Курсовая работа: Тепловые двигатели 2. Реферат тепловые двигатели

Реферат : Тепловые двигатели (работа 1)

Тепловые двигатели и их применение

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

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

Машины1, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер.

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

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

Схема оборудования паросиловой станции

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

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

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

Схема устройства форсунки

Котел состоит из барабана и труб, через стенки которых теплота от горячих топочных газов передается воде. Иногда вода находится снаружи труб, а по трубам идут топочные газы (огнетрубный котел, дымогарные трубы). Иногда, наоборот, вода находится внутри труб, а горячие газы омывают их (водотрубный котел). Во многих паровых котлах пар подвергается перегреванию в особых змеевиках, омываемых горячими газами. При этом он из насыщенного делается ненасыщенным. Этим достигается уменьшение конденсации пара (на стенках паропроводов и в турбине) и повышается к. п. д. станции.

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.

с)

Лопатки на рабочем колесе паровой турбины

аровая турбина. Из котла пар по паропроводу поступает в турбину или в поршневую машину. Рассмотрим сначала турбину (а). Турбина состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал ее с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки (б и с), где изображено одно из рабочих колес с соплом). 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 (а). 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.

а) Схема устройства паровой турбины,

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 века2, 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.

Устройство цилиндра и золотниковой коробки паровой машины а) Пар входит в цилиндр слева б) Пар входит в цилиндр справа

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 станции3.

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

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

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

Примерный энергетический баланс паросиловой станции с турбиной

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

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

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

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

Примерный энергетический баланс ТЭЦ

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

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

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

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

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

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

нутри цилиндра может передвигаться поршень. Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящими кольцами 2, влож

енными в канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим стержнем 3 (

«пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу 5.

Устройство карбюратора

ерхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке. Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозь отверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемый при помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он как раз доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь при натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 и тем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя с большой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его (пульверизатор, § 182). Таким образом получается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7. Работа двигателя состоит из четырех тактов.

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.

Энергетический баланс автомобильного двигателя

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.

Степень сжатия есть отношение объема газа в цилиндре при положении поршня I к объему при положении поршня II

то 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 компрессором4. 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

Реактивные двигатели. Реактивная струя создается реактивным двигателем, являющимся по существу двигателем внутреннего сгорания. На рисунке показана схема устройства одного из типов реактивных двигателей, устанавливаемых на самолетах. Двигатель заключен в цилиндрический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло). Воздух входит в переднее отверстие (это показано стрелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется, образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затем вырываются через сопло из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолет с силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.

Схема устройства реактивного двигателя

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

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

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

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

Схема устройства компрессорной холодильной машины

При прохождении через вентиль часть аммиака испаряется и температура понижается до —10 °С. Из испарителя аммиак отсасывается компрессором. Испаряясь, аммиак заимствует теплоту, необходимую для испарения, от окружающего испаритель соляного раствора (рассола). Вследствие этого рассол охлаждается примерно до —8°С. Таким образом, рассол играет роль холодного тела, отдающего теплоту горячему телу (проточной воде в баке 3). Струя охлажденного рассола направляется по трубам в охлаждаемое помещение. Искусственный лед получают, погружая в рассол металлические коробки, наполненные чистой водой.

Кроме компрессорных холодильных машин, для бытовых целей применяют абсорбционные холодильные машины, где сжатие рабочего газа достигается не при помощи компрессора, а путем абсорбции (поглощения, растворения) в подходящем веществе. Так, в бытовом холодильнике крепкий водный раствор аммиака (Nh4) нагревается электрическим током в генераторе 1 и выделяет газообразный аммиак, давление которого достигает 20 атм. Газообразный аммиак после осушки (в осушителе, не показанном на схеме) конденсируется в конденсаторе 2. Сжиженный аммиак поступает в испаритель 3, где он вновь превращается в газ, заимствуя у испарителя значительное количество теплоты. Газообразный аммиак абсорбируется (растворяется в воде) в абсорбере 4, где, таким образом, вновь образуется крепкий раствор аммиака, который перетекает в генератор 1, вытесняя оттуда обедненный (после выделения газа) раствор в абсорбер. Так осуществляется непрерывный цикл, причем внутри охлаждаемого объема (шкафа) помещается испаритель (сильно охлаждаемый при испарении аммиака), а все остальные части расположены вне шкафа.

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.

topref.ru

Реферат - Тепловые двигатели - Рефераты на репетирем.ру

Тепловые двигатели

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС) , существующий в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и дизеля.

Бензиновый ДВС работает на жидком горючем (бензине, керосине и т.п.) или на горючем газе (сохраняемом в усатом виде в стальных баллонах) . Сегодня проектируются ДВС, в которых в качестве горючего будет использоваться водород.

Основная часть ДВС - один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, к слову сказать, и название двигателя.

Внутри цилиндра движется поршень - металлический Итакан, опоясанный пружинящими кольцами, которые не Пропускают газы, образовавшиеся при сгорании топлива, промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Пордвень снабжен металлическим стержнем пальцем, который соединяет поршень с шатуном. Последний передает движение поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя клапанами. Через один из клапанов - впускной - подается горючая смесь, через другой выпускной - удаляются продукты сгорания. Здесь же помещается свеча приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.

Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный ДВС.

1-ый такт - впуск (всасывание) . Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь.

2-ой такт сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

3-ий такт рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

4-ый такт выпуск (выхлоп) . Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов только один - третий - является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию) , за счет которого коленчатый вал вращается в течение остальных тактов.

Дизель - другой тип ДВС. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Это основное отличие дизеля от обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания. Первый дизельный двигатель был построен в 1897 году немецким ученым Рудольфом Дизелем (1858-1913) , по имени которого и называется.

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Использовать внутреннюю энергию - это значит совершить за счет нее полезную работу, то есть превращать внутреннюю энергию в механическую. В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой) , пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.

Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и способен свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

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

Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

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

В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. 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 ршсе великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

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

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

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.

Все эти недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре.

А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.

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

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

Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно <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 другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819) . Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.

В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса.

Уже потом было придумано <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.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС) . Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существуют два типа двигателей внутреннего сгорания - бензиновый ДВС и дизель (см. Двигатель внутреннего сгорания) .

Для оценки теплового двигателя важно знать, какую часть энергии, выделяемую топливом, он превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД) .

КПД теплового двигателя - это отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива.

Первый дизель (1897 г.) имел КПД 22%. Паровая машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, современный стационарный дизель имеет КПД 34-44%.

referat.store

Реферат - Тепловые двигатели - Физика

и их применение

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

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

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

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

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

Схема оборудования паросиловой станции

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

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

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

Схема устройства форсунки

/> /> Котелсостоит из барабана и труб, через стенки которых теплота от горячих топочныхгазов передается воде. Иногда вода находится снаружи труб, а по трубам идуттопочные газы (огнетрубный котел, дымогарные трубы). Иногда, наоборот, воданаходится внутри труб, а горячие газы омывают их (водотрубный котел). Вомногих паровых котлах пар подвергается перегреванию в особых змеевиках, омываемыхгорячими газами. При этом он из насыщенного делается ненасыщенным. Этимдостигается уменьшение конденсации пара (на стенках паропроводов и в турбине) иповышается к. п. д. станции.

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

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

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

/> />

с)

Лопатки на рабочем колесе паровой турбины

Паровая турбина. Из котла пар по паропроводу поступаетв турбину или в поршневую машину. Рассмотрим сначала турбину (а). Турбинасостоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал ее с укрепленнымина нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутыелопатки (б и с), где изображено одно из рабочих колес с соплом). Междурабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки. Пар, вырываясь изпромежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочегоколеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращенияколеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины паррасширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит изнее по очень широкой трубе (а). Отметим, что турбина может вращатьсятолько в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широкихпределах. Это затрудняет применение паровых турбин на транспорте, но оченьудобно для вращения электрических генераторов./> /> а)Схема устройства паровой турбины,

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

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

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

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

/> /> Устройство цилиндра и золотниковой коробки паровой машины а) Пар входит в цилиндрслева б) Пар входит в цилиндр справа

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

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

Схема поверхностного конденсатора

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

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

Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг

Керосин

Бензин

Уголь каменный

-бурый

Дерево

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

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

Примерныйэнергетический баланс паросиловой станции с турбиной

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

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

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

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

Примерныйэнергетический баланс ТЭЦ

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

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

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

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

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

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

Внутри цилиндра может передвигаться поршень. Поршень представляетсобой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящимикольцами 2, вло/> /> женнымив канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — непропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнеми стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическимстержнем 3 /> /> («пальцем»),служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою очередь служитдля передачи движения от поршня коленчатому валу 5.

Устройство карбюратора

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытымиклапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, черездругой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок,прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков,помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредствомстальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещаетсятак называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредствомэлектрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрическихприборов (магнето или бобины)./> /> Весьмаважной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси— карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке. Если в цилиндреоткрыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозьотверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединеннойс поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемыйпри помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он какраз доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь принатекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 итем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя сбольшой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его(пульверизатор, § 182). Таким образом получается горючая смесь (пары бензина ивоздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7. Работадвигателя состоит из четырех тактов.

/> Четыретакта работы двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

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

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

Схемаустройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля

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

Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенныедвухтактные двигатели.

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

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

/> /> Энергетическийбаланс автомобильного двигателя

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

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

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

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

/> Схемадвигателя Дизеля

/> /> Реактивныедвигатели. Реактивная струя создается реактивным двигателем, являющимся по существудвигателем внутреннего сгорания. На рисунке показана схема устройства одногоиз типов реактивных двигателей, устанавливаемых на самолетах. Двигательзаключен в цилиндрический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие)и сзади (выходное сопло). Воздух входит в переднее отверстие (это показанострелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных навращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя егопри этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскиваетсягорючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется, образуя газывысокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу,по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затемвырываются через сопло из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающиедвигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолетс силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.

Схемаустройства реактивного двигателя

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

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

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

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

Схемаустройства компрессорной холодильной машины

/> /> Припрохождении через вентиль часть аммиака испаряется и температура понижается до—10 °С. Из испарителя аммиак отсасывается компрессором. Испаряясь, аммиак заимствуеттеплоту, необходимую для испарения, от окружающего испаритель соляного раствора(рассола). Вследствие этого рассол охлаждается примерно до —8°С. Таким образом,рассол играет роль холодного тела, отдающего теплоту горячему телу (проточнойводе в баке 3). Струя охлажденного рассола направляется по трубам вохлаждаемое помещение. Искусственный лед получают, погружая в рассолметаллические коробки, наполненные чистой водой./> /> Кромекомпрессорных холодильных машин, для бытовых целей применяют абсорбционные холодильныемашины, где сжатие рабочего газа достигается не при помощи компрессора, а путемабсорбции (поглощения, растворения) в подходящем веществе. Так, в бытовом холодильникекрепкий водный раствор аммиака (Nh4) нагреваетсяэлектрическим током в генераторе 1 и выделяет газообразный аммиак, давлениекоторого достигает 20 атм. Газообразный аммиак после осушки (в осушителе, непоказанном на схеме) конденсируется в конденсаторе 2. Сжиженный аммиакпоступает в испаритель 3, где он вновь превращается в газ, заимствуя уиспарителя значительное количество теплоты. Газообразный аммиак абсорбируется(растворяется в воде) в абсорбере 4, где, таким образом, вновь образуетсякрепкий раствор аммиака, который перетекает в генератор 1, вытесняя оттудаобедненный (после выделения газа) раствор в абсорбер. Так осуществляется непрерывныйцикл, причем внутри охлаждаемого объема (шкафа) помещается испаритель (сильноохлаждаемый при испарении аммиака), а все остальные части расположены внешкафа.

Схемаустройства абсорбционной холодильной машины

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

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

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

www.ronl.ru

Реферат - Тепловые двигатели 2

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

на тему: Тепловые двигатели

Проверила:

Максименко Т. П.

Выполнила:

учащаяся группы 09 ОГХ — 1

Шушаникова Ю. Ю.

г. Усть-Каменогорск

2009 г.

План

1. История тепловых двигателей

2. Виды тепловых двигателей

а) паровая машина

б) двигатель внутреннего сгорания

в) паровая и газовая турбины

г) реактивный двигатель

3. Экологические проблемы, связанные с тепловыми двигателями

4. Пути решения экологических проблем

История тепловых двигателей

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды тепловых двигателей

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

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

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

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

Преимущества газотурбинных двигателей

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

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

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

· Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.

· Низкие эксплуатационные нагрузки.

· Высокая скорость вращения.

· Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

Недостатки газотурбинных двигателей

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

· Машинные операции также более сложные;

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

· Задержка отклика на изменения настроек мощности.

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

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

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

Существует два основных класса реактивных двигателей:

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

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

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

Экологические проблемы тепловых двигателей

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

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

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

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

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

Меры предотвращения загрязнений:

1. Снижение вредных выбросов.

2. Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

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

Перспективы использования электрических двигателей, пневмокаров, транспорта на солнечных батареях

www.ronl.ru

Реферат по теме "Тепловые двигатели"

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

Двигатель внутреннего сгорания.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.

Паровая турбина.

В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а несколько дисков, насажанных на общий вал. Турбины применяют на тепловых электростанциях и на кораблях.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - ДВС и паровые турбины; на ж/д. тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу две-три тонны - свинца.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды связан с 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.

Во владимирской области в 2001 году суммарные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, определённые на основании информации природопользователей об охране атмосферного воздуха по стационарным и передвижным источникам составили:

115.295 тыс. т. в год, в том числе

твёрдые 7.1% - 8.192 тыс т.;

газообразные и жидкие 92.9% - 107.103 тыс т.

Рост в 2001 году числа автомобилей, находящихся в личной собственности населения, составляет 7.5% (13715 единиц) по отношению к 2001 году, причём количество грузовых автомобилей увеличилось на 17.1%, автобусов на 8.5%, специальных на 25.5% и легковых автомобилей на 6.8% что послужило причиной увеличения выбросов от передвижных источников.

В 2001 году произошло увеличение выбросов свинца от передвижных источников примерно на 0.002 тыс т. - 7.4%, что объясняется общим увеличением количества единиц автотранспорта. Причём при расчёте выбросов, принято так – же как и в предыдущем году, что применение этиленового бензина составило 20%.

novaya-igirma.ru

Курсовая работа - Тепловые двигатели 2

на тему: Тепловые двигатели

Проверила:

Максименко Т. П.

Выполнила:

учащаяся группы 09 ОГХ — 1

Шушаникова Ю. Ю.

г. Усть-Каменогорск

2009 г.

План

1. История тепловых двигателей

2. Виды тепловых двигателей

а) паровая машина

б) двигатель внутреннего сгорания

в) паровая и газовая турбины

г) реактивный двигатель

3. Экологические проблемы, связанные с тепловыми двигателями

4. Пути решения экологических проблем

История тепловых двигателей

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

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

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

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

Виды тепловых двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

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

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

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

· Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.

· Низкие эксплуатационные нагрузки.

· Высокая скорость вращения.

· Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

Недостатки газотурбинных двигателей

· Машинные операции также более сложные;

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

· Задержка отклика на изменения настроек мощности.

Существует два основных класса реактивных двигателей:

Экологические проблемы тепловых двигателей

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

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

Меры предотвращения загрязнений:

1. Снижение вредных выбросов.

2. Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

Перспективы использования электрических двигателей, пневмокаров, транспорта на солнечных батареях

www.ronl.ru

Реферат - Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД

ГОУ ВПО

АМУРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФИЛИАЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ В г. СВОБОДНОМ

Кафедра «Физика»

Реферат по теме:

«Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД»

Выполнила: студентка I курса

Плюйко Марина

Группа: ИЭ

Проверил: Кравцова Н. А.

г. Свободный 2010

План

1. Тепловые двигатели

1.1. Циклы теплового двигателя

1.2. КПД теплового двигателя

1.3. Круговые процессы

2. Цикл Карно

2.1. КПД цикла

2.2. Холодильные Машины

Содержание

Введение

1. Тепловые двигатели

1.1. Циклы теплового двигателя

1.2. КПД теплового двигателя

1.3. Круговые процессы

2. Цикл Карно

2.1. КПД цикла

2.2. Холодильные Машины

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Двигатель тепловой — это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.

Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

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.

Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.

В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.

Цель данной работы – рассмотреть тепловые двигатели, Цикл Карно.

Для реализации данной цели в реферате предстоит решить следующие задачи:

— изучить понятие и общие положения о тепловых двигателях;

— рассмотреть коэффициент полезного действия теплового двигателя;

— рассмотреть принцип работы Цикла Карно и его КПД.

Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы.

1. Тепловые двигатели

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. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

A = Q .

Но такой 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

1.1. Циклы теплового двигателя

Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).

Четырехтактный цикл. В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии Н. Отто.

Двухтактный цикл. В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.

1.2. КПД 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.

1.3. Круговые процессы

Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V ) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A 1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A 2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A 1 + A 2 на диаграмме (p, V ) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1.

Круговой процесс на диаграмме (p, V ). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой –холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q 1 + Q 2 = Q 1 – |Q 2 |.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,

ΔU = Q – A = 0

Отсюда следует:

A = Q = Q 1 – |Q 2 |.

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q 1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действияη тепловой машины:

Модель. Термодинамические циклы.

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 < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рисунок 3.11.2.

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник;3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q 1 > 0, A > 0, Q 2 < 0;T 1 > T

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рисунок 3.11.3.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

2. Цикл Карно

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Рисунок 3.11.4.

Цикл Карно

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T 1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A 12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q 1 = A 12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A 23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T 2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T 2 < T 1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A 34 < 0 и отдает тепло Q 2 < 0, равное произведенной работе A 34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T 1, газ совершает работу A 41 < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41

На диаграмме (p, V ) эта работа равна площади цикла. Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для одного моля газа

A = –ΔU = –CV (T 2 – T 1 ),

где T 1 и T 2 – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

A 23 = –A 41

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть

1.1. КПД цикла

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T 1 и холодильника T 2:

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

ηКарно = ηmax

Модель. Цикл Карно

1.2. Холодильные машины

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V ) обходятся против часовой стрелки.

Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Рисунок 3.11.5.

Энергетическая схема холодильной машины.

Q 1 < 0, A < 0,Q 2 > 0, T 1 > T 2

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q 2 | от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q 1 | нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

|Q 1 | > |A |,

Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Заключение

Итак, машины, 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.

Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном — поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном — ДВС и паровые турбины; на 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.

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.

Список использованной литературы

2. www.edu.yar.ru

3. www.wikipedia.org

4. www.physics.ru

5. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002.-718с.: ил.

6. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1976. Т. 25 – Струнино – Тихорецк. 1976. 600с. с ил. 27 л. ил., 3 л. карт.

7. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1973. Т. 11 Италия – Кваркуш. 1973. 608 с. с ил. 27 л. ил., 12 л. карт., 1 карта вкладка