Применение тепловых двигателей
1. Паровые машины
Раньше всего (в конце XVIII века) были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустя примерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев - это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).
Достоинства и недостатки. Основное достоинство паровой машины - ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики независимо от скорости работы. Это позволяет обойтись без редуктора, что выгодно отличает такой двигатель от двигателя внутреннего сгорания, который на малых оборотах недодает мощность. Поэтому паровая машина очень удобна в качестве тягового двигателя, например, на паровозах. К серьезным недостаткам паровых машин относятся их низкий КПД, сравнительно невысокая максимальная скорость, большой вес и постоянный расход топлива и воды.
Применения. В прошлом паровые машины были по существу единственным первичным двигателем (если не считать водяного колеса), однако в 20 в. их вытеснили электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, обладающие более высокими КПД, а также большей компактностью, эффективностью и универсальностью применения.
На повозку паровую машину поставили впервые в 1769, однако практически используемые машины появились только в 1860-х годах. В 1906 на паромобиле Стэнли был установлен мировой рекорд скорости 190 км/ч на трассе в Орландо-Бич (шт. Флорида). Однако в последующие 20 лет паровые двигатели на автомобилях были вытеснены бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Паровые двигатели проиграли соревнование по двум причинам: они замерзали зимой и были неэкономичны, поскольку требовали много топлива и воды.
2. Двигатель Стирлинга
Для применения на автомобилях рассматриваются и другие типы двигателей внешнего сгорания. В двигателе Стирлинга используется горячий воздух, гелий или водород, а не пар. Рабочий цикл двигателя осуществляется за 4 такта: сжатие, нагревание, рабочий ход, охлаждение. Рабочий газ нагревается внешним источником тепла, как в паровой машине, а охлаждается водой, постоянно циркулируя в двигателе. Этот двигатель был изобретен в 1816 шотландцем Р.Стирлингом.
Двигатель Стирлинга имеет определенные преимущества по сравнению с паровыми машинами, а именно, слабое воздействие на окружающую среду и довольно высокий КПД. Наиболее совершенные конструкции двигателей Стирлинга разработаны для судов и грузовых автомобилей.
3. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания
Самый распространенный тип современного теплового двигателя -- двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).
Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров.
Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор).
4. Дизельные двигатели
При сжатии газа его температура повышается. Это повышение температуры в двигателях Р.Дизеля (1858-1913) используется для воспламенения топливовоздушной смеси. В дизельных двигателях можно использовать сравнительно дешевое дизельное топливо вместо дорогого продукта высокой переработки нефти - бензина.
Высокая степень сжатия в дизельных двигателях обусловливает и более высокий КПД. Поэтому дизельные двигатели применяют в тех случаях, когда важен не столько вес, сколько экономичность и высокая мощность.
Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.
Заключение
К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.
В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе.
В современной технике так же широко применяют турбины. Турбины применяют на тепловых электростанциях и на кораблях.
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях. Паровые турбины устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - паровые турбины; на ж/д. тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу две-три тонны - свинца.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Выбросы вредных веществ в атмосферу - не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.
stud24.ru
Тепловые двигатели и их применение
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.
Паровые машины
Паросиловая станция.
абота этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути).
Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте
(паровозы и пароходы).
Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время
циркулирует одна и та же вода.
Рис.1. Схема оборудования
паросиловой станции
Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из
конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел.
В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и
добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает
коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют.
Паровая турбина
– тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются
преимущественно на электростанциях и на транспортных силовых установках – судовых и локомотивных, а также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и других
агрегатов.
Турбина (см. рисунок 2) состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые
лопатки (
). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки (
). Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращения
колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой
трубе.
После турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только
в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри
которого расположены трубы с проточной холодной водой.
В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при
прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных
происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.
Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применение паровых турбин на
транспорте, но очень удобно для вращения электрических генераторов.
Лопатки на рабо
чем колесе паровой турбины
Рис.2. Схема устройства паровой турбины
Весьма важной для электрических станций является возможность строить турбины на громадные мощности (до 1000
000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности других типов тепловых двигателей. Это обусловлено равномерностью вращения вала турбины. При работе
турбины отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.
Поршневая паровая машина.
Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце
XVIII
века
, в основном сохранились до наших дней. В настоящее время она частично вытеснена другими типами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, заставляющие иногда предпочесть ее
турбине. Это — простота обращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.
В основу краткой классификации паровой машины могут быть положены признаки:
по назначению
: стационарные, паровозные, судовые, локомобильные, автомобильные и др.;
по расположению и числу цилиндров
: горизонтальные, вертикальные, наклонные; одноцилиндровые и многоцилиндровые –
тандем-машины и компаунд-машины;
по числу оборотов
: тихоходные, среднеходные, быстроходные;
по давлению и способу использования отработавшего пара
: конденсационные, с выхлопом в атмосферу, с противодавлением, с промежуточным отбором пара;
по действию пара на поршень
: простого и двойного действия;
по типу парораспределения
: золотниковые, клапанные, крановые, прямоточные.
Устройство паровой машины показано на рисунке 3. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, в котором ходит поршень 2. Рядом с цилиндром расположен парораспределительный
механизм. Он состоит из золотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3 сообщается с конденсатором (в паровозах чаще всего
просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что,
когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая — через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, а
отработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когда поршень движется...
Забрать файлrefland.ru
Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать её на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Email: [email protected]
Социальные сети давно стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы узнаем из них новости, общаемся с друзьями, участвуем в интерактивных клубах по интересам
ВКонтакте >
Myslide.ru - это сайт презентаций, докладов, проектов в формате PowerPoint. Мы помогаем учителям, школьникам, студентам, преподавателям хранить и обмениваться своими учебными материалами с другими пользователями.
Для правообладателей >
myslide.ru
Тепловые двигатели и их применение
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.
Паровые машины
Паросиловая станция. Работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).
Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.
Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел.
В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют.
Паровая турбина тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются преимущественно на электростанциях и на транспортных силовых установках судовых и локомотивных, а также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и других агрегатов.
Турбина (см. рисунок 2) состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки (b). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки (a). Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращения колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе.
После турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.
В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.
Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применение паровых турбин на транспорте, но очень удобно для вращения электрических генераторов.
Весьма важной для электрических станций является возможность строить турбины на громадные мощности (до 1000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности других типов тепловых двигателей. Это обусловлено равномерностью вращения вала турбины. При работе турбины отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.
Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце XVIII века, в основном сохранились до наших дней. В настоящее время она частично вытеснена другими типами двигателей. Однако у нее есть свои досто
www.studsell.com
Условия, необходимые для работы тепловых двигателей. Простейшей машиной, при помощи которой люди давно использовали энергию излучения Солнца для получения работы, являются ветряные мельницы (ветряные двигатели). Вращение крыльев двигателя, приводящее в движение вал, совершающий какую-либо работу, возникает под действием ветра. Для возникновения ветра необходима разность давлений, а эта последняя возникает вследствие различия в температуре различных частей атмосферы. Ветер есть не что иное, как конвекционное движение атмосферы, обусловленное неравномерным нагреванием ее.
Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может быть использована для получения работы в ветряном двигателе только при условии, что имеется разность температур отдельных частей атмосферы, создаваемая поглощением лучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство. Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающая работу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело называют нагревателем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику). Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.
Машины[1], производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер.
Паросиловая станция. Раньше всего (в конце XVIII века) были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустя примерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).
Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.
Схема оборудования паросиловой станцииОна превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. Итак, круговорот воды происходит по следующей схеме:
В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. В следующих параграфах мы рассмотрим части паросиловой станции по отдельности.
Паровой котел. Он состоит из топки и собственно котла. Уголь или дрова сжигаются в топке на колосниковых решетках. Жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии; распыление обычно производится с помощью пара в форсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстия в трубке, засасывает жидкое топливо и разбрызгивает его.
Схема устройства форсунки
Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 — водотрубная часть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба для подачи воды в котел, 6 — поддувало, 7 — предохранительный клапан, 8 — заслонка в борове
На котле имеются манометр для наблюдения за давлением пара и предохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превысит допустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения за уровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опустится настолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не соприкасаются с водой, то возможен взрыв котла.
Энергия горячих топочных газов передается воде в котле не целиком. Часть ее рассеивается в котельной, часть уносится с газами в дымовую трубу. Кроме того, значительную потерю может дать неполное сгорание топлива. Признаком этого является черный дым из труб станции. Черный цвет придается дыму крупинками несгоревшего угля.
|
б) Расположение на валу ее турбины лопаток: а — направляющих, b — рабочих
Весьма важной для электрических станций является возможность строить турбины на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности других типов тепловых двигателей. Это обусловлено равномерностью вращения вала турбины. При работе турбины отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.
Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце XVIII века[2], в основном сохранились до наших дней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знавшей машин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время она частично вытеснена другими типами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, заставляющие иногда предпочесть ее турбине. Это — простота обращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.
Устройство паровой машины показано на рисунке. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, в котором ходит поршень 2. Рядом с цилиндром расположен парораспределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3 сообщается с конденсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая — через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, а отработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когда поршень движется налево (рис. б), золотник передвигается так, что свежий пар входит в правую часть цилиндра, а отработанный пар из левой части уходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, а только в начале его. После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. На паровозах обычно установлены два цилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в один цилиндр, а затем во второй. Так как пар в первом цилиндре расширяется, то диаметр второго цилиндра значительно больше первого. На паровозах, как правило, ставятся огнетрубные котлы; имеется пароперегреватель.
В конце IX и начале XX века строили паровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозах ставили конденсаторы, и пар в них циркулировал так же, как и в паросиловой станции[3].
Конденсатор. Как было указано ранее, после турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.
Схема поверхностного конденсатора
Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холодная вода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасывается от конденсатора по трубе, показанной снизу. В конденсаторах давление пара обычно значительно ниже атмосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), и воздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.). Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива приведена в табл. 25 (цифры округлены).
| Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива | |
| Топливо | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
| Керосин Бензин Уголь каменный -бурый Дерево | 44 46 30 20 10 |
Коэффициент полезного действия паросиловой станции. Энергетический баланс паросиловой станции с турбиной показан на рисунке. Он является примерным; к. п. д. паросиловой станции может быть и больше (до 27 %). Потери энергии, которые имеют место при работе паросиловой станции, можно разделить на две части. Часть потерь обусловлена несовершенством конструкции и может быть уменьшена без изменения температуры в котле и в конденсаторе. Например, устроив более совершенную тепловую изоляцию котла, можно уменьшить потери теплоты в котельной. Вторая, значительно большая часть — потеря теплоты, переданной воде, охлаждающей конденсатор, оказывается при заданных температурах в котле и в конденсаторе совершенно неизбежной. Как было отмечено ранее, условием работы теплового двигателя является не только получение некоторого количества теплоты от нагревателя, но и передача части этой теплоты холодильнику.
Примерный энергетический баланс паросиловой станции с турбиной
Большой научный и технический опыт по устройству тепловых двигателей и глубокие теоретические исследования, касающиеся условий работы тепловых двигателей, установили, что к. п. д. теплового двигателя зависит от разности температур нагревателя и холодильника. Чем больше эта разность, тем больший к. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при условии устранения всех технических несовершенств конструкции, о которых упоминалось выше). Но если разность эта невелика, то даже самая совершенная в техническом смысле машина не может дать значительного к. п. д. Теоретический расчет показывает, что если термодинамическая температура нагревателя равна Т1, а холодильника Т2, то к. п. д. не может быть больше чем
Так, например, у паровой машины, пар который имеет в котле температуру 100 °С (или 373 К), а в холодильнике 25 °С (или 298 К), к. п. д. не может быть больше (373—298)/373=0,2, т. е. 20 % (практически, вследствие несовершенства устройства, к. п. д. такой установки будет значительно ниже). Таким образом, для улучшения к. п. д. тепловых машин нужно перейти к более высоким температурам в котле, а следовательно, и к более высоким давлениям пара. В отличие от прежних станций, работавших при давлении 12—15 атм (что соответствует температуре пара 200 °С), на современных паросиловых станциях начали устанавливать котлы на 130 атм и более (температура около 500°С).
Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижать температуру в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым. При очень низких давлениях плотность пара очень мала и при большом количестве пара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины и конденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.
Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по пути использования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающей конденсатор.
Примерный энергетический баланс ТЭЦ
Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей в химической или текстильной промышленности. Можно также производить расширение пара в турбинах только до давления 5—6 атм. Из турбины при этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промышленных целей.
Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей не только электрической энергией, полученной за счет механической работы, но и теплотой. Она называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энергетический баланс ТЭЦ представлен на рисунке.
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Перейдем теперь к другим типам тепловых двигателей. Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).
Рассмотрим устройство четырехтактного бензинового двигателя автомобильного типа. Устройство двигателей, устанавливаемых на тракторах, танках и самолетах, в общих чертах сходно с устройством автомобильного двигателя.
Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
|
|
Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания
I такт — всасывание. Открывается впускной клапан /, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.
II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
III такт — сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.
IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.
Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).
Схема устройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля
Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имеющего место при нормальной работе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно действует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры 1. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе 2. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором 3.
Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенные двухтактные двигатели.
Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор). Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям для уменьшения частоты вращения (например, к зубчатой передаче).
Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.
Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.
Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получается более высокая температура во время горения смеси. Однако в двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более 4—5-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.
Это затруднение обойдено в двигателе, сконструированном в конце XIX века Р. Дизелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически показано на рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500— 600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр вбрызгивается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором[4]. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобильном двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затем производится выбрасывание отработанных газов.
Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.
Схема двигателя Дизеля
Схема устройства реактивного двигателяПередача теплоты от холодного тела к горячему. Мы убедились на ряде примеров, что работа производится тогда, когда теплота переходит от горячего тела (нагревателя) к холодному (холодильнику), причем холодильник получает меньше теплоты, чем отдает нагреватель. Внутренняя энергия нагревателя убывает не только потому, что он передает теплоту холодильнику, но также и потому, что производится работа.
Выясним, при каких условиях имеет место обратный процесс — передача теплоты от холодного тела к горячему?
Примером такого рода могут служить холодильные машины, применяемые в пищевой промышленности (для изготовления мороженого, для хранения мяса и т. п.). Схема устройства компрессорной холодильной машины является обратной устройству паросиловой установки.
Она показана на рисунке. Рабочим веществом в холодильной машине обычно служит аммиак (иногда углекислый газ, сернистый ангидрид или какой-либо из галоидоводородов, получивших специальное название «фреоны»). Компрессор 1 нагнетает пары аммиака под давлением 12 атм в змеевик 2 (он соответствует конденсатору). При сжатии пары аммиака нагреваются, и их охлаждают в баке 3 проточной водой. Здесь пары аммиака обращаются в жидкость. Из змеевика 2 аммиак через вентиль 4 поступает в другой змеевик 5 (испаритель), где давление около 3 атм.
Схема устройства компрессорной холодильной машины
Схема устройства абсорбционной холодильной машины
Возникает вопрос, почему в конденсаторе газообразный аммиак сжижается, а в испарителе он испаряется, хотя температура испарителя ниже, чем температура конденсатора? Это достигается благодаря тому, что вся система заполнена водородом при давлении около 20 атм. Когда нагревают генератор, то газообразный аммиак выделяется из кипящего раствора, причем давление его доходит примерно до 20 атм. Аммиак вытесняет водород из верхней части генератора и конденсатора в испаритель и абсорбер. Таким образом, аммиак в конденсаторе находится под собственным высоким давлением и поэтому сжижается при температуре, близкой к комнатной, в испаритель же жидкий аммиак попадает под низким парциальным давлением, а находящийся в испарителе водород обеспечивает нужное суммарное давление, равное давлению в конденсаторе и других частях системы.
Смесь водорода и газообразного аммиака из испарителя переходит в абсорбер, где аммиак растворяется в воде, что вызывает нагревание раствора, а водород проходит сквозь теплый раствор и, нагревшись там, переходит благодаря конвекции в холодный испаритель. На место же растворившегося аммиака в испарителе испаряются его новые порции, вызывая дальнейшее охлаждение испарителя. Преимущество этой конструкции состоит в отсутствии движущихся механических частей. Циркуляция аммиачного раствора (между 1 и 4) и циркуляции водорода (между 4 и 3) осуществляется за счет разности плотностей, обусловленной разностью температур (раствор в 1 горячее, чем в 4, а водород в 4 теплее, чем в 3).
Итак, чтобы осуществить передачу теплоты от холодного тела к горячему, нужно произвести работу внешней силой. При этом горячее тело получит не только то количество теплоты, которое отдано холодным телом, но также и то, которое эквивалентно произведенной работе.
www.coolreferat.com
Тема: «Практическое применение тепловых двигателей»
Цели:
Учебные – познакомить учащихся с принципом действия тепловых двигателей, их применением.
Воспитательные – умение самостоятельно добывать знания, умение логически мыслить, сравнивать, рассуждать, применять знания в новой ситуации.
Оборудование: таблицы, модели.
Эпиграф: «Душа науки – это применение ее открытия» (У.Томсон)
ПЛАН УРОКА
Сегодня у нас заключительный урок по теме «Тепловые явления» и как сказал У.Томсон «Душа науки – это применение ее открытия». Вот сегодня мы и поговорим о применении законов термодинамики, о тепловых двигателях.
Сегодня у нас урок – конференция, на котором присутствуют физики, инженеры, врачи, экологи, эксперты, журналисты газеты «Фотон».
План конференции следующий:
1.Принципы действия тепловых двигателей
2. Сади Карно и его изобретение - физики
3. КПД идеальной машины
4. Паровые машины
5. Паровые турбины - инженеры
6. Двигатели внутреннего сгорания
7. Дизель
8. Ракетный двигатель
9. Тепловые двигатели и экология – здесь выступают врачи, экологи, эксперты. Журналисты задают вопросы после выступления.
Итог их работы – газета.
Заключение – стихотворение А.К.Мартынова.
Заключительное слово учителя.
А закончить нашу конференцию я хотела бы словами П.И.Чайковского:
«Могущество страны не только в одном материальном богатстве, но и в духе народа. Чем шире, свободнее эта душа, тем большего величия и силы достигает государство. А что воспитывает широту духа, как не эта удивительная природа! Ее надо беречь, как мы бережем жизнь человека. Потомки никогда не простят нам опустошения земли, надругательства над тем, что по праву принадлежит не только нам, но и им. А продолжить разговор о физике и экологии предлагаю на научно-практической конференции, которая состоится весной. Ее тема: «Физика и экология». Выступление физиков:
I. История теплового двигателя.
Тепловые двигатели создали в давних времен. Еще в III веке до н.э. великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетии в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Примерно III столетиями позже в художника в Александрии – культурном и богатом городе на побережье Средиземного моря – и работал выдающийся ученый Герон, на которого историки назвали Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал разные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона был описан шар, вращающийся с помощью пара, но это изобретение не нашло применения и осталось игрушкой.
Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и культуры Леонардо да Винчи задумывается над тем, как можно использовать внутреннюю энергию пара. В его рукописях мы находим несколько рисунков с изображение цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи полагал, что образовавшийся в результате нагрева пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме будет искать и толкать поршень. Во время движения поршень мог бы совершать работу.
Примерно через 100 лет после Леонардо да Винчи итальянец Бранно описал двигатель в котором использовалась энергия пара в другом виде. Это было колесо с лопатками в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо вращалось. Таким образом, по существу была изобретена паровая турбина.
Над изобретением паровой машины трудились многие – Томас Севери, Томас Нью-Комен, Дени Капен, Ползунов, Сади Карно и другие.
Выступление физиков. Сади Карно и его изобретение.
Если техника в значительной степени зависит от состояния науки, то в гораздо большой мере наука зависит от состояния потребностей техники. Если у общества появляется техническая потребность, то она продвигает науку вперед больше, чем десяток университетов. Ф.Энегельс.
Таким был Сади Карло. Сади Карло родился I июня 1796 года в Париже. Он был сыном Лазаря Карно, математика и французского политического деятеля.
В 1812 году Сади Карно поступил в Политехническую школу. Эта школа ставила своей задачей подготовку гражданских и военных инженеров в которых нуждалась молодая республика. Из политехнической школы вышла целая плеяда знаменитых математиков, физиков, инженеров. В конце 1819 года в чине поручика он перешел на службу в Генеральный Штаб.
Сади Карно был молодым офицером, страстным любителем музыки и искусства, неустанный спортсмен, он находил время для занятий науками, с особым увлечением работал над теорией тепла. Карно создал единственную книгу “Размышления о движении силы огня и о машинах способных развивать эту силу”.
Сади Карно умер в 1832 году от холеры. Работа Карно вошла в сокровищницу мировой науки и поставила его в ряды основоположников термодинамики.
Изобретение паровой машины поставило перед наукой задачу теоретически исследовать работу паровой машины для повышения их КПД. Основу термодинамики составляют два закона:
Первый закон, это закон о сохранении и превращении энергии он выражает связь между количеством теплоты и изменением внутренней и внешней энергии системы.
Первый закон отрицает возможность создания вечного двигателя. Во втором законе говорится о направлении в каком происходит превращение энергии. Согласно этому закону превращение теплоты в работу возможно только при наличии нагревателя и холодильника в тепловых машинах используется только часть энергии, математически это выражается формулой
Где
Второй закон отрицает возможность запаса внутренней энергии без перевода ее на более низкий температурный уровень, т.е. без холодильника.
Значение первого и второго законов колоссально, они предупреждают инженеров и техников от нереальных фантазий и указывают им реальный путь усовершенствования машин.
Тепловые двигатели появились в XVIII столетии, в период бурного развития текстильной и металлургической промышленности. В те годы, когда жил Карно норовые машины имели очень низкий КПД. Это навело его на мысль исследовать причины столь явного не совершенства.В своём исследовании Карно исходи из ошибочной теории, считал, что количество энергии не уменьшается в процессе работы. В своей работе он писал: “Недостаточно добыть теплоту, нужно ещё добыть холод, без чего теплота стала бы бесполезной…” Так несмотря на ложность теории Карно приходит к правильным выводам.
Круговой процесс в результате которого некоторое количество тепла переносится от горячего тела к холодному в идеальной тепловой машине называется циклом Карно.
КПД вычисляется по формуле
Можно доказать, что для сочетания изометрических и адиабатных процессов в машине Карно
Тогда предыдущую формулу можно записать
Это равенство называется формулой Карно. Чем выше и ниже , тем выше КПД.
Однако повысить КПД трудно (Размягчаются лопасти турбин)
Физик. Принцип действия тепловых двигателей
Тепловым двигателем называют устройство, которое превращает внутреннюю энергию обычного или ядерного топлива в механическую энергию, которая выделяется при сгорании топлива или ядерной реакции передаётся путём теплообмена какому-то газу. При расширении газа совершается работа, против внешних сил и приводит в движение какой-нибудь механизм.
Газ в тепловом двигатели не может беспредельно расширяться, ибо устройство имеет конечные размеры. Поэтому устройство должно быть таким, чтобы после расширения газа был снова сжат до первоначального объёма. Тепловой двигатель должен работать циклически. В течение цикла после расширения следует сжатие газа. Реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу: после расширения газ выбрасывается и сжимается новая порция.
Термодинамические процессы происходящие в тепловом двигатели могут быть рассмотрены в замкнутом цикле, когда расширяется и сжимается одна и та же порция газа.
Работа расширения газа в течение одного цикла должна превышать работу сжатия, которую совершает над газом внешние силы. Это условие необходимо для того, чтобы двигатель мог совершить полезную работу. Температура газа при его сжатии должна быть ниже, чем при расширении тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении и будет выполнено условие, необходимое для совершения полезной работы.
Любой тепловой двигатель, от его конструктивных особенностей, состоит из трёх основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника. Рабочее тело – газ или пар – при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Температура T1 нагревателя остаётся при этом постоянной за счёт сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, телу постоянной температуры T2, меньше чем T1. Давление газа при сжатии ниже , чем при расширении, и это обеспечивает полезную работу двигателя.
, КПД не зависит от природы рабочего тела и определяет только температурой нагревателя T1 и холодильника T2, но практически невозможно осуществить условия T1- и теоретически невозможно осуществить холодильник, у которого T2 = 0
Вступление инженеров
1. Первая паровая машина
«Двигатель, универсальный по своему техническому применению”- такое определение дал паровой машине К.Маркс.
100 лет она была единственным промышленным двигателем буквально всюду: на предприятиях, на железной дороге и на флоте. Паровые машины стояли и на первых автомобилях. Они вращали роторы первых электрических станции. На транспорте паровые машины работали вплоть до 50-х годов XX века. Кое-где находят применение пароходы и паровозы и сейчас.
Первая паровая машина двойного действия, т.е. такая, у которой пар подавался поочерёдно, то с одной, то с другой стороны поршня, была построена в 1784 году Д.Уаттом.
Главная её часть цилиндр, закрытый с обоих концов крышками, сквозь одну из них пропущен шток (стержень) на котором внутри цилиндра крепится поршень, снаружи цилиндра шток уходит по направляющим и с помощью шатуна соединяется с кривошипом и валом. На валу сидит маховик, благодаря которому и происходит вращение вала, а следовательно и движение поршня происходит более равномерно. Подачу пара в поршень регулирует золотник. Особое приспособление – кулиса позволяет изменять моменты впуска пара в цилиндр, регулировать длительность впуска – мощность машины, давать задний ход, и останавливать машину.
Пар, выходящий из цилиндра, можно просто выпускать в воздух. Однако это не выгодно, потому, что иногда его энергия будет использована не до конца. И если, на паровозах, где мало места, с этим приходилось мириться, то на морских судах, энергетических установках пар выпускают в конденсатор – охлаждаемый водой сосуд, где пар превращается в воду, конденсируется. При этом в конденсаторе образуется разряжение и на поршень действует уже увеличенная почти 0,1Мпа разность давлении между свежим и обработанным паром. Именно благодаря конденсатору, Уатту удалось получить от своей машины увеличенную мощность. Воду из конденсатора направляют снова в котёл.
К началу XX века паровые машины достигали мощности 15МВт, самые быстроходные из них развивали скорость до 1000 оборотов в минуту, а КПД их возрос с 0,5 до 20%. И все-таки они уже не соответствовали тем требованиям предъявляемые к технике. Они были тяжёлыми, громоздкими и не обещали никакого дальнейшего повышения экономичности. Их все больше и больше вытесняли паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания.
2. Паровые турбины.
Паровая турбина представляет собой рабочее колесо с лопатками, на которые подаётся пар расширяется из котла под высоким давление. Внутри турбины пар расширяется и охлаждаясь переходит в конденсатор. Первые паровые турбины появились в конце XIX столетия. Мощность первой турбины составляла 5 л.с., 30 тысяч оборотов в минуту. Современные турбины достигают мощности в миллионы КВТ.
Паровая турбина – быстроходный двигатель, вам которого делает тысячи оборотов в минуту. По сравнению с поршнем турбина имеет ряд преимуществ. При равной мощности она занимает меньше места, её вал вращается плавно и равномерно. КПД турбины больше, чем поршневой паровой машины. Паровые турбины служат главным двигателем на ТЭЦ.
3. Двигатели внутреннего сгорания.
Для того чтобы повысить температуру нагревателя и уменьшить потери энергии в окружающую среду, удобно сжигать горючее непосредственно в рабочем цилиндре теплового двигателя. На этом основано устройство двигателей внутреннего сгорания.
Различают два основных типа двигателей внутреннего сгорания.
Система охлаждения может быть жидкой и воздушной. Жидкостная система состоит из рубашек, цилиндров и головок, заполненных охлаждающей жидкостью, насоса, радиатора, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемый вентилятором и устройством регулирующим температуру воды. Максимально эффективный КПД наиболее совершенного двигателя внутреннего сгорания около 44%.
Дизель.
Дизель – это двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Воспламенение в цилиндре дизеля происходит при впрыску топлива в воздух, нагретый до высокой температуры в результате сжатия поршнем. Дизель назван по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, построившего в 1897 году первый двигатель с воспламенением от сжатия. Дизели относятся к наиболее экономичным двигателям. Его КПД – 31–44%. Частота вращения вала дизеля обычно 100-3000 об/минуту. Увеличение частоты вращения двигателя ограничивается временем, необходимым для смесеобразования. Область применения Дизеля обширна – грузовые машины, автобусы, передвижные и стационарные энергетические установки.
Совершенствование Дизеля осуществляется путём повышения удельной мощности частоты вращения, надёжности и долговечности, расширения ассортимента применяемых топлив.
Реактивный двигатель.
Реактивным двигателем называют ракету, установленную в качестве двигателя на какое-либо средство транспорта. Они широко применяются в авиации, военной и космической техники. В реактивных двигателях, часто используется жидкое топливо и большое количество воздуха. Топливо сгорает в камере сгорания и с большой скоростью выбрасывается через сопло. Для увеличения скорости реактивной струи соплу придают специальную форму. Кроме того выбирают топливо дающее возможно большую температуру сгорания, т.к. скорость реактивной струи растёт при увеличении температуры газа, образующего струю. Предел повышения температуры струи ставит только жароупорность существующих материалов.
Выступление экологов
Автомобильная опасность
С 1923 года авиационные, судовые и автомобильные двигатели выбрасывают свинец в атмосферу во всех возрастающих количествах. При сгорании литра горючего в воздухе попадает 200-400 свинца. В некоторых крупных американских городах и европейских, переполненных автомобилях, содержание свинца в атмосфере уже достигло или приближается к опасной концентрации. Считают, что явные признаки свинцового отравления – анемия, головные боли, мышечные боли – появляются при его содержании в крови в концентрации 0,80 частей на 1 млн. Это опасный рубеж. Это начало болезни.
Углеводороды и другие летучие органические соединение: эта группа включает в себя бензин, растворители для красок и растворы органических чистящих веществ, переходящие в воздух в виде паров.
Угарный газ очень ядовит. Основной причиной тумана является выхлопные газы автомобилей. Явно выраженный фотохимический туман наблюдается в Лос-Анджелесе более 69 дней в году, потому что в Лос-Анджелесе имеется более 4 млн. автомобилей, отсюда и пошла печальная слава этого города, как родины фотохимического тумана- явления, искусственно созданного человеком.
Все виды транспорта наносят большой ущерб биосфере, но наиболее опасен для неё авто транспорт.
Автомобили расходуют огромное количество топлива. А его источники исчерпаемы, и их осталось на земле не так уж много. Особенно быстро тают запасы нефти, из которой получают бензин. Кроме того, при добыче нефти и транспортировке и переработке на нефтеперерабатывающих предприятиях загрязняются почвенные воды и атмосфера. Наконец, в автомобильных катастрофах на дорогах гибнет много людей.
Причина летнего листопада – высокое содержание свинца в воздухе. Деревья тяжело переносят свинцовое отравление. Но концентрируя свинец, они тем самым очищают воздух. В течение вегетационного периода одно дерево обезвреживает соединение свинца, содержащиеся 130 литрах бензина.
Рассеиваемый вдоль автострад свинец включается в биологический круговорот. Скот получает его, поедая траву, человек – с овощами, плодами, молоком и, конечно, через вдыхаемый воздух. Австралийские исследователи считают, что если в течении достаточно длительного времени в кормах будет содержаться по 100 мг свинца на 1 кг сухого вещества, то концентрация в конце концов может оказаться гибельной для крупного рогатого скота. Что же наблюдается в действительности? Даже на расстоянии в 150 км от автострады с напряжённым движением в траве накапливается 50 мг свинца на 1 кг сухой массы. А у обочин дорог в ФРГ в некоторых случаях было отмечено его содержание до 7000мг, в то время как фоновая величина была ровна всего 2-10мг.
Основные загрязнители воздуха:
Экологическое состояние Москвы
Воздушный бассейн в зонах автомобильных автомагистралей интенсивно загрязнён. Индекс загрязнения воздуха на Варшавском шоссе и Сухаревской площади имеет максимальное значение 14,5 (среднее по городу 3-5), содержание диоксида азота на Варшавском шоссе превышает 2;5 ПДК. Снеговой покров и почвы загрязнены. Транспортные и автомобильные магистрали являются также источниками акустического дискомфорта.
В США автомобильная болезнь выражена больше чем где-либо в мире. Под стоянками автомобильного транспорта занято до 1/3 площади городов. Миллиард часов в год американцы проводят в автомобильных пробках, при этом расходуется 8 млрд. литров бензина. Жители только одного Лос-Анджелеса проезжают в день расстояние от Земли до Марса. Машинное масло даёт 40% загрязнения водоёмов, 1 литр его способен отправить 1 млн. литров питьевой воды.
Исследование лаборатории Госсанэпиднадзора РТ показали, что в каждой девятой пробе воздуха, взятой в Казани, превышено содержание предельно допустимых концентрации вредных веществ.
Ежегодно атмосфера столицы республики “обогащается” 10642 тоннами летучих органических соединений, 11618 – оксидов азота и 5460 – оксидов углерода. Наибольшей вред наносит автомобильный транспорт, на долю которого приходится 70% вредных выбросов. А ведь каждый год армия “частников” увеличивается на 15-20%
Не отстают от транспортников и промышленники, разделившие между собой “сферы влияния” в атмосфере следующие: предприятия теплоэнергетического комплекса, загрязняют 44,98% воздушного пространства, химии и нефтехимии – 29,9%, строительного комплекса – 10,41%, машиностроения – 6,21%.
Выступление врачей
С 1923 года авиационные, судовые и автомобильные двигатели выбрасывают свинец в атмосферу во всех возрастающих количествах.
В медицине известны случаи свинцовых отравлений, которые происходят на металлургических предприятиях. Это тяжёлое заболевание организма, сопровождающееся поражением объёма веществ.
Кроме того, бывает медленное, незаметное отравление организма, результаты которого имеют генетические последствия. Повышенное содержание свинца в овощах и фруктах, выращенных вблизи автострад, а также в молоке коров, которым скармливалась загрязнённая трава, представляет опасность для человека. Однако главная опасность – это свинец, рассеянный в воздухе. В кубическом метре воздуха городов Европы содержится в среднем 1-3 мг свинца. Соединение этого металла через лёгкие поступают в кровь человека. Под влиянием загрязнённого воздуха содержание металла в крови поднимается до 80 млг и выше этого верхнего порога концентрации. Аналогичное положение имеет место в других странах Западной Европы, в Японии, США.
Средний уровень содержания свинца в крови у Американцев около 0,25 частей на 1 млг. У представителей некоторых профессий – механиков гаражей, работников зап. станции и полицейских – эта цифра поднимается до 0,34 – 0,40, а у детей “улицы” до 0,40 – 0,60
Городской воздух отправляется не только промышленными газами, пылью и выхлопными газами автомобилей, немалый вклад вносит и воздушный транспорт.
Городской воздух отправляется не только промышленными газами, пылью и выхлопными газами автомобилей, немалый вклад вносит и воздушный транспорт.
Власти нескольких крупных городов, в том числе Нью–Йорка, Филадельфии, Балтимора и др. объявили, что загрязнение воздуха достигло опасного уровня. Старожилы Нью-Йорка хорошо знают, что такое отравленный воздух. В 1935 году за несколько суток температурной инверсии погибло более 200 человек, в 1963 году – более 400, а в 1966 – около 200.
Зимой воздух в Анкаре самый загрязнённый в мире. В турецкой столице меньше 100 тысяч автомобилей и очень мало заводов, так что не они главные отравители города. Воздух загрязняет в основном дым печей, которыми отапливаются в основном частные дома. Анкара оказалось ловушкой для смога. За последние 10 лет число заболеваний раком лёгких в Анкаре увеличилось в 10 раз, хроническим бронхитом в 11 раз, в то время как численность выросла только в 2 раза. Многие считают, что в Анкаре через 15 лет нельзя будет жить. Известные тяжёлые заболевания, возникающие вблизи индустриальных заводов, центров и связанные с поступлением в организм людей рассеянных металлов. Значительно менее известна, а потому более опасна скрытая ядовитость, проявляющаяся неожиданно и уносящая многочисленные жертвы, иногда далеко от источников загрязнения. Это связано с механическим перемещением тяжёлых металлов и их способностью концентрироваться в пищевых продуктах.
Запросы журналистов
Чтобы уменьшить пагубное влияние автомобильного транспорта на природу следует уменьшить количество выбросов, движение по улицам делать без остановочным, т.к. особенно много выхлопных газов автомобиль выделяет в момент торможения. Особенно высоко содержание выхлопных газов в атмосферу у светофоров, и в местах заторов движения в часы “пик”, если у перекрёстков образуется пробки автотранспорта, машины выжигают кислород и насыщают атмосферу выхлопными газам. Маршруты грузового автотранспорта следует выносить за город на объездные дороги. Можно создать пешеходные зоны. Вдоль дорог посадить как можно больше деревьев и кустарников.
В настоящее время все легковые автомобили проходят проверку выхлопных газов на содержание вредных веществ.
Желательно чтобы такую проверку проходили все машины, особенно городской транспорт, т.к. он является наиболее загрязнителем воздуха.
Сильнее всего автомобильная болезнь выражена в США. В Европе особенно Восточной, ситуация не так остра, так в Венгрии 58% поездок население совершает на общественном транспорте, 31% на велосипеде или пешком и лишь 3% на собственном автомобиле. В США лишь 3% на общественном транспорте и 10% на велосипеде или пешком. 81% на легковых автомобилях.
В России хорошо развита система внутригородского и меж городского транспорта и поэтому роль легковых автомобилей никогда не будет ведущей. В Токио на городском транспорте ездят более 80% горожан. По прогнозу к 2030 году отношение легковых автомобилей и велосипедов составит 1:10 (в настоящее время 1:2). Автомобили будут тратить 4 литра топлива на 100 км пути, широкое распространение получат электромобили и автомобили, работающее на водородном топливе.
В городском общественном транспорте будут расти роль трамваем и троллейбусов.
Журналисты: обладающие огромным могуществом современный человек обязан быть внимателен к природе, обязан беречь её.
Слышу я природы голос,Порывающийся крикнуть,
Как и с кем она боролась,
Может быть, и не во имя
Обязательно нас с вами,
Мыслящими существами.
И твердит Природы голос:
В вашей власти, В Вашей власти,
Чтобы всё не раскололось
На бессмысленные части.
А.Н.Мартынов.
uverenniy.ru
Тепловые двигатели и их применение
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.
Паровые машины
Паросиловая станция. Работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).
Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.
Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел.
В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют.
Паровая турбина – тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются преимущественно на электростанциях и на транспортных силовых установках – судовых и локомотивных, а также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и других агрегатов.
Турбина (см. рисунок 2) состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки (b). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки (a). Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращения колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе.
После турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.
В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.
www.wikidocs.ru
