тепловые двигатели.pps

Тепловые двигатели
.




Введение.
Тепловые двигатели – это двигатели в которых осуществляется
преобразование теплоты в работу или работы в теплоту. В основе
действия лежит круговой процесс, совершаемый рабочим телом (газом,
паром).
Еще в давние времена люди старались использовать энергию
топлива для превращения ее в механическую. В 17 веке был изобретен
тепловой двигатель, который в последующие годы был
усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях
энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, затем
расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней
энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению,
коэффициент полезного действия не высок.
К тепловым двигателям относится паровая машина, двигатель
внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивный
двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная
и атомная энергия.
Содержание.
Глава1. Паровые турбины.

1.1.История создания паровых машин.

1.2.Понятия о паровой турбине.
1.3. Активный принцип действия турбины.
1.4. Ступени скорости.
1.5. Внутренний процесс паровой турбины; потери и
коэффициенты полезного действия.
Глава2. Рабочий процесс двигателей внутреннего сгорания.
2.1. Сведения по истории развития двигателей внутреннего
сгорания.
2.2. Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания.
2.3. Принцип работы двигателей внутреннего сгорания.
2.4. КПД теплового двигателя.
Глава3. История создания паровозов.









Глава1. Паровые турбины.
1.1.История создания паровых машин.


О движущей силе пара люди знали с глубокой древности.
Одним из первых попытался воспользоваться этой силой
французский физик Ден Папен. Он пришел к идее
пароатмосферного двигателя представлявшего собой цилиндр с
поршнем, который мог подниматься под давлением пара и
опускаться при его конденсации. Однако ученый так и не смог
создать работоспособное устройство.
В 1696г. английский инженер Томас Севери изобрел паровой
насос для подъема воды. В 1707. насос Севери был установлен
в Летнем саду Петербурга. Английский механик Томас Ньюкоме
создал в 1705г. паровую машину для откачки воды из шахт.
В1712г. использовав идеи Папена, Севери, Ньюкомен построил
машину которая применялась на шахтах Англии до середины 18
века.

Но уже к 1765 году Джеймс Уатт сконструировал, а позже
усовершенствовал паровой двигатель принципиально нового типа
Его машина могла не только откачивать воду, но и приводить в
движение станки. К 1784году создание универсального парового
двигателя было практически завершено, и он стал основным
средством получения энергии в промышленном производстве
1.2.Понятия о паровой турбине.
Паровая турбина относится к числу ротативных лопаточных
двигателей. Ротативными называют такие машины, в которых
движение получается сразу во вращательной форме. Основная
часть таких машин- ротор, представляющий собой вал, на
который насажены диски. В лопаточных машинах диски ротора
снабжены по окружности лопатками (изогнутыми пластинками).
Лопатки паровой турбины получают энергию от непрерывно
протекающего по ним пара и передают ее через диски на вал, с
которого она поступает к потребителю (например, к
электрическому генератору).
1.3. Активный принцип действия турбины.


Работа в ступенях турбины может производиться активным
или реактивным способами.
Отличительная способность активного принципа
заключается в том, что изменение потенциальной энергии
рабочего тела. А в данном случае термодинамического
состояние пара, происходит только в соплах (снижение
давления пара), а на рабочих лопатках используется лишь
кинетическая энергия пара при его постоянном давлении.
Отличительная особенность реактивного принципа состоит в
том, что термодинамическое состояние пара изменяется лишь
на движущихся рабочих лопатках в связи с падением давления
пара на них, так что неподвижные сопла на них становятся
ненужными. Остановимся пока лишь на активном способе
работы.
В активной ступени рабочий процесс разделяется на две стадии. В соплах
осуществляется подготовительная стадия процесса, состоящая в снижение
давлении пара, сопровождаемом увеличением объемом пара и возрастанием его
скорости.
На лопатках осуществляется вторая (основная) стадия рабочего
процесса - передача лопатками энергии пара. Так как лопатки
имеют криволинейную поверхность, то струя пара, протекая по этой
поверхности, действует на нее центробежными силами, которые и
совершают работу. Поперечное сечение канала между лопатками
постоянно, поэтому давление пара и термодинамические
параметры остаются неизменными, не изменяется также и скорость
пара на поверхности лопатки.
Схема паровой машины
1- поршень
2-шатун
3- коленчатый
вал
4- маховик
Схематический разрез небольшой
реактивной турбины:
1 — кольцевая камера
свежего пара; 2 —
разгрузочный поршень;
3 — соединительный
паропровод;
4 — барабан ротора;
5, 8 — рабочие лопатки;
6, 9 — направляющие
лопатки;
7 — корпус.
Схематический продольный разрез
активной турбины с тремя ступенями
давления:
1 — кольцевая камера свежего пара;
2 — сопла первой ступени;
3 — рабочие лопатки первой ступени;
4 — сопла второй ступени;
5 — рабочие лопатки второй ступени;
6 — сопла третьей ступени;
7 — рабочие лопатки третьей
ступени.
1.4. Ступени скорости.
Активная ступень давления может быть подразделена на две,
реже на три ступени скорости. В этом случае диск турбины
обычно снабжен двумя рядами рабочих лопаток. Перед таким
диском устанавливается сопловой аппарат, а между венцами
рабочих лопаток помещается направляющий аппарат из
неподвижных лопаток, служащий лишь для изменения
направления движения пара без снижения давления.
Ступени скорости позволяют целесообразное использование
больших перепадов давления при меньших числах оборотов,
чем одновенечная ступень давления. Такая турбина мощностью
в десятки и сотни киловатт получили широкое применение в
качестве привода центробежных насосов, а также для
всевозможных вспомогательных целей на электростанциях.
1.5. Внутренний процесс паровой турбины;
потери и коэффициенты полезного действия.


При передаче работы с лопаток на вал через диски возникают
следующие потери: вследствие трения дисков о пар и вихревых
движений его, совместно с вентиляционными потерями
вследствие сопротивления лопаток, не заполненных рабочим
паром, и поэтому подсасывающих неработающий пар, и,
наконец, из-за протекания пара через зазоры из одной ступени в
другую.
Кроме того, могут возникнуть потери от удара струи при входе
на лопатку, а в последних ступенях- от влажности пара.

Все перечисленные выше потери, уменьшая работу,
производимую паром. В такой же мере повышают конечную
энтальпию пара в каждой ступени (недоиспользованные
калории остаются в паре). Таким образом, энтальпия пара при
выходе из ступени давления выше, чем в теоретическом
процессе, на величину потерь в этой ступени.
Глава2. Рабочий процесс двигателей
внутреннего сгорания.
1.1. Сведения по истории развития
двигателей внутреннего сгорания.
Двигателем внутреннего сгорания называется
поршневой двигатель, в котором топливо сжигается
непосредственно в рабочем цилиндре. В своих
главнейших деталях двигатель родствен паровой
машине, на базе которой он развивался.
Последовательность основных процессов,
составляющих в совокупности рабочий цикл
двигателя внутреннего сгорания, в общем случае
такова.


В цилиндр вводится горючая смесь, затем эта смесь
сжимается поршнем и в конце сжатия воспламеняется,
вследствие чего происходит повышение давления и увеличение
объема продуктов сгорания. Расширение газов в процессе
сгорания и последующее расширение их сопровождаются
передачей работы газов на поршень и вал. После расширения
продуктов сгорания удаляются из цилиндра, и он заполняется
свежей горючей смесью, а рабочий цикл замыкается.
Процесс газообмена(удаление продуктов сгорания и
поступление в цилиндр свежей смеси) может быть
осуществлено различно, и в зависимости от этого двигатели
разделяются на 2 класса: двухтактные, в которых все
перечисленные выше процессы завершаются за один оборот
вала, т.е. два хода поршня, и четырехтактные, в которых на
рабочий цикл требуется два оборота вала, т.е.четыре хода
поршня.


Первые работоспособные двигатели, нашедшие практическое
применение, были построены 100 лет назад и работали без
сжатия смеси перед ее зажиганием. Современный
четырехтактный способ работы со сжатием газа был предложен
в 1862г. Инженером Бо де Роша, а в 1878г. Такие двигатели
были построены инженером Отто и впоследствии получили
весьма широкое распространение. С1881г. Стал также
применяться двухтактный способ работы. Первые двигатели
работали на газообразном топливе. Вслед за этим стали
применятся различные виды жидкого топлива, представляющие
большие практические преимущества по сравнению с
газообразным топливо, особенно для транспортных двигателей.
Первый бензиновый карбюраторный двигатель был построен в
1879г. Капитаном русского флота Костовичем. В конце прошлого
столетия ряд отечественных заводов приступил к производству
калоризаторных двигателей для мелкой промышленности,
работавших на керосине и нефти. Последнее десятилетие 19
века ознаменовалось переходом к двигателям высокого сжатия
с самовоспламенением. Первый двигатель такого типа,
Построенный Р. Дизелем для работе на керосине, получил
практическое применение в 1896г.


Впервые годы 20 века отечественными заводами впервые в
мире были построены в 1903г. Судовые дизели для речных
теплоходов, затем в 1908 для военных судов. Отечественным
заводам принадлежит также приоритет в разработке
двухтактных двигателей высокого сжатия в1903г., а в 1906г Ими
же был предложен наиболее совершенный тип
газораспределения двухтактных двигателей – с так называемой
клапанно-щеловой прямоточной продувкой, пользующийся в
настоящее время широким применением.
В1907г был опубликован тепловой расчет рабочего процесса
двигателей внутреннего сгорания, созданный профессором
МВТУ В.И. Гриневецким, способствовавшим разработке
двигателей. Развитие двигателей в послереволюционный
период характеризуется большими успехами, достигнутыми
нашими заводами.
2.2. Теоретические циклы двигателей
внутреннего сгорания.

Для решения ряда принципиальных вопросов необходимо
рассмотреть термодинамическую сущность происходящих в
цилиндре двигателя явлений, отвлекаясь от некоторых
физических и химических процессов, неизбежным в реальном
двигателе. Таким путем мы получаем теоретические циклы
внутреннего сгорания. Предполагается, что в цилиндре
находится неизменное количество газа, например 1кг воздуха,
что сгорания топлива внутри цилиндра не происходит, а тепло
подводится без химических изменений газа. Вместо процесса
газообмена, предназначенного для замены горячих газов
холодным воздухом, теоретических циклах вводится условный
процесс охлаждения при постоянном объеме. Процессы сжатия
и расширения принимаются адиабатными.
2.3. Принцип работы двигателей внутреннего
сгорания.

Главнейшие процессы, происходящие в цилиндре
четырехтактного двигателя, следующие:
1) при ходе поршня сверху вниз через открытый клапан в
цилиндр засасывается горючая смесь или только воздух (ход
впуска).
2) при ходе поршня снизу вверх газовый заряд цилиндра
сжимается (ход сжатия), клапаны закрыты; если в цилиндр был
впущен только воздух, то в конце второго входа в цилиндр
подается также топливо.
3) при следующем ходе поршня сверху вниз происходит
сгорание топлива и расширение газов( ход расширения,
клапаны закрыты); в конце этого хода выпускной клапан
открывается и начинается процесс предварения выпуска для
снижения давления в цилиндре.
4) При последнем ходе (снизу вверх) через открытый
выпускной клапан происходит выталкивание продукта сгорания
из цилиндра (ход выпуска).
Ход расширения может быть назван рабочим, так как в этом
ходе в основном газы передают через поршень на вал работу,
часть которой поглощается сопротивлениями самого двигателя,
а остальная передается потребителю энергия.
Ходы сжатия и расширения, которые в теоретических циклах
принимаются адиабатными, в действительности приближаются
к политропным вследствие теплообмена между газом и
стенками, а также вследствие догорания смеси после основного
сгорания.
2.4. КПД теплового двигателя.




Любой тепловой двигатель превращает в механическую
энергию только незначительную часть энергии, которая
выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не
используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и
холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом,
получает от нагревателя некоторое количество теплоты.
Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за
счет своей внутренней энергии. Часть энергии передается
атмосфере – холодильнику - вместе с отработанным паром или
выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой
топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу.
Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности различных двигателей
введено понятие коэффициента полезного действия двигателя
– КПД.


Отношение совершенной полезной работы двигателя, к
энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом
полезного действия теплового двигателя.
Определить КПД теплового двигателя можно по следующей
формуле:

КПД=(Q1-Q2)/Q1*100%


Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при
сгорания топлива, расходует на совершение полезной работы
только одну четвертую часть. Тогда коэффициент полезного
действия двигателя равен 25% т.к. обычно КПД выражают в
процентах.
КПД двигателя всегда меньше единицы, т.е. меньше 100%.
Например КПД двигателя внутреннего сгорания 20-40%, паровых
турбин – выше30%.
Глава3. История создания паровозов.



Первый паровоз был построен в 1804 году Ричардом
Тревитиком. Однако железо в те годы было слишком дорого, а
чугунные рельсы не могли выдержать тяжелую машину.
В последующие годы многие инженеры пытались создавать
паровозы, но самым удачливым из них оказался Джордж
Стефенсон, который в 1812-1829гг не только предложил
несколько удачных конструкций паровозов, но и сумел убедить
шахтовладельцев построить первую железную дорогу,
способную выдержать паровоз. В сентябре 1825 года лучший из
целой серии сконструированных им паровозов совершил
первую поездку по линии Стоктон-Дарлингтон протяженностью
21 км. со скоростью около 12 километров в час.
В России первая железная дорога протяженностью 27
километров была открыта 12 ноября 1837года между
Петербургом и Царским селом. Паровоз, который вел поездом,
был куплен у Георга Стефенсона в Англии.



В России первую железную дорогу с паровой тягой построил
талантливый уральский мастер Мирон Ефимович Черепанов,
которому помогал его отец. Паровоз Черепановых начал ходить в
августе 1834 года в Нижнем Тагиле на Выйском заводе. По
железной дороге длинной 854 метров перевозили грузы массой до
3,3 т. со скоростью 13-16 километров в час.
Закончив работу над постройкой первого паровоза, Черепановы
продолжали работать над созданием второго паровоза.
Черепановы усовершенствовали свою первую модель, они
построили паровоз большего размера, способный везти до 16 тон
груза. Испытание этого паровоза прошли очень успешно.
Наряду с достоинствами у паровоза есть и существенные
недостатки. Самый серьезный - низкий коэффициент полезного
действия, который не превышает 7-9%, а часто снижается до 5%.
Это означает, что из каждых 100кг. топлива, сжигаемого в топке
паровозного котла, полезно используется только 5-9 кг. Только
паровозы с двигателем внутреннего сгорания обладают высоким
КПД.
Паровоз Черепановых.

Сейчас в России эксплуатируются электровозы переменного
однофазного тока ( питающее напряжение 25 кВ и частота
50Гц), а также постоянного тока (напряжение 3кВ). Это мощные
грузовые локомотивы отечественного производства и
пассажирские. Например, электровоз мощностью 9400 кВт
рассчитан на скорость 110 км а пассажирский мощностью
4920кВт – на скорость 160 км
Паровоз «Компауд».
Основной тип товарного поезда в 1892-1906г
Юпитер

Грузовой паровоз построенный в 1945г. По проекту Лебедянского.
Памятник паровоза построенного по проекту Лебедянского.
Заключение.


В наше время люди настолько привыкли к различным
машинам, что уже не могут представить себе жизнь без них.
Тепловые двигатели с давних времен занимают прочные позиции
в жизни человека. Несмотря на то, что прошло уже много лет они
только упрочили свои позиции.
Этот реферат может пригодиться для проведения урока по
физике на тему «Двигатели внутреннего сгорания», «Паровые
турбины».
Список литературы.
1. www.5ballov.ru.
2. Энциклопедия «Кирилла и Мифодия».
3. Виргинский В.С. Творцы новой техники в крепостной России – 2е изд., М.: Просвещение, 1962г.- 407с.
4. Врашев С.П. Машиноведение: Учеб. пособ. для техн. / под ред.
В.М. Тареева – М. 1956г. 463с.
5. Перышкин А.В. Физика 8 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб.
заведений.- 2-е изд., испр.- М.: Дрофа, 2000.-192с.
6. Книга для чтения по физике часть 2; сост. Н.А. Пушкарев и др.М.: Просвещение, 1961г. – 231с.
7. Большой энциклопедический словарь.
8 Энциклопедический словарь юного физика/сост. В.А Чуянов- 2-е
изд. испр. и доп. – М.: Педагогика 1991-336с.
9. Энциклопедия для детей. Т.14. Техника/ Глав. Ред. М.Д.
Аксенова. – М: Аванта; 2000-688с.
10. Изобретения: энциклопедия для детей – Мн.: Харвест, М.
издательство АСТ 2000- 480с.
11.Большая советская энциклопедия.