Физическая основа и виды тепловых двигателей (стр. 1 из 10). Виды тепловых двигателей

Виды тепловых двигателей Тепловые двигатели

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели

Тепловые машины реализуют в своей работа превращение одного вида энергии в другой. Таким образом машины- устройства которые служат для преобразования одного вида энергии в другой

Тепловые преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии

Тепловые преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива

Самое начало Говорят, ещё две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. 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

Геронов шар Примерно тремя столетиями позже в Александрии – культурном и богатом городе на

Геронов шар Примерно тремя столетиями позже в Александрии – культурном и богатом городе на Африканском побережье Средиземного моря – жил и работал выдающийся учёный Герон. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закреплённый 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

Паровая турбины Парова я турби на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

Двухкорпусная паровая турбина.

Газовая турбина— это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из копрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними. (Термин Газовая турбина может также относится к самому элементу турбина. )

Модель двигателя внутреннего сгорания свеча впускной клапан выпускной клапан цилиндр поршень шатун кулачки коленвал

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. l Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте. l

Общий вид двигателя внутреннего сгорания

Виды двигателей внутреннего сгорания Двухтактные Четырехтактные l В двухтактном l Рабочий цикл двигателе рабочий четырёхтактного цикл полностью двигателя состоит из происходит в течение четырёх основных одного оборота этапов — тактов: коленчатого вала. 1. Впуск l Рабочий цикл 2. Сжатие двухтактного двигателя состоит из двух этапов: 3. Сгорание и расширение 4. Выпуск 1. Сжатие Схема 2. Расширение Схема

Схема работы 2 -тактного и 4 тактного двигателя 2 -тактный двигатель 4 -тактный двигатель

Такты работы двухтактного двигателя Сжатие Расширение

Такты работы четырехтактного двигателя Впуск Сжатие Рабочий Ход Выпуск

Дизель Ди зельный двиѓатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения топлива от сжатия. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе (в просторечии - "солярка").

Паровая машина Парова я маши на — 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.

Реактивный двигатель — двигатель-движитель, 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.

Ядерный двигатель использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Традиционный ЯД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора и собственно двигателя. Рабочее тело (чаще - аммиак или водород) подаётся из бака в активную зону реактора где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Экологические проблемы использования тепловых машин. l Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов

Экологические проблемы использования тепловых машин. l Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода, хлор. l Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее- в различные части ландшафта.

Решение проблем экологии

Электро мобили

Преимущества электромобиля: 1. Отсутствие вредных выхлопов. 2. Простота конструкции и управления, высокая надежность и долговечность экипажной части. 3. Возможность подзарядки от бытовой электрической сети. 4. Массовое применение электромобилей смогло бы помочь в решении проблемы «энергетического пика» за счет подзарядки аккумуляторов в ночное время. 5. Электромобили отличаются низкой стоимостью эксплуатации. 6. Аккумуляторные батареи служат около трех лет, или 85 000100 000 км пробега. 7. КПД электродвигателя составляет 90 -95%. В городском цикле автомобиль задействует около 3 л. с. двигателя. Городской автотранспорт может быть заменен на электромобили.

Недостатки электромобиля: аккумуляторы пока не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем

Недостатки электромобиля: аккумуляторы пока не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости. Имеющиеся высокоэнергоемкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения редкоземельных металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрийсерного аккумулятора >300° С). Впрочем, энергоемкость таких АБК увеличилась за XX век в 4 раза (до 40 -45 Вт/ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы. шум работающего электромотора довольно велик, в чем может лично убедиться каждый пассажир троллейбуса или поезда метро.

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую

present5.com

Презентация по теме "Виды тепловых двигателей"

Слайд 1

Презентация Виды тепловых двигателей Выполнила: студентка группы 14К1 Коженова Полина

Слайд 2

Тепловые двигатели Паровая машина Газовая, паровая турбина Реактивн-ый двигатель ДВС Виды тепловых двигателей

Слайд 3

Тепловые машины реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Таким образом машины-устройства которые служат для преобразования одного вида энергии в другой. Преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива

Слайд 4

Парова́я маши́на -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 двигатель внешнего сгорания, который преобразо-вывает энергию пара в механическую работу.

Слайд 5

Двигатель внутреннего сгорания-это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте.

Слайд 6

Газовая турбина это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагр-етого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из копрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними.

Слайд 7

Паровая турбина - это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

Слайд 8

Реактивный двигатель -создает 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.

Слайд 9

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально у величивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую

nsportal.ru

Виды теплового двигателя

Наверное, никто из создателей первых автомобилей не думал о том, что их творения станут настолько популярными – на начало ХХI века количество автомобилей в мире перешагнуло отметку в 600 млн. экземпляров. Экономисты прогнозируют, что через 15 – 20 лет число автомобилей в мире перешагнет отметку в 1,5 млрд.

Мы должны принять, как свершившийся факт, то что количество автомобилей в мире будет возрастать и возрастать очень быстро. И надо понять к чему это приведет. Будет ли возрастание количества автомобилей благом или вредом?

Нашей задачей будет рассмотреть влияние автомобильной промышленности на экологию и проблемы с этим связанные, на общество, установить влияние на развития автопромышленности на науку и промышленность в целом.

Человечество на протяжении всей своей истории стремилось использовать источники энергии для решения своих задач. На заре истории человек начал использовать энергию падающей воды, позже, в средние века человечество научилось использовать энергию ветра. Со временем этого стало недостаточно для развития промышленности, ведь ветер не всегда достаточно силен, для того чтобы вращать крылья ветряных мельниц, а вода замерзает зимой. Но в конце ХVIII века был изобретен паровой двигатель. С изобретением парового двигателя стало возможным дальнейшее развитие техники и промышленности.

Но паровой двигатель имеет очень низкий коэффициент полезного действия, большую часть полученной при сгорании топлива энергии он попросту выбрасывает в воздух. Поэтому начались исследования по постройке двигателей внутреннего сгорания.

Каждый из рассмотренных нами этапов развития человечества имел свой источник энергии. И каждый последующий источник был более мощным и позволял получать большее количество энергии при меньших затратах. Поэтому мы можем сделать вывод, что развитие техники и промышленности напрямую зависит от уровня использования внутренней энергии тел. Человечество училось использовать более высококалорийные виды топлива И это действительно был процесс обучения, ведь для создания паровой машины, необходимо иметь познания в механике, металлургии, свойствах паров и газов. Человечество постепенно осваивало те источники энергии, которые он могло освоить, пребывая на своем уровне развития.

За своим назначением тепловые машины можно разделить на три вида: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильные машины. Тепловая машина трансформирует теплоту в работу. В тепловых машинах при исполнении работы теплота от более нагретого тела передается менее нагретому.

Современная техника использует три типа тепловых машин: поршневые, турбинные и реактивные. Газовые турбины позволяют получать большие мощности при сравнительно небольших размерах. Они широко используются в авиации, корабельных установках, на железнодорожном транспорте и постепенно внедряются на теплоэлектростанциях.

Поршневые двигатели также разделяются на три группы: на двигатели, которые работают по циклу Отто (карбюраторные), циклу Дизеля (дизельные) и по циклу Тринклера с использованием форсунки.

Каждый из этих видов двигателей имеет свои положительные и отрицательные качества. Дизельные двигатели, например, имеют высокий коэффициент полезного действия и большую мощность по сравнению с карбюраторным двигателем.

Наиболее широко используются поршневые двигатели внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания – это тепловая машина, в которой топливо сжигается в цилиндре под поршнем. Теплота сгорания при этом превращается в работу при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма. Цилиндр имеет два отверстия с клапанами, через один из которых происходит впрыск рабочего тела (воздуха или смеси воздуха с парами бензина), а через другой выход продуктов сгорания после завершения цикла. Поршень в цилиндре двигателя во время одного цикла Отто совершает четыре хода или такта: всасывание, сжимание, расширение после сгорания смеси. Коэффициент полезного действия такого двигателя равен:

, где - степень сжатия.

Согласно формулы, коэффициент полезного действия двигателя зависит от степени сжатия, который в свою очередь зависит от качества топлива, показателя адиабаты [1]. Увеличение меры сжатия ограничено самовозгоранием топлива, что резко снижает экономичность двигателя. Степень сжатия в обычных карбюраторных двигателях не превышает 7 – 12 [2].

Развитие автомобилестроения требовало новых материалов, топлив, сплавов. Все эти материалы производит химическая промышленность.

Для функционирования автомобилей необходимо большое количество резины, много ее идет на изготовление шин, но не менее она важна и при изготовлении различных материалов для топливной системы.

Но все же львиная доля резины идет на изготовление шин. Для изготовления шин используют искусственный каучук, в который для улучшения его свойств добавляют сажу, металлическую проволоку, антиокислители, красители.

В начале ХХ века для изготовления шин использовали природный каучук, но его количество было ограничено, поэтому было необходимо наладить изготовление искусственного каучука. Его изготовление наладили в СССР в 1932 году под руководством академика С. В. Лебедева из этилового спирта, который химически превращали в бутадиен 1,3 и полимеризировали в каучук:

Таким образом получили бутадиеновый каучук[3]. Сейчас для производства шин используют более качественные виды каучука: бутадиен-стирольный, который получают при совместной полимеризации бутадиена и стирола, он отличается от бутадиенового большей стойкостью к истиранию, большей морозостойкостью.

Для работы двигателям автомобилей необходимо топливо. В виде топлива используют продукты переработки нефти, они получили название бензинов. Для переработки нефти принято использовать перегонку и крекинг. Перегонка только разделяет нефть на несколько фракций с разной температурой кипения, а крекинг позволяет получить бензины за счет расщепления сложных веществ нефти.

В состав бензинов входят углеводороды с количеством атомов углерода в молекуле от 4 до 7. Температура их кипения лежит в области 30 – 200°С[4]. Кроме углеводородов в состав бензинов входят также различные добавки призванные улучшить его качество. Как добавки используют антиоксиданты, которые повышают химическую стабильность бензина, антидетонаторы, которые повышают октановое число.

Сейчас, когда проблема загрязнения воздуха стала очень важна, особенно в больших городах, автомобили стали переводить на использование альтернативных видов топлива: газа, биотоплива, например, топливо Е85 (85% этанола и 15% бензина), стоимость которого на 25% дешевле традиционного топлива, уже используют в многих странах Европы.

Многие ученые мира внесли свой вклад в исследование свойств тепловых двигателей. Среди них можно назвать К. Бенца, Г. Даймлера, К. Отто, О. Дизеля, которые своими работами создали тот современный двигатель, который мы знаем. Но работы этих ученых были востребованы обществом, поскольку промышленности необходимо было перевозить грузы, а железнодорожный транспорт был не везде. Именно поэтому и велись разработки двигателей внутреннего сгорания, которые и позволили транспортировать грузы и перевозить пассажиров.

Также надо назвать тех ученых, работы которых не были непосредственно связаны с автомобильной промышленностью, но без их вклада развитие автопромышленности было бы невозможно. Это творец синтетического каучука С. В. Лебедев, изобретатель процесса крекинга (переработки нефти) А. А. Летний, и В. Г. Шухов, который первым создал промышленную установку по крекингу нефти[5].

Внедрение двигателей внутреннего сгорания изменило мир. Расстояния уменьшились, поскольку стало возможным быстрее преодолевать их, началось развитие многих видов промышленности, связанных с автомобилестроением.

При внедрении тепловых двигателей возникло также и много проблем, среди них надо выделить социальные проблемы и проблемы экологического плана.

Тепловые двигатели изменили мир. Они увеличили производительность труда рабочих во много раз и там, где раньше работу выполнял десяток рабочих остался только один. Поэтому внедрение тепловых двигателей привело в массовой безработице, народным волнениям, например можно вспомнить движение луддистов в Англии.

Но развитие промышленности не остановить и использование тепловых двигателей все возрастало, это привело к возникновению экологических проблем и в первую очередь загазованности воздуха и накопления отходов деятельности тепловых двигателей. Для решения этих проблем используют различные пути, например, переводят тепловые двигатели на использование более экологически чистых топлив, например, биотоплива с высоким содержанием этанола, как топливо используют природный газ. Моральные проблемы при использовании тепловых двигателей тесно связаны с экологическими проблемами. В последнее время остро стал вопрос исчерпания запасов нефти в мире. И многих заботит проблема моральности использования залежей нефти, ведь мы, забираем эти ресурсы у последующих поколений жителей планеты. Многие видные политики и ученые выступают за ограничение использования исчерпаемых запасов полезных ископаемых.

У автомобиля как транспортного средства есть как свои плюсы так и минусы. К плюсам можно отнести, то что при его помощи можно транспортировать грузы и перевозить пассажиров, а к минусам – экологические проблемы при его использовании.

znakka4estva.ru

Тепловой двигатель - это... Что такое Тепловой двигатель?

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

История

Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н.

эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).

Теория

Работа, совершаемая двигателем, равна:

$A = \left|Q_H\right| - \left|Q_X\right|$ , где:

— количество теплоты, полученное от нагревателя,
— количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: $\eta = \frac{\left|Q_H\right| - \left|Q_X\right|}{\left|Q_H\right|} = 1 - \frac{\left|Q_X\right|}{\left|Q_H\right|}$

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя( T_H ) и холодильника( T_X ):

$\eta_K = {T_H - T_X \over T_H} = 1 - {T_X\over T_H}$

Типы тепловых двигателей

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. 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.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту не приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели

Твёрдотельные двигатели

(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

dikc.academic.ru

виды, назначение, применение. КПД тепловых двигателей. — КиберПедия

Двигатели – устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле – тепловые.Машины, производящие механическую работу за счёт тепловой энергии называются тепловыми двигателями.Тепловые двигатели бывают: поршневые, турбинные, реактивные . Любой тепловой двигатель состоит из трёх частей: нагревателя, холодильника и рабочего тела.От нагревателя поступает количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело совершает работу А. Чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние, необходимо его охладить, т.е. часть тепла отдать холодильнику Q2. Рабочим телом является газ. Холодильником является атмосфера или специальные устройства. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия КПД (η). Работа, совершаемая двигателем, равна: А = Q1- Q2 Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику. Коэффициент полезного действия (КПД) η теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1(менее 100%) Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя(T1) и холодильника(T2): В настоящее время все усилия направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения частей двигателя. Повышение КПД – важнейшая техническая задача. Тепловые двигатели используются очень широко. Их применяют на тепловых электростанциях, где вырабатывается боле 80% всей электроэнергии. Паровые турбины устанавливаются на атомных электростанциях. Они имеют больший КПД. Тепловые двигатели устанавливают на всех видах транспорта. На автомобильном транспорте используют дизельные двигатели (с образованием горючей смеси внутри двигателя) и карбюраторные (с внешним образованием горючей смеси). На железных дорогах используют тяжеловозы с дизельными установками. В строительстве используют дизель для трамбовки и молоты для забивания свай. Газотурбинные установки применяют в авиации, металлургии. Реактивные двигатели для космических кораблей тоже тепловые. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению температуры окружающей среды.. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества. Это использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.

Билет 8.

cyberpedia.su

Физическая основа и виды тепловых двигателей

Содержание

1. Введение 3

2. История тепловых двигателей 4

3. Физическая основа теплового двигателя 10

4. Виды тепловых двигателей 13

4.1 Паровые двигатели 13

4.1.1 Паросиловая станция 13

4.1.2 Паровая турбина 15

4.1.3 Поршневая паровая машина 17

4.2 Двигатели внутреннего сгорания 19

4.2.1 Цикл Карно 19

4.2.2 Четырехтактный карбюраторный двигатель 21

4.2.3 Двухтактный двигатель 23

4.2.4 Бензиновый двигатель внутреннего сгорания 26

4.2.5 Двигатель Дизеля 31

4.2.6 Двигатель Стирлинга 32а

4.3 Реактивные двигатели 33

4.3.1 Воздушно-реактивный двигатель 35

4.3.2 Ракетные двигатели 38

4.4 Термомагнитные двигатели и тепловые двигатели

с внешним подводом тепла 41

5. КПД тепловых двигателей 47

5.1 Максимальное значение КПД тепловых двигателей 49

5.2 КПД двигателей внутреннего сгорания 52

6. Тепловые двигатели и окружающая среда 53

7. Практическая часть 60

8. Заключение 62

9. Приложение 63

10. Литература 68

1. Введение

Запасы внутренней энергии в земной коре и в океанах практически безграничны. Для того чтоб превратить часть этой энергии в механическую, чаще всего пользуются тепловыми двигателями – устройствами, которые позволяют превращать внутреннюю энергию пара или газа в механическую.

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

Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном - двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками, в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Именно это и побудило меня к написанию этого реферата. Мне захотелось узнать как можно больше о том, что окружает нас, ведь тепловые двигатели в настоящее время используются везде, но все же не все знают их историю, их виды и то как они влияют на окружающую среду.

2. История тепловых двигателей

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных.

Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским.Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром.Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через, изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий.

Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие.Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемёщался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали.

Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх.

После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и 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 Папена 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 цилиндреА 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. Примерная схема работы двигателя Папена в Приложении, рис 1

Об этом догадался современник Дени Папена 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. Примерная схема работы насоса Сэвери представлена в Приложении, рис 2.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. Примерная схема работы машины Ньюкмена представлена в Приложении, рис 3Понадобилось 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.

mirznanii.com