 
.
2.13. Цикл Карно[41]
Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году.
Циклом Карно называется обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.
Рис. 131.
|
Работа за цикл:
(1)
и определяется площадью, ограниченной рассматриваемыми изотермами и адиабатами (рис. 131).
Адиабатические процессы в цикле Карно носят вспомогательный характер: они помогают перейти с одной изотермы на другую. В энергетическом балансе эти процессы не участвуют, т.к. работа адиабатного расширения и адиабатного сжатия компенсируют друг друга.
В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой– холодильником.
Для идеальной тепловой машины справедлива теорема Карно:
КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, максимален и не зависит от природы рабочего вещества и конструкции тепловой машины, он определяется только по температурам нагревателя 
и холодильника 
: 
.
Доказательство теоремы Карно
Пусть рабочим телом машины, работающей по циклу Карно, является моль 
идеального газа, тогда теплота 
, взятая от нагревателя, определяется работой изотермического расширения газа от объёма 
до объёма 
:
(2)
Теплота, переданная рабочим телом холодильнику, определяется работой изотермического сжатия газа от объёма 
до объёма 
:
(3)
Тогда: 
.
Общее выражение КПД для циклического процесса:
. (4)
для цикла Карно с идеальным газом примет вид:
(5)
Из уравнения Пуассона 
, применённого к адиабатическим участкам цикла, легко получить: 
. Это позволяет сократить дробь (5) на величину 
и получить для КПД идеального цикла Карно:
. (6)
Так как абсолютный нуль температур недостижим 
то КПД идеальной тепловой машины всегда меньше единицы.
Формула (6) выражает теорему Карно.
Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.
КПД необратимой тепловой машины всегда меньше, чем обратимой, работающей в аналогичных условиях (т.е. с теми же нагревателем и холодильником). Так КПД современных паровых машин не превышает 25%, двигателей внутреннего сгорания – 40%. Между тем теоретический предел лежит выше. Снижение КПД реальных тепловых машин по сравнению с теоретическим вызвано необратимыми процессами, которые происходят в самой тепловой машине (теплопроводностью и т.п.).
Пути повышения КПД тепловых машин: устранение (по мере возможности) и ослабление необратимых процессов. Если необратимый процесс всё же произошёл, то нет никакой возможности устранить его последствия, ведущие к ухудшению работы двигателя.
В тепловых двигателях стремятся обеспечить наилучшую отдачу тепла рабочему телу и наименьшую потерю тепла рабочим веществом. Так, чтобы сократить число необратимых процессов теплообмена в двигателях внутреннего сгорания, «внесли» топку внутрь рабочего цилиндра. Осуществляют и другие мероприятия.
poznayka.org
Слайд 1
История тепловых двигателей Работу выполнила: ученица 8 класса Антипина Елена Руководитель: Варлыгина Татьяна Анатольевна , учитель математики и физикиСлайд 2
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
Слайд 3
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
Слайд 5
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
Слайд 6
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
Слайд 7
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
Слайд 8
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
Слайд 9
Выводы ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ - двигатель , в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу Изобретение тепловых двигателей способствовало развитию промышленности
nsportal.ru
Эволюция, прогресс … истоки.
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.
Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии.
Однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние.
Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:
Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η
В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы.
История создания теплового двигателя
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.
Пообразом 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 ц 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.
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый Д. в. с. По сравнению с паромашинной установкой Д. в. с. принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования — парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность Д. в. с., меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть).
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности Д. в. с., предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого Д. в. с. на заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898—99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого Д. в. с. становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с Д. в. с. Дальнейшее развитие автомобильных Д. в. с. позволило братьям О. и У. Райт построить первый самолёт с Д. в. с., начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 рус. инженеры установили Д. в. с. на судне «Вандал», создав первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.
По роду топлива Д. в. с. разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В Д. в. с. с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.
Газовые Д. в. с. работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта (см. Газобаллонный автомобиль).
Максимальный эффективный кпд наиболее совершенных Д. в. с. около 44%.
Основным преимуществом Д. в. с., так же как и др. тепловых двигателей (например, реактивных двигателей), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные Д. в. с., могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Д. в. с. на транспортных средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.).
Применение тепловых двигателей
ЧЕРЕПАНОВЫ, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49). Построили первый в России паровоз.
В 1869 году во Франции братьями Пьером и Эрнестом Мишо был создан первый мотоцикл. Он представлял собой велосипед с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок на двигателе соединялся с блоком на заднем колесе с помощью гибкого кожаного ремня.
Автомобилестроение
АВТОМОБИЛЬ (от авто... и лат. mobilis — подвижной, легко двигающийся), транспортная безрельсовая машина главным образом на колесном ходу, приводимая в движение собственным двигателем (внутреннего сгорания, электрическим или паровым). Первый автомобиль с паровым двигателем построен Ж. Кюньо (Франция) в 1769-70, с двигателем внутреннего сгорания — Г. Даймлером, К. Бенцем (Германия) в 1885-86. Различают автомобили пассажирские (легковые и автобусы), грузовые, специальные (пожарные, санитарные и др.) и гоночные. Скорость легковых автомобилей до 300 км/ч, гоночных до 1020 км/ч (1993), грузоподъемность грузовых автомобилей до 180 т.
Создателем первого автомобиля является немецкий инженер Карл Бенц. Но существуют более ранние модели самодвижущихся повозок, такие как мусколоход улитка Деметрия Фалернского, созданный около 2000 лет назад.
Бенц, в 1885 году построил трехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания собственной конструкции, но за пределы фабрики на нем не выезжал. Когда 29 января 1886 года он оформил патент ДРП 37435 на самодвижущийся экипаж как таковой, стало возможным провести публичную демонстрацию своего детища. Выезд состоялся 3 июля 1886 года.
Десятилетие 1896 — 1905 гг. считается в истории автомобиля десятилетием первооткрывателей. Завод «Панар-Левассор» (Франция) в 1896 году построил и стал выпускать первые четырехцилиндровые моторы. Немецкая электротехническая фирма «Р. Бош» в 1897 году нашла практическое решение электрического зажигания с прерывателем. В 1901 увидел свет автомобиль «Мерседес», который явился для многих заводов образцом для подражания и стал на долгое время классической конструкцией.
Механик-самоучка Иван Кулибин (1735—1818) родился в 1735 году в Нижнем Новгороде в семье мелкого торговца мукой. Его отец был старообрядцем, и сына воспитывал в строгих правилах, приучая к труду. Начав учиться, Иван уже не мог остановиться и, не имея другой возможности, стал самостоятельно изучать науки по книгам, в том числе и по сочинениям Михаила Ломоносова.
Трехколесную "самокатку" Иван Кулибин изобрел в 1791 году. Самокатку приводили в движение «мускульной силой». Слуга, находившийся «на запятках», нажимал на педали, от которых шла передача через зубчатое колесо храпового механизма, насаженного на ось маховика, через коробку передач на одно из задних колес. Роль тормозов выполняли пружины. При наклоне дороги или после разгона слуга мог отдохнуть – «самокатка» ехала сама. Подшипники скольжения уменьшали трение. Модель «самокатки» не сохранилась, ее удалось восстановить по оставшимся чертежам, и теперь в Государственном политехническом музее в Москве можно посмотреть, как она работала.
Паровые машины оказались победителями среди тепловых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях и мощных судах!
Экологические проблемы тепловых двигателей
ЭКОЛОГЧЕСКИЙ КРИЗИС, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическое бедствие и экологическая катастрофа
Загрязнения от тепловых двигателей:
Меры предотвращения загрязнений:
1.Снижение вредных выбросов.
2.Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.
3.Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.
Перспективы использования электрических двигателей, пневмокаров, транспорта на солнечных батареях.
auto-dnevnik.com
Оглавление
Введение 3
1. Истоки развития теплоэнергетики 4
2. Развитие теплоэнергетики и тепловых машин 6
2.1 Паровая машина и принцип ее действия 6
2.2 История развития тепловых машин 7
Заключение 13
Список используемых источников 14
Приложения 15
Техника - составная часть производительных сил общества. И на определенной ступени развития общества материальные и производительные силы приходят в противоречия с существующими производственными отношениями. При разрешении этих противоречий и появляются эпохальные изобретения. Они меняют облик страны и всего мира, т. е. наступает промышленный переворот.
Эпоха промышленного переворота в период 1760-1870 гг. ознаменовалась переходом от мануфактуры к машинному производству, скачком в развитии производительных сил. Прогресс в промышленности стал возможным благодаря взаимному стимулированию развития науки и техники, появлению постоянных социальных заказов общества к науке и технике, обеспечивающих ускорение темпов развития. Инновационные процессы, в нынешнем понимании, предвосхитили развитие экономических отношений.
Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.
Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном - двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками, в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима: мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.
Работа состоит из введения, основной части, заключения, списка источников и приложения.
История развития теплоэнергетики и, в частности, тепловых двигателей связана с эволюцией развития естествознания и техники. Рассмотрим вопрос и истории развития тепловых двигателей на основе развития естествознания и техники. Каковы же были научные предпосылки появления тепловых двигателей? Кто же были те «гиганты науки», на плечах которых строилось « здание» современной теплотехники. 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 (Приложение 1). Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Первое четкое упоминание об использовании «движущей силы огня» относится к I в. до н. э., когда Герон Александрийский построил множество различных паровых машин-игрушек, вершиной которых был прообраз реактивно-турбинного двигателя Эолопил, и сделал попытку дать теоретическое объяснение их рабочего процесса. Эолопил представлял собой полый металлический шар с впаянными в него на противоположных полушариях открытыми трубками, загибавшимися в разные стороны. В шар наливалась вода и подогревалась до кипения. Образовавшийся пар выбрасывался из трубок, создавая реактивные силы, под действием которых шар вращался в трубчатых опорах (Приложение 2). Однако низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в новом двигателе у общества остановили его разработку почти на 1700 лет.
Отдельные технические решения возникали и совершенствовались по мере развития естествознания в целом и отдельных базовых наук: теплотехники, гидравлики, механики и других. В рукописях Леонардо да Винчи начала XVI в 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. В середине XVI в. итальянец Кардан указывал на свойство пара конденсировать при охлаждении. В XVII веке именно эта идея стала занимать умы учёных. Расширяющийся пар может совершить работу. Нужно, только чтобы пробка превратилась в поршень, соединенный с каким-нибудь насосом или механизмом да научиться возвращать поршень в исходное положение. Здесь пригодились исследования Эванжелисто Торричелли по атмосферному давлению. Если под поршнем образуется «пустота», то атмосферное давление вернёт его на прежнее место и процесс можно повторить снова. Этим и занимался врач по образованию, француз Дени Папен. Опыты итальянца Дж.делла Порта по исследованию удельного объема водяного пара (1601 г.) показали возможность подъема воды давлением пара, причем необходимость кипячения всей поднимаемой воды исключалась применением отдельного сосуда – парогенератора, предшественника парового котла. Позднее француз Саломон де Ко описывал «страшную силу» пара, способного, как показали опыты, разорвать толстостенный металлический сосуд и также поднимать воду высоким фонтаном (1623 г.). Таким образом, «сила водяного пара» не могла не обратить на себя внимание, как на один из источников энергии, не зависящий от местных условий и способный решать наиболее актуальную задачу водоподъема.
Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. С увеличением глубины рудников потребность в мощности для откачивания воды увеличивалась в связи с повышением объемов откачиваемой воды и ростом высоты ее подъема из рудников. 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.
Кризис, начавшийся в водоподъемных установках еще в XVII в., в XVIII в. распространился и на другие отрасли производства.
Таким образом, практика сумела решить первый этап задачи перехода от водяного колеса к тепловому двигателю.
Паровая машина — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, зависимости давления p от объёма V полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p 1 и p 2, а также объёмами V 1 и V 2.
Работа паровой машины двойного действия: моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения Va, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия V c , определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами. Устройство паровой машины на рис.1.
Рисунок 1 - Устройство паровой машины
Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).
В решении задачи перехода к теплоэнергетике выделено три этапа развития:
а) двигатель неотделим от потребителя развиваемой им работы;
б) двигатель конструктивно обособился от машины – потребителя энергии, но еще не стал вполне самостоятельным;
в) двигатель стал самостоятельным, универсальным.
Ранний тепловой двигатель, конструктивно слитый с агрегатом – потребителем производимой им механической работы, возник в качестве решения наиболее острой технической задачи конца XVII в. – задачи о рудничном водоподъеме. Одной из таких попыток была попытка Вустера, получившего в 1660 г. патент на паровой водоподъемник и в 1663 г. давшего его описание. По этому описанию установка Вустера вычерчивалась многими исследователями. Лучшее решение той же задачи было дано англичанином шахтовладелецем Томасом Севери. В 1698 г. он 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 (Приложение 3). Впоследствии машина Севери была усовершенствована в 1715 г. французским физиком Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов, улучшение работы насосов, повышение их экономичности. Так, Дезагюлье явился изобретателем смесительной конденсации, правда осуществлявшейся пока не в отдельном конденсаторе, а непосредственно в полости двигателя, служившего одновременно и потребителем механической работы. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду. Машины Севери оказались очень надежными и долговечными.
Французский ученый Дени Папен начал с попыток изобретения универсального двигателя, способного производить механическую работу подъема груза. Он обратился к имевшейся повсюду «громадной силе» атмосферного давления и построил цилиндр (Приложение 4), 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. Как физик Папен понял и оценил энергетические свойства водяного пара, но как техник не смог реализовать их в конструкции двигателя.
Следующий важный шаг по пути создания тепловых двигателей совершил английский изобретатель, кузнец по профессии Томас Ньюкомен. Выполняя заказы на детали для машины Севери, он пришел к мысли, что ее производительность и экономичность можно повысить, разделив функции насоса и двигателя т. е. использовав в машине Севери идею Папена, взяв цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле (Приложение 5). Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех - пятиэтажный дом и, 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.
Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Последующие изобретатели внесли много усовершенствований в насос Ньюкомена, но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Заслуга Ньюкомена была в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы.
Идею создания теплового двигателя, свободного от гидравлического колеса, со всею определенностью высказал и осуществил русский механик Иван Иванович Ползунов, который построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. 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, а благодаря работе пара в цилиндрах. 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. 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 Ползунова была изготовлена в декабре 1765 г. (Приложение 6), 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 и всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла, но без изобретателя устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана. На судьбе изобретения И.И.Ползунова сказались условия феодально-крепостнической России, еще не готовой для перехода к крупному машинному производству.
stud24.ru
МКОУ «Краснополянская СОШ» им. Дважды Героя Советского Союза генерал-полковника А.И.Родимцева
«История развития тепловых двигателей»
Выполнил: Кудинов Артем
учащийся 10 класса
Учитель: Чурилова Мария
Борисовна
Развитие тепловых двигателей
До конца XVII- начала XVIII в. человек не построил никаких двигателей, кроме ветряного и водяного колеса. С зарождением первых ремесленных цехов требовалось устройство, которое могло бы лучше и быстрее выполнять простые операции вместо человека. В результате чего и возникает тепловой двигатель, над созданием которого работало много ученых из разных стран. Сейчас без теплового двигателя сложно представить жизнь современного общества и жизни людей в будущем.
КПД теплового двигателя
В 1824 г. В Париже была издана небольшая по объему книга « Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Автор данной книги является Санди Карно, который объяснил принцип действия тепловых двигателей.
Принцип действия тепловых двигателей
Каждый тепловой двигатель должен иметь нагреватель, температура которого высока, и холодильник, температура которого значительно ниже температуры нагревателя. В таком двигателе должно находиться рабочее вещество, способное изменять объем при нагревании и охлаждении. Рабочее вещество получает от нагревателя количество теплоты Q1, часть которой идет на совершение полезной работы, когда рабочее вещество, расширяясь перемешает поршень в цилиндре, а часть теплотыQ2 оно отдает холодильнику.
Особенность работы тепловых двигателей
Не все количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя , превращается в механическую энергию, часть его обязательно отдается холодильнику. Из этого следует, что внутренняя энергия рабочего вещества не может полностью переходить в механическую энергию движения механизмов, а КПД тепловых двигателей не может быть равным 100%. Одним из способов увеличения КПД, который указал Карно в своей книге: надо увеличивать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника.
Формула КПД теплового двигателя
Коэффициент полезного действия теплового двигателя- отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.
История создания паровой машины
Первую паровую машину построил в 90-х годах XVII в. французский изобретатель Дени Папен. КПД такой машины был очень низок и работала она медленно.
Большая заслуга Папена в том, что он впервые «в 1690 г.) правильно описал, в какой последовательности должен идти процесс работы поршневой паровой машины.
Паровая машина Т.Ньюкомена и Коули
Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Ньюкоменом и Коули. Их машина использовалась свыше 90 лет, однако имела серьезные недостатки: КПД ее был низок, а рабочие ходы поршня машины разделялись длительными промежутками; она могла приводить в действие только насос.
Паровая машина Ползунова Ивана Ивановича
Русский техник значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины он завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766г. после смерти изобретателя. Его машина была первой в мире с универсальным двигателем.
Паровая машина Джеймса Уатта
Паровая машина стала широко использоваться после усовершенст-вований, внесенных в ее конструкцию англича-нином Джеймсом Уаттом. Первые машины Уатта имели мощность около 35 кВт и КПД менее 3%. К концу XIX в. мощность паровой машины достигла 15МВт, КПД 15%, давление используемого пара 12 Мпа, а его температура 400 °C.
История возникновения ДВС
И дея создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) родилась еще в XVII в. и принадлежит французскому изобретателю Дени Папену. Так в 1860 г. на свой двигатель Ленуар взял патент. После чего его двигатель работал во многих странах мира. В 1878 г. немецкий механик-самоучка Николай Отто создал первый двигатель, работающий по четырехтактному циклу и имеющий КПД 22%. Немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, который был построен в 1897г., работавший на керосине и имевший высокий КПД- 25% и назвали его дизелем. Вскоре в 1899 г. инженеры и рабочие завода Нобеля в Петербурге построили двигатель, работавший на сырой нефти, КПД которого было выше, чем у заграничных двигателей, работавших на керосине.
Значение тепловых двигателей в обществе
Наибольшее значение тепловые двигатели имеют на электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.
Тепловые двигатели и паровые турбины устанавливают на всех АЭС для получения пара высокой температуры.
На всех основных видах транспорта используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневой ДВС; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д и тепловозах дизельные установки; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.
Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов скоростного транспорта.
Ответы на кроссворд
1. Уатт
2. Отто
3. Папен
4. Карно
5. Дизель
6. Лаваль
7. Королев
8. Даймлер
9. Ньюкомен
10. Ползунов
11. Циолковский
Спасибо за внимание !
multiurok.ru
Тепловые двигатели Эволюция, прогресс … истоки.
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. Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии.
Однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:
Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η
В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы. История создания теплового двигателя 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.
Пообразом 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 ц 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.
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый Д. в. с. По сравнению с паромашинной установкой Д. в. с. принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования — парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность Д. в. с., меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть).
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности Д. в. с., предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого Д. в. с. на заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898—99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого Д. в. с. становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с Д. в. с. Дальнейшее развитие автомобильных Д. в. с. позволило братьям О. и У. Райт построить первый самолёт с Д. в. с., начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 рус. инженеры установили Д. в. с. на судне «Вандал», создав первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.
По роду топлива Д. в. с. разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В Д. в. с. с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.
Газовые Д. в. с. работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта (см. Газобаллонный автомобиль).
Максимальный эффективный кпд наиболее совершенных Д. в. с. около 44%.
Основным преимуществом Д. в. с., так же как и др. тепловых двигателей (например, реактивных двигателей), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные Д. в. с., могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Д. в. с. на транспортных средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.).
Применение тепловых двигателей ЧЕРЕПАНОВЫ, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49). Построили первый в России паровоз. В 1869 году во Франции братьями Пьером и Эрнестом Мишо был создан первый мотоцикл. Он представлял собой велосипед с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок на двигателе соединялся с блоком на заднем колесе с помощью гибкого кожаного ремня. Автомобилестроение АВТОМОБИЛЬ (от авто... и лат. mobilis — подвижной, легко двигающийся), транспортная безрельсовая машина главным образом на колесном ходу, приводимая в движение собственным двигателем (внутреннего сгорания, электрическим или паровым). Первый автомобиль с паровым двигателем построен Ж. Кюньо (Франция) в 1769-70, с двигателем внутреннего сгорания — Г. Даймлером, К. Бенцем (Германия) в 1885-86. Различают автомобили пассажирские (легковые и автобусы), грузовые, специальные (пожарные, санитарные и др.) и гоночные. Скорость легковых автомобилей до 300 км/ч, гоночных до 1020 км/ч (1993), грузоподъемность грузовых автомобилей до 180 т.
Создателем первого автомобиля является немецкий инженер Карл Бенц. Но существуют более ранние модели самодвижущихся повозок, такие как мусколоход улитка Деметрия Фалернского, созданный около 2000 лет назад. Бенц, в 1885 году построил трехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания собственной конструкции, но за пределы фабрики на нем не выезжал. Когда 29 января 1886 года он оформил патент ДРП 37435 на самодвижущийся экипаж как таковой, стало возможным провести публичную демонстрацию своего детища. Выезд состоялся 3 июля 1886 года.
Десятилетие 1896 — 1905 гг. считается в истории автомобиля десятилетием первооткрывателей. Завод «Панар-Левассор» (Франция) в 1896 году построил и стал выпускать первые четырехцилиндровые моторы. Немецкая электротехническая фирма «Р. Бош» в 1897 году нашла практическое решение электрического зажигания с прерывателем. В 1901 увидел свет автомобиль «Мерседес», который явился для многих заводов образцом для подражания и стал на долгое время классической конструкцией. Механик-самоучка Иван Кулибин (1735—1818) родился в 1735 году в Нижнем Новгороде в семье мелкого торговца мукой. Его отец был старообрядцем, и сына воспитывал в строгих правилах, приучая к труду. Начав учиться, Иван уже не мог остановиться и, не имея другой возможности, стал самостоятельно изучать науки по книгам, в том числе и по сочинениям Михаила Ломоносова. Трехколесную "самокатку" Иван Кулибин изобрел в 1791 году. Самокатку приводили в движение «мускульной силой». Слуга, находившийся «на запятках», нажимал на педали, от которых шла передача через зубчатое колесо храпового механизма, насаженного на ось маховика, через коробку передач на одно из задних колес. Роль тормозов выполняли пружины. При наклоне дороги или после разгона слуга мог отдохнуть – «самокатка» ехала сама. Подшипники скольжения уменьшали трение. Модель «самокатки» не сохранилась, ее удалось восстановить по оставшимся чертежам, и теперь в Государственном политехническом музее в Москве можно посмотреть, как она работала.
Паровые машины оказались победителями среди тепловых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях и мощных судах! Экологические проблемы тепловых двигателей ЭКОЛОГЧЕСКИЙ КРИЗИС, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическое бедствие и экологическая катастрофа Загрязнения от тепловых двигателей:
Меры предотвращения загрязнений:
1.Снижение вредных выбросов. 2.Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров. 3.Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо. Перспективы использования электрических двигателей, пневмокаров, транспорта на солнечных батареях.
takya.ru
