Тепловые машины. Внутренняя энергия – как её использовать?

Содержание:
Принцип действия тепловых машин.
Историческая справка.
Тепловые двигатели:
ДВС – двигатель внутреннего сгорания.
Карбюраторный двигатель.
Дизель.
Паровые турбины.
Газовые турбины.
Турбореактивный двигатель.
Ракетные двигатели.
Коэффициент полезного действия тепловых машин.
Сади Карно.
КПД идеальной тепловой машины
КПД тепловых двигателей
Достоинства и недостатки тепловых двигателей.
Как уменьшить загрязнение окружающей среды?
Информационные материалы.

Принцип действия тепловых двигателей
Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник.
Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения.
Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении.
Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден.
Схема тепловой машины
Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя
Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику
Графики процесса расширения и сжатия газа.
АВ –расширение газа,
СД – сжатие газа до первоначального объёма.
Полезная работа численно равна SCDAB

Историческая справка
Впервые практически действующие универсальные паровые машины были созданы И.И. Ползуновым (1763 г) и Д. Уаттом (1764 г).
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром.
!862 г. – предложение Боде Роша использовать четырехтактный цикл.
1878 г. – построен первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.
1889 г. – первая паровая турбина, нашедшая практическое применение изготовлена шведским инженером Г. Лавалем.
1892 г. – создан двигатель Дизеля.
1944 г. – появились самолёты с винтом, насаженным на вал газотурбинного двигателя. Турбовинтовые двигатели имеют: Ил -18, Ан – 22, Ан – 124, «Руслан».
1933г. – создана отечественная жидкостная ракета «ГИРД-09» по проекту М, К. Тихонравова.
1957 г. – запуск первого в мире искусственного спутника Земли.

ДВС – устройство и принцип действия
1 такт
3 такт
2 такт
4 такт

Дизель
1858 – 1913
Рудольф Дизель – выдающийся немецкий инженер-изобретатель.
1898г.

Карбюраторный двигатель
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.
В таком двигателе смешивание топлива с воздухом происходит вне цилиндра, в специальном узле обогащения топлива воздухом (карбюраторе)
Примером карбюраторного ДВС может служить двигатель ГАЗ-21 "Волга".
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного ДВС осуществляется за 2 хода.
Квадроцикл "РЫСЬ" 2-х цилиндровый, 2-х тактный карбюраторный двигатель с водяным охлаждением.
ВАЗ-2120 Надежда, двигатель
бензиновый, карбюраторный.

Паровые турбины
Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889 г.
Её мощность была меньше 4 кВт при частоте вращения 500 об/с.
При создании паровой турбины Лаваль решил две проблемы:
Внутренняя энергия пара в максимальной степени превращалась в кинетическую энергию струи, вырывающейся из сопла.
Кинетическая энергия струи в максимальной степени передавалась лопаткам ротора турбины.
К.П.Д. современных паровых турбин достигает 40%, поэтому электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами.
Паротурбинные двигатели нашли широкое применение на водном транспорте и в авиации.
Паровая турбина установлена на Тюменской ТЭЦ-1

Газовые турбины
Разработка турбин внутреннего сгорания сдерживалась отсутствием материалов, способных длительное время работать при высоких температурах и больших механических нагрузках.
Цикл работы газовой турбины аналогичен циклу поршневого ДВС, но в турбине циклы происходят одновременно в разных участках.
КПД газотурбинных установок достигает 25 -30%.
Турбовинтовые двигатели имеют Ил-18, Ан-22, Ан-124, «Руслан».
Транспортный самолёт
Ан -124 «Руслан»
1- воздушный компрессор
2 – камеры сгорания
3 – газовая турбина
4 – выпускное сопло

Турбореактивный двигатель
Газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель.
Её реактивная сила тяги может быть использована для движения самолёта, теплохода или железнодорожного состава.
Основное отличие – газовая турбина используется только для приведения в действие воздушного компрессора.
Турбореактивными двигателями оборудованы: Ил-62, Ту-154, Ил-86.
Авиационный турбореактивный двигатель Д-36
предназначен для установки на самолеты Як-42,
Ан-72, Ан-74 и экранопланы "Комета-2" и "Вихрь-2".
Двигатель прошел стендовые испытания в 1971 г.
С 1981 г. эксплуатируется в ГА

Ракетные двигатели
Реактивные двигатели, не использующие для своей работы окружающую среду, называют ракетными двигателями.
Выход струи газа через сопло приводит к возникновению реактивной силы.
Мощность первой ступени ракеты-носителя «Восток» с ЖРД достигала 15 ГВт.
В 1987 г. прошла успешные испытания универсальная ракета-носитель «Энергия», способная выводить на орбиту более 100 т полезного груза.
Многоразовый ракетно-космический комплекс «Энергия-Буран»
Старт ракеты-носителя «Союз»

Коэффициент полезного действия тепловой машины
Замкнутый процесс (цикл) – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.
В циклически действующей тепловой машине совершаемая работа равна:
А = |Q1| – |Q2|.
КПД тепловой машины – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
ŋ =А/Q1.
Коэффициент полезного действия тепловой машины 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, заимствованной от нагревателя.
ŋ =А/Q1

Сади Карно
1796 - 1832
С. Карно – военный инженер.
Работа Карно «Размышления о движущей силе огня».
Работа Карно явилась началом термодинамики, а предложенный им общий метод решения задачи – термодинамическим методом, широко используемым в современной физике.
Карно пришел к выводу, что к.п.д. идеальной тепловой машины не зависит от рабочего вещества, а определяется лишь температурой нагревателя и холодильника.

КПД идеальной тепловой машины
Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.
Цикл Карно – самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.
Для повышения КПД двигателя нужно повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника.
p
O

КПД тепловых двигателей
Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания – 25-30%
Турбовинтовой двигатель самолёта – 30%
Дизель трактора – 28-30%
Дизель (стационарный) – 34-44%

«Хорошо» и «плохо» тепловых двигателей
Нажми здесь

Как уменьшить загрязнение окружающей среды?
Т.к. автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, то проблема их усовершенствования представляет одну из наиболее актуальных научно-технических задач.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды – использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.
Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяют электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов, или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Вопросы охраны окружающей среды очень важны для дальнейшего развития теплоэнергетики. При использовании твёрдого топлива возможно уменьшение выбросов - использовать скрубберы, в которых сера связывается известью или сжигание угля в кипящем слое.