В настоящее время невозможно назвать ни одну область производственной деятельности человека, где бы ни использовались тепловые установки. Космическая техника, металлургия, станкостроение, транспорт, энергетика, сельское хозяйство, химическая промышленность, производство пищевых продуктов - вот далеко не полный перечень отраслей народного хозяйства, где приходится решать научные и технические вопросы, связанные с тепло установками.

В тепловых двигателях и тепловых установках происходит преобразования теплоты в работу или работы в теплоту.

Паровая турбина-это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно соединяется с валом рабочей машины, который может быть электрогенератор, гребной вент и др.

Применение тепловых двигателей в железнодорожном транспорте особенно велико, т.к. с появление тепловозов на железнодорожных магистралях облегчило перевоз основных масс грузов и пассажиров во всех направлениях. Тепловозы появились на советских железных дорогах более полувека назад по инициативе В.И. Ленина. Дизели приводят в движение тепловоз непосредственно, а с помощью электрической передачи - генераторов электрического тока и электродвигателей. На одном валу с каждым дизелем тепловоза находится генератор постоянного электрического тока. Вырабатываемый генератором электрический ток поступает в тяговые электродвигатели, находящиеся на осях тепловоза. Тепловоз сложнее электровоза и стоит дороже, зато он не требует контактной сети, тяговых подстанций. Тепловоз можно использовать везде, где только уложены железнодорожные пути, и в этом его огромное преимущество. Дизель - экономичный двигатель, запаса нефтетоплива на тепловозе хватает на долгий путь. Для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов построили тяжелые грузовые автомобили, где вместо бензиновых двигателей появились более мощные дизельные двигатели. Такие же двигатели работают на тракторах, комбайнах, судах. Применение этих двигателей намного облегчает работу человека. В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который мог бы работать не только на бензине, но и на любом другом топливе: керосине, нефти. Также двигатели назвали дизелями.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Еще две с лишним тысячи лет назад, в 3 веке до н. эры, великим греческим механиком и математиком Архимедом построившим пушку, которая стреляла с помощью пара.

Сегодня в мире насчитывается сотни миллионов тепловых двигателей. Например, двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д. Наблюдение, что изменения температуры тел постоянно сопровождаются изменениями их объемов, относятся уже к отдаленной древности, тем не менее, определение абсолютной величины отношения этих изменений принадлежит только новейшему времени. До изобретения термометров о подобных определениях, разумеется, нельзя было и думать, но зато с развитием термометрии точное исследование этой связи становилось совершенно необходимым. Сверх того, в конце прошлого XVIII и в начале нынешнего XIX века накопилось множество различных явлений, побуждавших заняться тщательными измерениями расширения тел от теплоты; таковы были: необходимость поправок барометрических показаний при определении высот, определение астрономической рефракции, вопрос об упругости газов и паров, постепенно возраставшее применение металлов для научных приборов и технических целей и т. д.

Прежде всего, естественно, обратилась к определению расширения воздуха, которое по своей величине больше всего бросалось в глаза и представлялось наиболее легко измеримым. Множество физиков вскоре получило большое количество результатов, но частично довольно разноречивых. Амонтон для регулирования своего нормального термометра измерил расширение воздуха при нагревании его от 0° до 80° R и сравнительно точно определил его в 0,380 части его объема при 0°. С другой стороны, Нюге в 1705 г. получил при посредстве несколько видоизмененного прибора один раз число, вдвое большее, а другой раз -- число, даже в 16 раз большее. Ла-Гир (1708) тоже получил вместо амонтоновского числа 1,5 и даже 3,5. Гоуксби (1709) нашел число 0,455; Крюкиус (1720) -- 0,411; Полени -- 0,333; Бонн -- 0,462; Мушенбрек -- 0,500; Ламбер («Pyrometrie», стр. 47)--0,375; Делюк -- 0,372; И. Т. Мейер -- 0,3755 и 0,3656; Соссюр -- 0,339; Вандермонд, Бертолле и Монж получили (1786) -- 0,4328. Пристли, получивший для расширения воздуха значительно отклоняющееся от истинного число 0,9375, утверждал, сверх того, что кислород, азот, водород, угольная кислота, пары азотной, соляной, сернистой, плавиковой кислот и аммиака -- все они отличаются по своему расширению от воздуха. Г. Г. Шмидт («Green"s Neues Journ.», IV, стр. 379) получил для расширения воздуха число 0,3574, для кислорода 0,3213, наконец, для водорода, угольной кислоты и азота 0,4400, 0,4352, 0,4787. Морво и Дювернуа примкнули к мнению Пристли, но вообще нашли, что расширение газов не вполне пропорционально изменению температуры.

Теоретический материал

С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.

Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных - волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.

Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» - «сам» и латинского «мобилис» - «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто - мобильный».

Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».

Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1>

Основные части теплового двигателя

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.

Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рисунок 1

На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия тепловой машины

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 -- |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?

Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.

Цикл Карно.

Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно -- из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V1.

Рисунок 2

Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ).

Рисунок 3

Когда объем газа становится равным некоторому значению V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.

Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т2, т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние -- температура его будет все время ниже чем Т1.

Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V2">V1 (изотерма CD). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V1, при этом его температура повышается до Т1 (адиабата DA). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V1, температура -- T1, давление -- p1,и цикл можно повторить вновь.

Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А < 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.

В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT1- |QT2|. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT1 - |QT2|.

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ *

Урок № 6

Тема. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве. Экологические проблемы, связанные с их использованием

Цель: углубить знания учащихся о физические принципы работы тепловых двигателей,их хозяйственное применение, ознакомить учащихся с достижениями науки и техники в деле совершенствования тепловых двигателей; развивать коммуникативные компетенции, умение анализировать, делать выводы; формировать сознательное отношение к охране окружающей среды, воспитывать заинтересованность учащихся физикой, стимулировать творческую активность учащихся.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний.

Форма проведения: урок-семинар.

Оборудование: карточки с надписями: историки, экологи, портреты физиков.

II. Выступления групп

Историк. В 1696 году английский инженер Томас Севери (1650-1715) изобрел паровой насос для подъема воды. Он применялся для откачки воды в оловянных шахтах. Его работа была основана на охлаждении разогретого пара, что, сжимаясь, создавала вакуум, который втягивал в трубу воду из шахты.

1707 года насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик Томас Ньюкомен (1663-1729) создал в 1705 году паровую машину для откачки воды из шахт. 1712 года, использовав идеи Папена и Севери, Ньюкомен построил машину, которая применялась на шахтах Англии до середины XVIII века.

Первые практически действующие универсальные машины были созданы русским изобретателем И. Ползуновим (1766 г.) и англичанином Д. Уаттом (1774 г.)

Паровая машина Ползунова имела высоту 11м, объем котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Эта машина долгое время работала на одном из горно- добывающих заводов России.

Историк. В 1765 году Дж. Уатт сконструировал, а позже усовершенствовал паровой двигатель принципиально нового типа. Его машина могла не только откачивать воду, но и оказывать движения станкам, кораблям и экипажам. До 1784 года создание универсального парового двигателя было фактически завершено, и он стал основным средством получения энергии в промышленном производстве. В течение 1769-1770 лет французский изобретатель Николя Жозеф Кюньо (1725-1804) сконструировал паровую повозку - предшественник автомобиля. Он до сих пор хранится в Музее искусств и ремесел в Париже.

Американец Роберт Фултон (1765-1815) провел в 1807 году построенный им колесный пароход «Клермонт» по реке Гудзон. 25 июля 1814 года локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона (1781-1848) протащил по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4 км/час . В 1823 году Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. В 1825 году начала действовать первая железная дорога от Стоктона до Дарлингтона, а в 1830 году - железнодорожная линия общественного пользования между промышленными центрами Ливерпулем и Манчестером. Джеймс Несміт (1808-1890) создал в 1839 году чрезвычайно мощный паровой молот, совершивший настоящий переворот в металлургическом производстве. Он же разработал несколько новых металлообрабатывающих станков.

Так начался расцвет индустрии и железных дорог - сначала в Великобритании, а затем в других странах мира.

Учитель. Давайте вспомним принцип работы тепловой машины.

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

Есть несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатели внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала превращается в энергию газа (пара). Расширяясь, газ (пар) выполняет работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую. Следовательно, тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело и холодильник. Это было установлено в 1824 г. французским ученым Сади Карно. Принцип действия такой машины можно изобразить схемой (рис. 1).

Кроме того, Карно установил, что двигатель должен работать по замкнутому циклу и самым выгодным является цикл, состоящий из двух изотермических и двух адіабатичних процессов. Он получил название цикла Карно и его можно изобразить графически (рис. 2).

Из графика видно, что рабочее тело совершает полезную работу, которая численно равна площади, описанной циклом, то есть площади 1 - 2 - 3 - 4 - 1.

Закон сохранения и превращения энергии для цикла Карно заключается в том, что энергия, полученная рабочим телом от окружающей среды, равна энергии, переданной им окружающей среде. Работу тепловые двигатели выполняют благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопаток турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Таким является принцип работы тепловых двигателей.

Механик. Одним из самых распространенных видов тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который ныне используется в различных транспортных средствах. Вспомним строение такого двигателя: основным элементом является цилиндр с поршнем, внутри которого сгорает топливо.

Цилиндр имеет два клапана - впускной и выпускной. Кроме того, работа двигателя обеспечивается наличием свечи, шатунного механизма и коленчатого вала, соединенного с колесами автомобиля. Работает двигатель в четыре такта (рис. 3): И такт - впуск горючей смеси; II такт - сжатие, в конце его топливо воспламеняется искрой от свечи; III такт - рабочий ход, во время этого такта газы, образующиеся от сгорания топлива, выполняющих работу, толкая поршень вниз; IV такт - выпуск, когда отработанные и охлажденные газы выходят наружу. График замкнутого цикла, который характеризует изменения состояния газа во время работы этого двигателя, изображена на рис. 4.

Полезная работа за один цикл примерно равен площади фигуры 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Распространение таких двигателей обусловлено тем, что они имеют малую массу, компактны, отличаются сравнительно высоким КПД (теоретически до 80 %, а практически - лишь 30 %). Недостатками является то, что они работают на дорогом топливе, сложные по конструкции, имеют очень большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

Эколог. Для повышения эффективности сгорания в двигателях бензина (увеличение его октанового числа) в него добавляют различные вещества, преимущественно этиловую жидкость, в состав которой входит свинец тетраетил, что играет роль антидетонатора (около 70 % соединений свинца выбрасывается в воздух, когда работают двигатели). Наличие в крови даже незначительного количества свинца приводит к тяжелым заболеваниям, снижение интеллекта, перевозбуждения, развития агрессивности, невнимательности, глухоты, бесплодия, задержки роста, нарушения вестибулярного аппарата и тому подобное.

Еще одной проблемой являются выбросы карбон (II) оксида. Можно представить объем ущерба от СО, если лишь один автомобиль за сутки выбрасывает в воздух около 3,65 кг карбон (II) оксида (парк автомобилей превышает 500 млн, а плотность потоков машин, например, на автомагистралях Киева достигает 50-100 тыс. автомобилей в сутки с выбросом ежечасно 1800-9000 кг СО в воздух!).

Токсичность СО для человека заключается в том, что, попадая в кровь, он лишает эритроциты (красные кровяные тельца) способности транспортировать кислород, вследствие чего наступает кислородное голодание, удушье, головокружение и даже смерть. Кроме того, ДВС вносят свою долю и в тепловое загрязнение атмосферы, температура воздуха в городе, где есть большое количество автомобилей, всегда на 3-5 °С выше температуры за городом.

Историк. В 1896-1897 pp . немецким инженером Г. Дизелем был предложен двигатель, который имел более высокий КПД, чем был в предыдущих. В 1899 г. дизельный двигатель был приспособлен к работе на тяжелом жидком топливе, что повлекло его дальнейшее широкое использование.

Учитель. Какие отличия между дизельным и карбюраторным ДВС?

Механик. Дизельные двигатели не уступают по распространению карбюраторным двигателям. Строение их почти одинакова: цилиндр, поршень, впускной и выпускной клапаны, шатун, коленчатый вал, маховик и отсутствует свеча.

Это связано с тем, что топливо загорается не от искры, а от высокой температуры, которая создается над поршнем вследствие резкого сжатия воздуха. В это раскаленный воздух впрыскивается топливо, и оно сгорает, образуя рабочую смесь. Этот двигатель является чотиритактовим, диаграмма его работы изображена на рис. 5.

Полезная работа двигателя равна площади фигуры 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Такие двигатели работают на дешевых сортах топлива, их КПД составляет около 40 %. Основным недостатком является то, что их работа очень связана с температурой окружающей среды (при низких температурах они не могут работать).

Эколог. Значительный прогресс в дизелебудуванні сделал эти двигатели «чище», чем бензиновые; их уже успешно используют на легковых автомобилях.

В выхлопных газах дизелей почти не содержится ядовитого карбон оксида, поскольку дизельное топливо не содержит свинец тетраетилу. То есть дизели загрязняют окружающую среду значительно меньше, чем карбюраторные двигатели.

Историк. Следующими тепловыми двигателями, которые мы рассмотрим, будут паровые и газовые турбины. Поскольку такие машины используют в основном на электростанциях (тепловых и атомных), то время их внедрения в технику следует считать вторую половину 30-х годов XX века хотя первые небольшие проекты таких агрегатов делались еще в 80-е годы XIX века. Конструктором первой промышленной газовой турбины следует считать. М. Маховского.

В 1883 году шведский инженер Г. Дач предложил первую конструкцию одноступеневої паровой турбины, а в 1884-1885 pp . англичанин Ч. Парсон сконструировал первую многоступенчатую турбину. Ч. Парсон в 1899 г. использовал ее на ГЭС в Эльберфельде (Германия).

Механик. В основу действия турбин положено вращения колеса с лопастями под давлением водяного пара или газа. Поэтому главной рабочей частью турбины является ротор - закрепленный на валу диск с лопатками по его ободу. Пар от парового котла направляется специальными каналами (соплами) на лопасти ротора. В соплах пар расширяется, давление его падает, но возрастает скорость истечения, то есть внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию струмени.

Паровые турбины бывают двух типов: турбины активного действия, вращения роторов которых происходит в результате удара струмини в лопасти и турбины реактивного действия, в которых лопасти расположены так, что пара, вырываясь из щели между ними, создает реактивную тягу. К преимуществам паровой турбины следует отнести быстроходность, значительную мощность и большую удельную мощность. КПД паровых турбин достигает 25 %. Его можно повысить, если турбина имеет несколько ступеней давления, состоящие из сопел и рабочих лопаток, которые чередуются. Скорость пара в такой турбине уменьшается на рабочей лопасти, а затем (после прохождения через сопло) снова увеличивается вследствие уменьшения давления. Таким образом, от ступени к ступени давление пара последовательно уменьшается, и она многократно выполняет работу. В современных турбинах количество ступеней достигает 30.

Недостатком турбин является инерционность, невозможность регулирования скорости вращения, отсутствие обратного хода.

Эколог. Применение паровых турбин на электростанциях требует отвода больших площадей под пруды, в которых охлаждается отработанный пар. С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде, кроме того, в результате охлаждения пара большое количество теплоты выделяется в окружающую среду, что приводит, опять же, к тепловому возбуждению и повышению температуры Земли.

Историк. К тепловым машинам относятся реактивные двигатели. Теория таких двигателей воссоздана в трудах Е. К. Циолковского, которые написаны в начале XX века, а внедрение их связано с именем другого украинского изобретателя - С. П. Королева. В частности, под его руководством были созданы первые реактивные двигатели, которые применялись на самолетах (1942), а позже (1957) был запущен первый космический спутник и первый пилотируемый космический корабль (1961). Какой же принцип действия реактивных двигателей?

Механик. Тепловые двигатели, которые используют реактивную тягу утечка газов, называют реактивными. Принцип их действия заключается в том, что топливо, сгорая, превращается в газ, который с большой скоростью вытекает из сопел двигателя, заставляя двигаться летательный аппарат в противоположном направлении. Рассмотрим несколько типов таких двигателей.

Одним из самых простых по конструкции является прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Это труба, в которую встречный поток нагнетает воздух, а жидкое топливо впрыскивается в нее и поджигается. Раскаленные газы вылетают из трубы с большой скоростью, придавая ей реактивной тяги. Недостатком этого двигателя является то, что для создания тяги он должен двигаться относительно воздуха, то есть самостоятельно он взлететь не может. Наибольшая скорость составляет 6000 - 7000 км/ час.

Если в реактивном двигателе есть турбина и компрессор, то такой двигатель называют турбокомпресорним. Во время работы такого двигателя воздух через заборник попадает в компрессор, где сжимается и подается в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Здесь оно поджигается, продукты сгорания проходят через турбину, которая вращает компрессор, и вытекают через сопло, создавая реактивную тягу.

В зависимости от распределения мощностей эти двигатели делятся на турбореактивные и турбовинтовые. Первые большую часть мощности затрачивают на реактивную тягу, а вторые - на вращение газовой турбины.

Преимуществами этих двигателей является то, что они имеют большую мощность, которая обеспечивает большие скорости, необходимые для поднятия в космос. Недостатки - большие габариты, малый КПД, а также вред, который они наносят окружающей среде.

Эколог. Поскольку в реактивных двигателях также сгорает топливо, то они, как и все тепловые двигатели загрязняют окружающую среду вредными веществами, которые выделяются во время сгорания. Это двуокись углерода (CO 2), угарный газ (СО), сернистые соединения, азот оксиды и другие. Если во время работы автомобильных двигателей массы этих веществ составляли килограмма, то теперь - это тонны и центнера. Кроме того, высотные полеты самолетов, запуски космических ракет, полеты военных баллистических ракет негативно влияют на озоновый слой атмосферы, разрушая его. Подсчитано, что сто запусков подряд космического челнока «Спейс-Шаттл» могли бы почти полностью разрушить защитный озоновый слой атмосферы Земли, Учитель. Какими же должны быть двигатели будущего? Механик. Большинство специалистов считает, что это должны быть водородные двигатели, то есть такие, в которых водород будет вступать в реакцию с кислородом, в результате чего будет образовываться вода. Разработки, которые ведутся в этом направлении, дают много различных конструкций подобных двигателей: от таких, где баки заправляются соответствующими газами, к машин, где горючим является сахарный сироп. А еще есть конструкции, где топливом является масло, спирт и даже биологические отходы. Но пока что все эти двигатели существуют только в виде экспериментальных образцов, которым еще далеко до внедрения в промышленное производство. Однако даже эти разработки дают надежду на то, что в будущем мы будем иметь экологически гораздо более «чистые» машины, чем современные. И хотя создать тепловую машину, которая совсем не загрязняла бы окружающую среду, нам еще не удается, но стремиться к этому мы будем.

III . Домашнее задание

Выполнить домашнюю контрольную работу

Вариант 1

1. Давление газа под поршнем составляет 490 кПа. Какую работу выполняет газ, если его при постоянном давлении нагревают до температуры, вдвое большую от первоначальной? Начальный объем газа 10 л.

2. Пар поступает в турбину при температуре 500 °С, а выходит при температуре 30 °С. Считая турбину идеальной тепловой машиной, вычислите ее КПД.

3. Или остынет воздух в комнате, если держать открытой дверцу включенного в сеть холодильника?

Вариант 2

1. На сколько изменяется внутренняя энергия 200г гелия при увеличении температуры на 20 К?

2. Температура нагревателя идеальной машины 117 °С, а холодильника 27 °С. Количество теплоты, что ее получает машина от нагревателя за 1 с, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты, которое забирает холодильник за 1 с, и мощность машины.

3. Когда КПД теплового двигателя выше: в холод или жару?

Приложение 1

Паровая машина И. Ползунова

Джеймс Уатт усовершенствовал паровой насос Ньюкомена, повысив эффективность его работы. Его паровые машины, изготовленные в 1775 году, работали на многих заводах Великобритании

Некоторые данные о двигателе	Карбюраторный двигатель	Дизельный двигатель
Рабочее тело	Продукты сгорания бензина	Продукты сгорания дизельного топлива
		Дизельное топливо
Давление в цилиндре		1,5·106-3,5·106 Па
Температура сжатого воздуха
Температура продуктов сгорания
	20-25 % (до 35 %)	30-38 % (до 45%)
Использование	В легких мобильных машинах сравнительно небольшой мощности (легковые автомобили, мотоциклы и т. п)	В грузовых автомобилях большой мощности, тракторах,тракторах, тепловозах, на стационарных установках ТЭС
История создания	Впервые запатентован в 1860 г. французом Ленуаром; в 1878 г. построен двигатель с КПД = 2 % (немецкий изобретатель Отто и инженер Ланген)	Создан в 1893 г. немецким инженером Г. Дизелем

Приложение 3

Схема строения реактивного двигателя

В объемных нагнетателях

Объемные нагнетатели:

поршневые

ротационные

Поршневые детандеры

Насосы

Насосы – гидравлические машины для подъема и перемещения жидкостей.

Лопастные (центробежные, осевые, вихревые)

Объемные (поршневые, плунжерные)

Ротационные (шестерёнчатые, шиберные, винтовые)

Струйные (инжекторы и эжекторы).

В объемных насосах передача энергии производится принудительным воздействием рабочего тел на перемещаемую среду и ее вытеснением. В лопастных насосах преобразование мех. энергии в гидравлическую производится вращающимся колесом, снабженными лопастями.

Вентиляторы

Вентиляторы - это механические устройства, служащие для перемещения воздуха по воздуховодам, или непосредственной подачи либо отсоса воздуха из помещения. Перемещение воздуха происходит из-за создания перепада давления между входом и выходом вентилятора.

Вентиляторы подразделяются на типы по нескольким показателям:

Компрессоры

Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.

Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся поршневые и роторные компрессоры.

Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

Лопастными называют компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса.

Классификация тепловых двигателей:

Тепловые двигатели – это машины, в которых тепловая энергия рабочей среды преобразуется в механическую работу.

Тепловые двигатели:

Паровые турбины. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.

Газовая турбина, тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Двигатель Стирлинга - двигатель внешнего. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу.

КПД компрессоров.

В энергетике под КПД обычно понимают отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно используемой энергии из всего её затраченного количества, тем выше КПД. В случае компрессорных машин такое определение КПД оказывается неприемлимым.

Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждающих компрессоров вводится изотермический КПД:

ηиз = lиз / lд =Nиз/ Nд

lиз - работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии,

lд - действительная работа на привод реального охлаждаемого компрессора,

Nиз,Nд - соответствующие мощности приводных двигателей;

Преимущества ПГУ

· Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 50 %. Низкая стоимость единицы установленной мощности

· Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками

· Короткие сроки возведения (9-12 мес.)

· Нет необходимости в постоянном подвозе топлива ж/д или морским транспортом

· Компактные размеры позволяют возводить непосредственно у потребителя (завода или внутри города), что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку эл. энергии

· Более экологически чистые в сравнении с паротурбинными установками

Недостатки ПГУ

· Низкая единичная мощность оборудования (160-972,1 МВт на 1 блок), в то время как современные ТЭС имеют мощность блока до 1200 МВт, а АЭС 1200-1600 МВт.

· Необходимость осуществлять фильтрацию воздуха используемого для сжигания топлива

Место и роль тепловых двигателей в системах тепло энергоснабжения промпредприятий

Наибольшее распространение в народном хозяйстве получили лопастные насосы. Создаваемый ими напор может превышать 3500 м, а подача - 100 000 м3/ч в одном агрегате.

В теплоэнергетических установках для питания котлов, подачи конденсата в системе регенеративного подогрева питательной воды, циркуляционной воды в конденсаторы турбин, сетевой воды в системах теплофикации применяются центробежные насосы.

В последнее время в связи с ростом мощности паровых турбин в конденсационных установках иногда применяют осевые насосы.

Центробежные и струйные насосы применяются на ТЭС в системах гидрозолоудаления.

Струйные насосы используются для удаления воздуха из конденсаторов паровых турбин.

Из объемных насосов в теплоэнергетике применяют поршневые насосы для питания паровых котлов малой паропроизводительности. Роторные насосы употребляются на электростанциях в системах смазки и регулирования турбин.

На ТЭС поршневые компрессоры служат для обдува поверхностей нагрева котлов с целью их очистки от летучих золы и сажи и снабжения сжатым воздухом пневматического ремонтного инструмента.

5-2. Классификация и область применения нагнетателей объемного действия и поршневых детандеров

Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию рабочей среды. Основное назначение нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды.

В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием твердых рабочих тел.

Объемные нагнетатели:

поршневые - работающие при поступательном движении рабочего органа,

ротационные - нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего органа.

Назначение детандеров - максимальное понижение температуры при расширении газа с совершением внешней работы. Два ос­новных типа: поршневые и турбодетандеры. Первые используют в уста­новках малой производительности высокого и среднего давления воз­духа. Вторые применяют преимущественно в больших установках, где расширение газов в них происходит большей частью с низкого давления.

Поршневые детандеры работают при более высоких начальных температурах газов вплоть до температуры окружающей среды (про­цесс Гейландта). Турбодетандеры, если не считать пускового периода, работают при более низких температурах.

Работу, совершаемую детандером, используют для выработки элек­троэнергии. Это позволяет в установках газообразного кислорода уменьшить расход энергии на сжатие воздуха, поступающего в установ­ку, на 3-4%.

Поршневые детандеры

Поршневые детандеры установок газообразного кислорода пред­назначены для охлаждения относительно небольших количеств воздуха (несколько сот кубических метров в час)" при больших степенях расши­рения (от 6 до 30). Принцип действия поршневых детандеров заклю­чается в передаче работы расширения газа в цилиндре коленчатому валу машины через кривошипно-шатунный механизм. Поршневые детан­деры выпускают в вертикальном и горизонтальном исполнении, и в за­висимости от начальных параметров воздуха они относятся к машинам высокого или среднего давления.

Рабочий процесс в детандере складывается из шести процессов.

Процесс 1-2 (наполнение) протекает с открытым впускным клапаном

Процесс 2-3 (расширение) протекает при закрытых клапанах; ко­личество газа в цилиндре постоянно.

Процесс 3-4 (выхлоп) происходит тогда, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Расширенный газ выходит через открытый вы­пускной клапан.

Процесс 4-5 (выталкивание) происходит во время движения пор­шня от НМТ. Расширенный и охлажденный газ при постоянном давле­нии выталкивается из цилиндра в трубопровод за детандером, где сме­шивается с той частью газа, которая была выпущена из цилиндра в процессе 3-4. Выталкивание заканчивается в точке 5, когда выпускной клапан закрывается.

Процесс 5-6 (обратное поджатие). В течение этого процесса ос­тавшийся в цилиндре газ сжимается при дальнейшем обратном движе­нии поршня к ВМТ. При этом давление и температура газа повы­шаются. Процесс 6-1 (впуск) начинается в точке 6, когда открывается впускной клапан.

На рис. 85 показаны индикаторные диаграммы реального детандера среднего давления.

а - диаграмма давлений; б - диаграмма температур

Тепловой двигатель (паровая машина) сыграл и продолжает играть чрезвычайно важную роль в развитии нашей цивилизации. Его изобретение и внедрение в производство, транспорт и другие сферы деятельности человека послужили причиной промышленной революции XVIII столетия, открыли новые горизонты в нашей жизни.

Работа теплового двигателя базируется на действии водяного пара или других газов. Устройства с использованием упругого действия воздуха и водяного пара были известны еще в античном мире. Известнейшие из них сконструировали древнегреческие изобретатели из города Александрии: Ктезибий, Филон и Герон.

Начиная с 80-х годов XVIII столетия, универсальный тепловой двигатель Уатта нашел широкое применение во всех отраслях хозяйства многих стран. Например, в Великобритании создали свыше 300 таких двигателей для текстильной, горной, металлургической, пищевой отраслей. Паровой двигатель стимулировал развитие новых рабочих машин, транспорта.

Так родилась и утвердилась в разных сферах паровая машина. С

того времени тепловой двигатель постоянно совершенствовался, яркими примерами чего является развитие паровозов, двигателей внутреннего сгорания. Но это уже совсем другие истории. И, несмотря на то, что с конца XIX столетия во многих случаях паровая машина была заменена электрическим двигателем, она сыграла особую роль в техническом прогрессе человечества, а сотни мастерских конструкций тепловых двигателей 18-ХХ столетий представляют собой образцы высокого взлета научно-технического и инженерного гения человека.

43. Типы двигателей. Перспективы развития конструкций двигателей.

Дви́гатель , мотор (от лат. motor приводящий в движение) - устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным - преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм - их приводит в действие сила гравитации(падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели - в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор).

Поршневые двигатели - камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. ДВС классифицируют: а) По назначению - делятся на транспортные, стационарные и специальные. б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо). в) По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС. г) По способу воспламенения либо искра либо сжатие. д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, горизонтальные, вертикальные, V-образные, оппозитные.

Техническая термодинамика. Основные понятия и определения

Карташевич, А.Н., Костенич, В.Г., Понталев, О.В.

К 27 Теплотехника: курс лекций. Часть 1. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2011. 48 с.

ISBN 978-985-467-319-6

Рассмотрены основные параметры и уравнения состояния идеальных газов, понятие и виды теплоёмкости, идеальные газовые смеси и методы определения их параметров. Приведены формулировки и основные положения первого и второго законов термодинамики, анализ основных термодинамических процессов идеальных газов.

Для студентов специальностей 1-74 06 01 – Техническое обеспечение процессов сельскохозяйственного производства, 1‑74 06 04 – Техническое обеспечение мелиоративных и водохозяйственных работ, 1‑74 06 06 – Материально-техническое обеспечение АПК.

Таблиц 4. Рисунков 27. Библиогр. 12.

Рецензенты: А.С. ДОБЫШЕВ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой механизации животноводства и электрификации сельскохозяйственного производства (УО «БГСХА»); В.Г. САМОСЮК, канд. экон. наук, генеральный директор РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства».

УДК 621.1 (075.8)

ББК 31.3я73

Теплота используется во всех областях деятельности человека – для получения электроэнергии, привода транспорта и различных механизмов, отопления помещений, а также на технологические нужды.

Основным способом получения теплоты сегодня является сжигание ископаемых топлив – угля, нефти и газа, которое удовлетворяет около 90 % энергетических потребностей человечества. Данные о потреблении энергоресурсов в мире за последние годы и его распределении по видам представлены в табл. 1 .

Таблица 1. Структура мирового энергопотребления в 1998–2008 гг.

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, мировое энергопотребление из года в год увеличивается. Численность населения и потребности человека постоянно растут, и это вызывает увеличение объёмов производства энергии и темпов роста ее потребления.

Однако запасы нефти, газа и угля не бесконечны и, по прогнозам, разведанных ресурсов может хватить: нефти – на 40 лет, газа – на 60 лет, угля – на 120 лет. Запасов природного урана достаточно для удовлетворения мировых потребностей в энергии примерно на 85 лет.

Другим фактором, ограничивающим дальнейшее увеличение объёмов выработки энергии за счет сжигания топлива, является все возрастающее загрязнение окружающей среды продуктами его сгорания. Не менее опасным является и тепловое загрязнение окружающей среды, ведущее к глобальному потеплению и изменению климата Земли, таянью ледников и повышению уровня Мирового океана.

В ядерной энергетике возникают экологические проблемы другого рода, связанные с необходимостью захоронения ядерных отходов, что также сопряжено с большими трудностями.

Для определения наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, более совершенных типов тепловых аппаратов необходимо знание теоретических основ теплотехники.

Похожие статьи