Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Содержание

Плюсы и минусы использования тепловых двигателей

Плюсы и минусы использования тепловых двигателей

Сложно себе представить современный мир без достижений науки и техники. Прогресс достиг небывалых высот. Особое место в развитии человечества занимает создание теплового двигателя. Вместе с ним человечество вошло в новую эпоху, в эпоху машин и электричества. Зародившись еще в XVIII веке, он и по сей день имеет огромное значение для нас.

Конечно, за это время наука шагнула вперед. Были изобретены новые разновидности двигателей, усовершенствованы старые, но основные принципы, применяющиеся в конструкции, остались неизменными. Существует множество разновидностей тепловых машин. Несмотря на это, можно выделить общие особенности работы, характерные для всех типов.

Движение создается за счет нагревание газов или жидкостей, что приводит к изменению их объема. Расширяясь или сужаясь, продукты теплового воздействия осуществляют давление на поршень или турбину, которые таким образом приводятся в движение.

Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Тепловая машина (ТМ) – тип двигателя, преобразующий тепло в полезную работу. Он состоит из трех элементов:

  • нагревателя;
  • холодильника;
  • рабочего тела.

К тепловым машинам относятся все бензиновые и дизельные автомобильные моторы, паровые турбины и котлы, реактивные и ракетные двигатели.

Тепловые двигатели (ТД) распространены повсеместно: на транспорте, в энергетике, промышленности. Изобретение паровой машины привело к индустриальной революции XVIII-XIX столетий, радикально изменило облик нашего мира.

экологическая проблема использования тепловых машинмаксимальный кпд тепловой машиныэкологическая проблема использования тепловых машинприменение тепловых двигателейпринцип действияидеальная тепловая машина

Роль тепловых двигателей в развитии теплоэнергетики и транспорта. Тепловые двигатели и охрана природы

Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин.

Наибольшее значение имеет применение мощных паровых турбин на электростанциях для вращения роторов генераторов. Паровые турбины устанавливают также на атомных электростанциях, где для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На современном транспорте используются все виды тепловых двигателей. В автомобилях, тракторах, самоходных комбайнах, тепловозах применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в авиации — газовые турбины, на космических ракетах — реактивные двигатели.

Тепловые двигатели оказывают некоторые вредные воздействия на окружающую среду:

  1. КПД тепловых двигателей η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
  2. тепловые электростанции и автомобили выбрасывают вредные для растений, животных и человека продукты сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.);
  3. повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает “парниковый эффект” Земли.

В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

  1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
  2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
  3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Паровая и газовая турбины: преимущества и недостатки агрегатов

Энергетическая турбина является приводным механизмом станций по выработке тепла и электроэнергии. Она представляет собой вращающийся вал с лепестками, на которые подается рабочее тело. Вследствие попадания на лопатки вещества под давлением начинает функционировать генератор, соединенный с валом и вырабатывающий энергию.

Турбины делятся на два вида в зависимости от рабочего тела: паровые и газовые.

Отличий в конструкции этих устройств немного. Входящее вещество обеих турбин проходит через камеру сгорания, после чего продукты горения под давлением подаются на лопатки и приводят вал в движение.

Тепловая машина: цикл, работа, КПД. Экологические проблемы тепловых машин. Какая она — идеальная тепловая машина?

Вид теплового двигателя

Тепловая машина (тепловой двигатель) — устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.

Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.

тепловая машина

Двигатель внешнего сгорания- Принцип работы и достоинства

Паровые двигатели, широко используемые в девятнадцатом веке, не обеспечивали достаточной безопасности при их эксплуатации. Механизмы обладали множественными конструктивными недостатками, не выдерживали высокого давления пара, что приводило к разрывам котлов. Двигатель внешнего сгорания, запатентованный в 1816 году священником из Шотландии по имени Роберт Стирлинг, стал удачным решением для того времени. Его уникальность состояла в применении специального очистителя (регенератора) в, известных ранее, «двигателях горячего воздуха».

схема теплового двигателя

На представленной схеме в доступной форме проиллюстрировано устройство поршневого механизма и порядок его работы.

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

  1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
  2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
  3. При этом газ уменьшается объеме.
  4. Рабочий поршень втягивается влево.
  5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
  6. Толкает рабочий поршень вправо.
  7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

Важно: Тепловой двигатель – это механизм поршневого типа с подводом тепла от внешнего источника. Рабочее тело устройства постоянно находится в замкнутом пространстве и не подлежит замене. Для поставки необходимого количества тепла могут быть использованы следующие источники:

  • электричество;
  • солнце;
  • ядерная энергия и пр.

Подписи к слайдам

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

Достоинства и недостатки.

Основное достоинство паровой машины – ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики независимо от скорости работы. Это позволяет обойтись без редуктора, что выгодно отличает такой двигатель от двигателя внутреннего сгорания, который на малых оборотах недодает мощность. Поэтому паровая машина очень удобна в качестве тягового двигателя, например, на паровозах. К серьезным недостаткам паровых машин относятся их низкий КПД, сравнительно невысокая максимальная скорость, большой вес и постоянный расход топлива и воды. (Ранее требовалось значительное время, чтобы паровой котел дал пар и двигатель заработал; современные котлы позволяют быстро запустить двигатель.)


Реактивный двигатель: принцип действия и типы

Двигатель, в котором создается сила тяги за счет преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию рабочего тела, называется реактивным.

Рабочее тело с большой скоростью выходит из сопла, сообщая ему реактивную силу, направленную в противоположную сторону. Действуя согласно закону сохранения импульса, продукт сгорания топлива и двигатель перемещаются относительно друг друга в противоположных направлениях.

Если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его, то получится простейший реактивный двигатель. Рабочее тело – накачанный в шарик воздух – будет вырываться наружу, заставляя шарик перемещаться в противоположном направлении.

Для работы реактивного двигателя нужны составляющие:

  1. Топливо.
  2. Камера сгорания (реактор), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела.
  3. Сопла, из которых под давлением вырываются наружу продукты сгорания топлива, сообщая двигателю реактивную тягу.

Реактивный двигатель

Бывает двух типов:

  1. Воздушно-реактивный – тепловая энергия образуется при сгорании топлива в присутствии кислорода.
  2. Ракетный – работающий в безвоздушном пространстве.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Обратимый круговой процесс

Работа агрегата оценивается, с этой целью принято КПД идеального теплового двигателя. Впервые такое понятие ввёл изобретатель, Карно, в двадцать четвёртом году девятнадцатого века. Главный принцип цикла, обратимость. Согласно рассуждениям инженера, повторяемость процесса будет обеспечена, когда расширение рабочего вещества при нагреве будет сменяться сжатием этой субстанции до начального состояния при охлаждении. Обмен теплом с атмосферой цикле не учитывается, его нет.

Никола Леонард Сади Карно (1796 – 1832 года жизни):

Никола Леонард

Идеальный тепловой двигатель конструктивно содержит устройство нагрева с температурой «Т нагревателя», устройство охлаждения с температурой «Т холодильника» и вещество, которое, то сжимается, то расширяется.

Рассмотрим стадии цикла:

  • Расширение с температурой = const (А – Б).

Начальная стадия процесса, температура вещества равно значению «Т нагревателя». Происходит соприкосновение с устройством нагрева, веществу передалось тепло от «Q нагревателя», и оно увеличивается в объёме.

Стадии цикла Карно:

цикла Карно

  • Увеличиваясь в объёме, вещество ни отдало, ни получило тепла (Б – В).

Тело, выполняющее силовое воздействие не соприкасается с устройством нагрева, однако продолжает увеличиваться в объёме, не передавая части теплового носителя атмосфере. Температура вещества выравнивается с температурой установки охлаждения.

  • Сдавливание с постоянной температурой (В – Г).

Вещество с показателем температуры, равным температуре установки охлаждения «Т холодильника», контактирует с охладителем и уменьшается в объёме, температура не меняется. Но само тело отдаёт часть температуры холодильнику, «Q холодильника».

  • Сдавливание с нарастанием силы и температуры, без теплообмена (Г – А).

Вещество уже не контактирует с холодильником, сжимается без отдачи температуры атмосфере. Температура вещества приравнивается к температуре нагревательного элемента.

Изотермические процессы протекают с постоянной температурой, тогда как адиабатические процессы происходят без теплообмена, следовательно, энтропия в процессах Карно сохраняется.

КПД, соответствующий реальным агрегатам ниже эталонного коэффициента. Идеальный коэффициент используют как эталон, когда определяют, каков резерв разработанной или усовершенствованной силовой установки.

Рецензии

Добавить свою рецензию

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

  • Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
  • Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
  • Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
  • КПД достигает 47-60%. Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
  • Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
  • Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства. Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

Вид реактивного двигателя

Виды двигателей

Что бы легче различать, какие двигатели называют тепловыми, условно агрегаты классифицировали:

Тепловые двигатели с источником тепла отдельно от рабочего тела.

Мотор Стирлинга

Принцип действия основан на круговороте вещества, совершающего работу в замкнутом объёме. Само совершающее работу вещество, время от времени охлаждается или нагревается. Работа выполняется за счёт изменения объёма. Преимущество двигателя в том, что он способен функционировать от подвода тепла любого происхождения.

Действующая модель двигателя Стирлинга:

модель двигателя Стирлинга

Паровой мотор

Преимущество агрегатов, простота и тяга на низких оборотах. Применение установки, работающую от пара не требует использования редуктора, что облегчает конструкцию. Паровая машина хороша для применения, как тяговый двигатель и по этому показателю превосходит двигатель внутреннего сгорания. Недостатки: вес агрегата, низкая скорость и КПД, постоянное применение больших объёмов жидкости.

Применение парового двигателя CVA201 на автомобильном транспорте:

CVA201

Тепловые двигатели, с источником тепла, выполняющим роль рабочего тела

Двигатель со сгоранием внутри механизма

Силовая установка, работа которой сопряжена с частичным переходом энергии от окислившегося горючего в действие силы.

Классификация моторов проходит по нескольким признакам:

  • потребление топлива (бензин, солярка, пропан, бутан, метан);
  • цикл работы (моторы на 2 или 4 такта);
  • способ приготовления смеси (карбюратор, инжектор, дизель);
  • преобразование энергии (поршень, турбина, комбинация).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания сегодня занимают лидирующие позиции. По сравнению с другими агрегатами, установок сделано и продано большинство. Ни одна сфера деятельности человека не обходится без этих моторов.

Двухтактный

Роторные моторы внутреннего сгорания

Особенность, простота и возможность исполнения любых габаритов установки. Ротор выступает в качестве поршня, вращение происходит по траектории эпитрохоиды в замкнутом пространстве. Пространство снабжено технологическими отверстиями впуска и выпуска, а так же свечой воспламенения. Для выполнения рабочего хода требуется четыре такта, выполнение которых происходит без механизма распределения газов. Роторный мотор не требователен к горючему, дешевле в производстве, и надёжней в сравнении с поршневыми моторами. Недостаток установки, не соответствие экологическим нормам.

Роторный

Двигатели с силой тяги от реактивной струи рабочего тела

Силовые установки функционируют за счёт силы тяги, полученной от отработанных газов при сгорании рабочего вещества. Преимущество в возможности работы в пространстве без воздуха.

Реактивный

Турбовинтовые агрегаты

Сила тяги сгоревшего рабочего тела используется для привода воздушного винта.

Турбовинтовой

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

Под термином «рабочее тело» подразумеваются следующие вещества:

  1. Воздух.
  2. Пар.
  3. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
  4. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Недостатки реактивного двигателя

  • Создает сильный шум при работе. При взлете реактивного самолёта создается шум до 120 децибел. Для человеческого уха это значение близко к болевому порогу. Если стоять на расстоянии 100 метров от места взлета космического корабля, можно получить контузию. Ведь уровень шума достигает 150 децибел. Ученым пока не удается подавить шум от реактивного движителя или решить эту проблему иным способом.
  • Расходует большой объем топлива. Он невероятно прожорлив. Чтобы вывести на орбиту ракетную систему с исходным весом 3000 тонн, необходима установка пяти таких двигателей. Они придают рабочему телу скорость 3 км/с. При этом высвобождается 10 тонн отработанных газов в секунду. За 4 секунды в камерах без остатка сгорает одна цистерна ракетного топлива.
  • Ограниченный ресурс для космических полетов. Все виды топлива, которые применяют для ракет, выделяют ограниченное количество энергии. Этого недостаточно для совершения полетов в пределах Галактики и даже между планетами Солнечной системы. Перспективным направлением считается использование ядерной энергии.
  • Большой вес и размер летательных аппаратов. Перед учеными, изучающими космос, стоят колоссальные задачи. Одна из главных – создание летательного аппарата для межпланетных и межзвездных перелетов. Они научились выводить на земную орбиту ракеты, спутники, достигли Луны. Для дальних полетов использовать реактивный двигатель невыгодно и нецелесообразно. Ученые подчитали, что для полета ракеты на Марс, ее стартовый вес должен составлять – 30 000 тонн, а на Юпитер – 250 000 тонн. Соответственно, увеличатся и размеры летательных аппаратов.
  • Топливо расходуется быстро. Для длительного полета необходим большой объем энергоносителя. Емкости с горючим составляют значительную часть от массы самолёта или космического корабля.

Обслуживание паровой и газовой турбины

Высокие температуры и нагрузки оказывают значительное влияние на срок службы механизмов турбин. Для обеспечения нормального функционирования детали производятся из жаростойких материалов с повышенной удельной прочностью.

Однако этого бывает мало и детали нуждаются в дополнительной защите, особенно в моменты запуска и остановки агрегатов.

Для этого на этапе производства элементов турбоустановок на наиболее подверженные износу части наносят антифрикционные твердосмазочные покрытия.

Лопатки турбин до и после нанесения защитного покрытия на хвостовики

Рис. 3. Лопатки турбин до и после нанесения защитного покрытия на хвостовики

Хвостовики лопаток турбин обрабатываются составом MODENGY 1001, подшипники скольжения – MODENGY 1001 и MODENGY 1002, прессовые посадки – MODENGY 1005, ходовые винты – MODENGY 1001, конденсатоотводчики – MODENGY 1001, крепежные изделия – MODENGY 1014.

Что происходит внутри цилиндра при работе ДВС

При работе двигателя в цилиндре периодически происходит сгорание смеси топлива и воздуха, а, так же, производится выброс отработанных газов.

Сжатые поршнем газы загораются от электрической искры. Температура горения поднимается до 1800 градусов Цельсия. Поэтому, каждый двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит систему охлаждения.

Раскаленные газы расширяются, давление на поршень и стенки цилиндра резко возрастает. Это давление с силой толкает поршень, приводя его в движение. Усилие передается с поршня на шатун и далее на коленчатый вал, вращая его.

Примечание: Раскаленные газы обладают большим запасом внутренней энергии. Расширяясь, газы охлаждаются, при этом часть их внутренней энергии переходит в механическую работу.

Таким образом, энергия топлива преобразуется во вращение коленчатого вала.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

Экологические аспекты

За время использования установок, выявлены экологические проблемы тепловых двигателей. Если раньше человечество не ощущало выбросов в атмосферу, то по мере роста производства и увеличения количества установок, влияние чувствуется в значительной степени. Содержание углекислого газа за счёт рассеивания тепла в окружающую атмосферу ведёт к усилению парникового эффекта, что сказывается на всём живом и увеличивает среднегодовые показатели температур на Земле. Глобальное потепление катастрофически повлияет на мировой океан и последствия для цивилизации будут непредсказуемы.

Содержание углекислого газа

Очистка, глобальный контроль, применение новых экологических стандартов, вот что спасёт нашу планету. Применение новых, безвредных видов топлива, к которым относится водород, переход на возобновляемые виды энергии. Только объединённые усилия всех стран повлияют на ситуацию, действуя в общих интересах, убережём наш дом от полного вымирания.

Вредные вещества

Для работы тепловых двигателей чаще всего применяется ископаемое топливо или продукты его переработки: уголь, газ, мазут, бензин, керосин и др. Они никогда не сгорает на 100%, и остатки загрязняют окружающую среду.

Не меньший вред наносят продукты сгорания. При работе ТМ выделяются следующие виды вредных веществ:

  • сажа;
  • углекислый газ;
  • угарный газ;
  • оксид азота;
  • соединения свинца;
  • формальдегид;
  • бензол.

Атомные электростанции – также тепловые машины, в которых для нагревания рабочего тела используются ядерные реакции. Их эксплуатация связана с опасностью загрязнения окружающей среды радиоактивными материалами.

Парогазовая турбина

В структуре мировой энергетики усиливается удельный вес газовых турбин и парогазовых установок. Последние представляют собой агрегаты с двумя двигателями: паросиловым и газотурбинным.

На входе имеется газ, который расширяется и подается на лопатки газовой турбины. Генератор, прикрепленный к ее валу, начинает вырабатывать электрический ток.

Неиспользованный для этого процесса горячий воздух попадает в котел-утилизатор паросиловой установки, нагревая воду до образования пара.

Горячий пар подается на вторую турбину – паровую. Она приводит в действие второй электрогенератор.

  • Повышение КПД до 60 процентов
  • Низкая стоимость единицы получаемой энергии
  • Короткие сроки монтажа (до года)
  • Повышение экологичности и компактности по сравнению с паровыми турбинами
  • Возможность перестройки с паросиловой установки

Присоединяйтесь

© 2004 – 2021 ООО “АТФ”. Все авторские права защищены. ООО “АТФ” является зарегистрированной торговой маркой.

Изготовление ДВС

Материал: картон, клей, проволока, моторчик, шестерни, батарейка 9V.

Ход изготовления
1. Изготовили из картона коленвал (вырезали круг)
2. Изготовили шатун (сложили прямоугольный лист картона 15*8 пополам и ещё на 90градусов), на концах которого сделали отверстия
3. Из картона изготовили поршень, в котором сделали отверстия (под поршневые пальцы)
4. Поршневые пальцы сделали по размеру отверстия в поршне, свернув небольшой лист картона
5. С помощью поршневого пальца закрепили поршень на шатуне, а с помощью проволоки шатун прикрепили к коленвалу
6. По размеру поршня свернули цилиндр, а по размеру коленвала картер (Картер – коробочка под коленвал)
7. Собрали механизм вращения коленвала (с помощью шестерёнок и моторчика), так чтобы при больших оборотах моторчика вращающий механизм развивал меньшие обороты (чтобы он мог провернуть коленвал с шатуном и поршнем)
8. К коленвалу прикрепили вращающийся механизм и поместили его в картер (закрепив вр. механизм к стенке картера)
9. Поршень поместили в цилиндр и склеили цилиндр с картером.
10. Идущие два провода + и – от моторчика присоединяем к батарейке и наблюдаем движение поршня.

Тепловые двигатели и их роль в жизни человека

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Марта 2014 в 10:39, реферат

Краткое описание

В современной технике широко применяют тип теплового двигателя, в котором 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.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

двигатель Стирлинга вместо ДВС

В результате проведенных испытаний были выявлены следующие достоинства и недостатки двигателей внешнего сгорания.

  • Преимущества данных устройств:
  • бесшумная работа (нет необходимости устанавливать глушитель);
  • отсутствие вибраций;
  • нет необходимости в создании высокого давления в системе;
  • универсальность, способность работать от различных источников тепла;
  • легкость регулировок.

К недостаткам двигателей относятся:

  • сравнительно большой вес конструкции;
  • малая экономичность;
  • высокая себестоимость механизма.

Упрощенная схема V- образного двигателя внешнего сгорания:

V- образный двигатель внешнего сгорания

Один из цилиндров двигателя является рабочим (1), другой, соответственно, компрессионным (7). В каждом из них расположен свой поршень (2). В центральной части схемы размещены: охладитель (6), теплообменник (4), нагревательный элемент (3). При максимальной скорости одного из поршней, другой в это же время находится в неподвижном состоянии, его скорость равна нулю. Угол смещения фаз равен 90°, благодаря взаимно перпендикулярному расположению цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.

КПД тепловой машины

Рабочий цикл состоит из четырех тактов:

1) засасывания — горючая смесь попадает через клапан в цилиндр; 2) сжатия — оба клапана закрыты; 3) рабочий ход — взрывное сгорание горючей смеси; 4) выхлоп — выпуск отработанных газов в атмосферу.

Виды загрязнений

Выбросы токсичных веществ – главный негативный фактор воздействия тепловых машин на окружающую среду.

В процессе сжигания топлива расходуется много кислорода, что приводит к уменьшению его количества в воздухе. В странах с развитой промышленностью двигатели и турбины потребляют кислорода больше, чем его успевают выделять растения.

Тепловое загрязнение

При работе любого двигателя внешнего или внутреннего сгорания выделяется много тепла, что приводит к «тепловому загрязнению».

За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения.

Последствия для экологии

Тепловые машины – один из главных источников загрязнения окружающей среды. Экологические проблемы при использовании ТД носят комплексный характер – токсичные выбросы отравляют воздух, почву и воду.

Атмосфера принимает на себя первый удар. Тепловые машины ежегодно выбрасывают в окружающую среду около 60 млн тонн оксидов серы и примерно 200 млн тонн сажи. Количество окисей азота, соединений свинца, углеводородов также исчисляется миллионами тонн.

В мире эксплуатируется около 1 млрд автомобилей, на них приходится более половины ядовитых веществ, которые выбрасываются в атмосферу.

В 2021 году в атмосферу было выброшено 33,9 млрд тонн углекислого газа, что на 2% больше, чем годом ранее. Он считается одной из главных причин парникового эффекта и изменения климата.

Выхлопные газы автомобилей – основной источник токсичного смога в крупнейших городах мира. Концентрация вредных веществ в воздухе мегаполисов может превышать норму в десятки раз.

Токсические вещества из атмосферы попадают в почву или воду. Они меняют их химический состав, что самым негативным образом сказывается на живых организмах.

Влияние на живые организмы

Ядовитые выбросы, образующиеся при работе тепловых машин, разрушительно действуют на все живые организмы. Наиболее опасными считаются соединения свинца, азота, фенолы, углеводороды.

Например, свинец, который добавляют в моторное топливо, является сильнейшим канцерогеном. Аналогичными свойствами обладает хром, бром и их соединения.

Выбросы тепловых двигателей угнетают иммунную систему человека, приводят к дыхательным и сердечно-сосудистым заболеваниям.

Соединения азота и серы, вступая в реакции с влагой воздуха, образуют ядовитые кислоты. Именно они – причина кислотных дождей, которые убийственно действуют на почву и растительность.

Вид модели снаружи

Вид модели внутри

Как работает и где применяется двигатель внешнего сгорания

Несмотря на то, что двигатели Стирлинга были забыты на некоторый период, в современном производстве при создании новых модификаций выдающееся изобретение набирает новую популярность. Народные умельцы по достоинству оценили преимущества двигателей внешнего сгорания и сооружают самостоятельно в домашних условиях различные приспособления, основанные на их применении. Для изготовления теплового двигателя своими руками в домашних мастерских используются различные материалы и подручные средства:

  1. Большие и средние емкости, позаимствованные из домашнего хозяйства.
  2. Подшипники от старых механизмов.
  3. Диски.
  4. Металлические стержни различного диаметра для осей, стоек.
  5. Листы из металла, древесных плит для изготовления платформы.

Данные устройства используются в домашнем хозяйстве для выполнения самых различных работ:

  1. Вырабатывание электрической энергии в мелких масштабах.
  2. Создание тепловой энергии.

Количества мощности некоторых образцов самодельных двигателей Стирлинга, достаточно для обустройства электрической сети и обеспечения теплом частных домов, небольших школ, лечебных корпусов, спортивных сооружений, производственных мастерских и пр.

Двигатели, созданные своими руками, функционируют от различных источников тепла:

  • природный газ;
  • дрова;
  • уголь;
  • торф;
  • пропан и прочие виды топлива местного производства или полезных ископаемых.

Благодаря простоте конструкции, тепловые устройства, изготовленные своими руками, не нуждаются в регулярном техническом обслуживании агрегата. Сжигание топлива осуществляется за пределами корпуса цилиндра, поэтому рабочее тело не загрязняется продуктами сгорания, на внутренних стенках оборудования не скапливаются вредные отложения.

В сравнении с ДВС, в состав данной конструкции входит вдвое меньше подвижных узлов и деталей. Здесь требуется намного меньше смазки для ухода за быстро изнашиваемыми элементами. Требования к качеству смазочных материалов – минимальны.

Для подведения электросети к потребителям не требуется приобретать дорогостоящее оборудование. Подсоединение проводов к электрической сети осуществляется простыми привычными методами.

Двигатели внешнего сгорания, произведенные в бытовых условиях, легко монтируются на ровных площадках, покрытых гравием, без прочной фиксации. Данные установки не подвержены вредным атмосферным воздействиям. Для обеспечения бесперебойной стабильной работы двигателю не требуется специальный защитный корпус.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Французский математик и физик Мари Франсуа Сади Карно.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Негативное влияние на экологию

Вред, связанный с применением тепловых двигателей давно доказан. Они издавна загрязняли окружающий воздух. Дополнительный отрицательный эффект был связан с составом дыма. Мелкодисперсная угольная пыль попадала в лёгкие человека. Химический состав выбросов современного транспорта ещё хуже. Поэтому наблюдаются болезни лёгких: аллергические, обструктивные изменения; онкологические заболевания.

Экологические проблемы использования тепловых двигателей:

  1. кислотные дожди;
  2. разрушение озонового слоя;
  3. парниковый эффект.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 165.

Как устроен одноцилиндровый ДВС

Рассмотрим, какие части включает в себя одноцилиндровый двигатель (рис. 4).

Рис. 4. Основные части двигателя внутреннего сгорания

Основными частями являются цилиндр и поршень, который может двигаться внутри цилиндра поступательно. Над рабочей поверхностью поршня располагается свеча. В пространство между поршнем и свечой помещаются смесь паров топлива и воздуха. Такой газ называют рабочим телом. Электрическая свеча зажигания вызывает процесс горения топливовоздушной смеси.

Впуск воздуха и паров топлива и выпуск сгоревших газов осуществляется двумя клапанами, которые так и называют – впускным и выпускным.

А шатун соединяет поршень и коленчатый вал. С помощью такого соединения возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Для эффективной работы двигателя необходимо открывать и закрывать каждый клапан и подавать электричество к свече в нужные моменты времени. Поэтому, клапаны, поршень и свеча работают согласованно. Согласованность их работы реализована с помощью кулачкового механизма и различных датчиков, которые на рисунке не показаны.

Пути решения проблемы

Можно утверждать, что ТД породили современное индустриальное общество. При этом необходимость их замены с каждым днем становится все более очевидной. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды плохо сочетаются друг с другом.

Автобус на электрической тяге

Альтернативы для этого уже есть: тепловые электростанции можно заменить солнечными панелями, а автомобили с ДВС – электрокарами.

Такой переход потребует много времени и еще больше ресурсов, но результат оправдает эти затраты.

Теплоэнергетика

Предприятия теплоэнергетики следует вынести за границы населенных пунктов. От этого они не будут выделять в атмосферу меньше вредных веществ, но их концентрация в городах станет меньше.

Следует отказаться от наиболее «грязного» вида ископаемого топлива – каменного угля. Природный газ дает меньше выбросов сажи и других вредных веществ. Хорошей альтернативой является водород, однако технологии его получения и использования пока не отработаны.

Выбросы автомобилей

Вполне реально уменьшить вред, который окружающей среде и здоровью людей наносят автомобили с ДВС. Эффективным методом является жесткий контроль качества моторного топлива. Уже сегодня во многих странах запрещена продажа бензина с добавками свинца.

Существуют стандарты по количеству вредных веществ в выхлопных газах самих автомобилей. Они зависят от конструкции двигателя и системы зажигания, наличия нейтрализаторов.

Хорошим решением является перевод транспорта на различные виды природных газов.

Уменьшить загазованность в населенных пунктах позволяет правильная организация дорожного движения. Установлено, что большая часть выбросов происходит во время нахождения машин в «пробках».

Альтернативная энергетика

«Зеленая» энергетика – мощный тренд последнего десятилетия. К ней обычно относят ветроэнергетику, солнечные панели, биогаз, приливные электростанции. Они известны человечеству давно, но только сейчас становятся экономически выгодными.

Доля «зеленой» энергии в мировой генерации с каждым годом увеличивается.

Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт

  • Давление пара (свежего) — 23,5 МПа.
  • Температура пара — 540 °С.
  • Расход пара турбиной — 3600 т/ч.
  • Частота вращения ротора — 3000 об/мин.
  • Давление пара в конденсаторе — 3,6 кПа.
  • Длина турбины — 47,9 м.
  • Масса турбины — 1900 т.

работа тепловых машин

Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо — керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.

Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и винтов самолета или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.

Применения.

В прошлом паровые машины были по существу единственным первичным двигателем (если не считать водяного колеса), однако в 20 в. их вытеснили электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, обладающие более высокими КПД, а также большей компактностью, эффективностью и универсальностью применения.

На повозку паровую машину поставили впервые в 1769, однако практически используемые машины появились только в 1860-х годах. В 1906 на паромобиле Стэнли был установлен мировой рекорд скорости 190 км/ч на трассе в Орландо-Бич (шт. Флорида). Однако в последующие 20 лет паровые двигатели на автомобилях были вытеснены бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Паровые двигатели проиграли соревнование по двум причинам: они замерзали зимой и были неэкономичны, поскольку требовали много топлива и воды.

Аннотация к презентации

Посмотреть и скачать бесплатно презентацию по теме “Тепловые двигатели и их роль в жизни человека”. pptCloud.ru — каталог презентаций для детей, школьников (уроков) и студентов.

Многоцилиндровые двигатели.

Для повышения мощности двигателя и обеспечения большей частоты рабочих ходов создают двигатели с несколькими цилиндрами. Они могут стоять в ряд друг за другом (рядное расположение), в два ряда под углом друг к другу (V-образное), в четыре ряда (X-образное) или по окружности (радиальное). Иногда цилиндры располагают попарно головками друг к другу (оппозитное расположение). Для двигателей воздушного охлаждения обычно выбирают радиальную схему, с тем чтобы все цилиндры равномерно охлаждались потоком воздуха. Двигатели водяного охлаждения с числом цилиндров не более шести делают рядными; при большем числе цилиндров обычно используют V-образную схему – она более компактна.

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.

Загрязнение окружающей среды

Одним из самых больших недостатков в настоящее время является загрязнение окружающей среды. В процессе горения выделяются вредные вещества: азот, сера. Вместе с ними в атмосферу попадают и другие вредные вещества, а также металлы, которые добавляются в топливо, чтобы улучшить его качество.

Стоит обратить внимание и на то, что происходит выделение большого количества тепла. Это сильно влияет на изменение климата планеты. Такие изменения принято называть глобальным потеплением. К сожалению, глобальное потепление может грозить тяжелыми последствиями для экологии.

Немаловажно и то, что для своего функционирования двигатели поглощают большие объемы кислорода, взамен возвращая углекислый газ.

Если учесть, насколько тепловые машины распространены в мире, становится понятно как велико их негативное влияние на глобальную экологическую обстановку.

Для сохранения экологии начинают приниматься меры по ограничению применения тепловых двигателей. Например, в некоторых странах ограничивается использование автомобилей на определенных территориях. Ужесточаются требования к уровню экологического загрязнения теми или иными двигателями.

Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду

Один из способов уменьшения путей 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.
Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей. В Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2–3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2–3 раза.
Введение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырьё для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить упомянутые выше экологические проблемы.

Роторный двигатель Ванкеля.

Принципиально иной тип двигателя внутреннего сгорания был реализован в 1957 Ф.Ванкелем. Конструктивно двигатель относительно прост и допускает изготовление в любых размерах. Поршни заменены ротором приблизительно треугольного сечения, который вращается в камере специальной формы (поверхность камеры выполнена по эпитрохоиде), в которой размещены свеча зажигания и впускные и выпускные отверстия. Такая конструкция позволяет осуществить четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. В этом двигателе можно использовать дешевые сорта топлива; он почти не создает вибраций.

Главное преимущество двигателя Ванкеля – малые размеры при заданной мощности. В двигателе вдвое меньше движущихся частей, чем в поршневом, и, следовательно, он потенциально надежнее и дешевле в производстве.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий