законы ньютона. Тепловые машины (тепловые двигатели)
 Скачать 34.52 Kb.
|
|
Филиал «Протвино» государственного университета «Дубна» Кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств» РЕФЕРАТ по дисциплине «Физика» Тема: Тепловые машины (тепловые двигатели). Выполнил студент: Молоканов А.А. Группа: ПА-191 Оценка в баллах: _________________________ Дата защиты: «____» ______________2020г. Преподаватель: _______________ А.Н. Сытин г. Протвино ОглавлениеВведение 3 Принцип работы тепловой машины 5 Виды тепловых машин 5 Двигатели внешнего сгорания - класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Самой известной разновидностью является двигатель Стирлинга. 7 Двигатель Стирлинга - тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла. 7 Двигатель Дизеля 11 Заключение 12 Источники 13 ВведениеТепловая машина – устройство, преобразующее тепло в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно жидкость или газ. Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту. Примеры тепловых двигателей: двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный двигатель, дизельный двигатель, реактивный двигатель), паровые и газовые турбины. История создания тепловых машин Многие считают, что история паровых машин началась лишь в конце 17 века в Англии. Но это не совсем верно. Еще в первом веке до нашей эры, одним из великих ученых древней Греции, Героном Александрийским был написан трактат «Пневматика». В нем описывались машины использовавшие энергию тепла. Наиболее интересными для нас, были две тепловые машины. Эолипил - шар «Эола», вращался вокруг своей оси под действием выходящего из него пара. Фактически это был прообраз будущих паровых турбин. Еще одним замечательным устройством Герона Александрийского был привод дверей храма, открывающихся под действием огня, зажженного на алтаре. При детальном разборе в этой сложной системе механизмов мы можем увидеть первый паровой насос. Все тепловые машины созданные Героном Александрийским использовались лишь в качестве игрушек. Они не были востребованы в свое время. Настоящая история паровых машин начинается лишь в 17 веке. Одним из первых, кто создал действующий прообраз паровой машины, был Дени Папен. Паровая машина Папена, была фактически лишь набросками, моделью. Он так и не сумел создать настоящую паровую машину, которая могла бы использоваться на производстве. 1680г. – Изобрёл паровой котёл 1681г. – Снабдил его предохранительным клапаном 1690г. – Первым использовал пар для поднятия поршня и описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя. 1707г. – Представил описание своего двигателя. Но его труды не были забыты на тысячелетия как труды Герона. Все его идеи нашли применение в следующем поколении паровых машин. Если точно установить, кто первым в истории техники создал паровую машину очень сложно, то вот кто первым запатентовал и применил на практике свою паровую машину известно достоверно. В 1698 году, Англичанин Томас Севери, зарегистрировал первый патент на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…». Как видите описание патента очень расплывчато. В действительности, им был создан первый паровой насос. Единственное, что он мог делать - поднимать воду. При этом КПД насоса был крайне низким, потребление угля было просто огромно. Поэтому основное применение насос получил на угольных шахтах. Им откачивали грунтовые воды. В 1712 году, мир увидел паровую машину Томаса Ньюкомена. Паровая машина Ньюкомена вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. В ней для совершения движения применялся паровой цилиндр с поршнем как в паровой машине Папена. При этом пар получали отдельно, в паровом котле, как в паровом насосе Севери. Несмотря на серьезный прорыв в создании паровых машин, свое основное распространение машина Ньюкомена получила только как привод для водяных насосов. Главные недостатки, паровой машины Ньюкомена заключались в ее огромных размерах и большом потреблении угля. Попытки применить ее для привода пароходов не увенчались успехом. Более 50 лет паровая машина Ньюкомена оставалась неизменной. В 1763 году, Джеймсу Уатту, работавшему механиком в университете Глазго, предлагают починить паровую машину Ньюкомена. В процессе работы с машиной Ньюкомена, Уатт приходит к мысли, что неплохо бы ее усовершенствовать. Во-первых, Уатт решает, что паровой цилиндр надо держать постоянно горячим. Так можно будет сократить расход угля. Для этого он создает конденсатор для охлаждения пара. Следующее, что он делает, изменяет принцип работы парового цилиндра. Если в паровой машине Ньюкомена рабочий ход машина свершала под действием атмосферного давления, то в паровой машине Уатта, поршень свершал рабочий ход под действием давления пара. Благодаря этому можно было увеличить давление в цилиндре и уменьшить размер паровой машины. В 1773 году, Уатт, строит свою первую действующую паровую машину. А в 1774 году, совместно с промышленником Метью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин. С 1775 по 1785 г. – фирмой Уатта построено 56 паровых машин. С 1785 по 1795г. – той же фирмой поставлено уже 144 такие машины. Дела шли успешно и Болтон просит Уатта создать паровую машину для своего нового листопрокатного завода. В 1884 году, Уатт создает первую универсальную паровую машину. Ее основное назначение – привод промышленных станков. С этого момента паровая машина перестает быть привязана к угольным шахтам. Ее начинают применять на заводах, устанавливать на пароходы, создавать поезда. Именно паровая машина Уатта совершила технологический прорыв в технике. Она открыла новую эпоху в истории техники – эпоху паровых машин. Принцип работы тепловой машиныТепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть рабочее вещество или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель, где рабочее вещество получает энергию и холодильник, отбирающий у рабочего тела тепло. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ. Виды тепловых машинТепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающие от внешнего источника, в механическую работу. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника. Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов. Первый такт Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень влево. Во время движения поршня от правой стенки к левой колесо делает пол оборота. Выпуск В самом конце движения поршня к левой стенке паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук. Второй такт В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к правой стенке. В это время колесо делает еще пол оборота. Выпуск В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно. Цикл повторяется заново. Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД не превышал 9%. Значительного повышения КПД удалось достигнуть в результате изобретения паровой турбины. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500°С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигнуть 1000 м/с. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию. Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии, приводятся в действие паровыми турбинами. Двигатели внешнего сгорания - класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Самой известной разновидностью является двигатель Стирлинга.Двигатель Стирлинга - тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года. В 1843 году Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30%. Этот двигатель имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Фазы: Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. Разновидности циклов: Альфа-Стирлинг - содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным - в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Бета-Стирлинг - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объём горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Гамма-Стирлинг - тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель). Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины. Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Исторически первый работающий двигатель внутреннего сгорания - двигатель, запатентованный в 1859 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. У двигателя Ленуара низкий термический КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность. В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов. Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Внутри цилиндра передвигается поршень. Поршень снабжен металлическим стержнем, служащим для соединения поршня с шатуном. Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов - впускной подается горючая смесь, через другой - выпускной выбрасываются продукты сгорания. Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это - приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры. Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси - карбюратор. Работа двигателя состоит из четырех тактов: I такт - всасывание. Открывается впускной клапан, и поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора. Этот процесс происходит при постоянном давлении. II такт - сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатическому. Смесь при сжатии нагревается (АВ). III такт - сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения, смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу - воздуху - количества тепла, резким возрастанием температуры, давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим (ВС). Сила давления газов - раскаленных продуктов сгорания горючей смеси - толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного (СD). IV такт - выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу. Из четырех тактов двигателя только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т.п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. На практике КПД двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20-30%. Двигатель ДизеляДля дальнейшего повышения КПД двигателя внутреннего сгорания в 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела. Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается до 600 - 700°С. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом. Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе, а происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп. Кроме вышеописанного четырёхтактного цикла, возможно использование двухтактного цикла. При рабочем ходе поршень идёт вниз, открывая выпускные окна в стенке цилиндра, через них выходят выхлопные газы, одновременно или несколько позднее открываются и впускные окна, цилиндр продувается свежим воздухом из воздуходувки - осуществляется продувка, совмещающая такты впуска и выпуска. Когда поршень поднимается, все окна закрываются. С момента закрытия впускных окон начинается сжатие. Перед достижением поршнем ВМТ, из форсунки распыляется воспламеняющееся топливо. Происходит расширение - поршень идёт вниз и снова открывает все окна и т.д. Современные дизели имеют КПД около 40%. Дизельные двигатели применяются для привода стационарных силовых установок, на рельсовых (тепловозы, дизелевозы, дизель-поезда, автодрезины) и безрельсовых (автомобили, автобусы, грузовики) транспортных средствах, самоходных машинах и механизмах (тракторы, комбайны, асфальтовые катки, скреперы и т.д.), а также в судостроении в качестве главных и вспомогательных двигателей. ЗаключениеТепловые двигатели - необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить современный транспорт. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду. В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов, использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания, повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др. ИсточникиВиды тепловых машин [Электронный ресурс]. –URL: https://knowledge.allbest.ru/, свободный – (04.11.2020) Тепловые машины [Электронный ресурс]. – URL: http://5fan.ru/, свободный – (04.11.2020) |