Урок 11 Тепловые машины

Урок № 11

Тема: Тепловые машины

https://www.youtube.com/watch?v=B0rBgKtPEZg

1. Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Таким образом, машина – устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой. Другого назначения у машин нет.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы преобразуют механическую в электрическую, и так далее.

Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счёт энергии топлива. К ним относятся: паровая машина, реактивный двигатель.

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутреннюю энергию за счёт сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую. Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу:

- ∆U = A,

Где A – работа газа, - ∆U – уменьшение внутренней энергии.

1. Очевидно, что никогда не может произойти эквивалентного преобразования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, не преодоление трения в узлах на рассеивание в окружающую среду. Первая паровая машина преобразовала менее 1% от всей энергии в полезную работу.

Под коэффициентом полезного действия (КПД) машины понимают отношение работы к той энергии. Которая выделилась при полном сгорании топлива. КПД машины обозначается буквой ᵑ («эта»).

ᵑ = A : Q ۰ 100%.

Так как A

Если проследить историю развития тепловых машин то следует заметить, что постоянное усовершенствование машин в конструкции, в создании новых видов топлива привело к тому. Что современные машины имеют достаточно высокие значения КПД по сравнению с первоначальными моделями. Для современных паровых турбин КПД достигают 30-40%, для двигателей внутреннего сгорания 30-35%, для дизельных двигателей 35-42%.

1. При использовании тепловых машин остро встаёт вопрос загрязнения окружающей среды.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести углекислый газ СО₂, угарный газ СО, различные виды сернистых соединений, а также соединение тяжёлых металлов.

Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это направление является наиболее перспективным.

Кроме того, такие виды топлива как нефть уголь, природный газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50-100 лет человечество столкнётся с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

С другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы ни применялись машины.

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 году построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более250 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

Об истории создания тепловых машин.

В XVII веке наблюдается развитие производств, требую­щих совершенствования техники. Был нужен такой источник энергии, который не был бы «привязан» к одному месту, как энергия падающей воды, не зависел бы от погоды, как энергия ветра. И такой вид энергии нашли - тепло, а именно энергия во­дяного пара.

Французский физик Дени Папен вместе с немецким ученым Бюйгесом работал с 1682 года над созданием машины, в которой поршень внутри трубки поднимался бы при помощи взрыва по­рохового заряда, помещенного под цилиндром. После длитель­ных экспериментов в 1690 году они нашли идеально работающее тело - воду. Также он обнаружил увеличение температуры кипе­ния с ростом давления воды и применил это открытие для полу­чения воды при температуре выше 100 градусов по Цельсию, на­гревая ее в закрытом котле. Во избежание взрыва из-за слишком большого давления он применил изобретенный им предохрани­тельный клапан.

История создания паровых двигателей. В 1698 году анг­личанин Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 году, познакомившись с работами Папена, сле­сарь Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепло­вую машину. Она была первой машиной, которая с успехом при­менялась для подъема воды из шахт. Принцип ее работы был та­ким: пар из котла выходил в цилиндр и поднимал его доверху. За­тем в цилиндр под поршень пускали воду, пар конденсировался, давление понижалось, и атмосферное давление опускало поршень вниз. Однако машина была крайне громоздкой и требовала огром­ного количества угля. Поэтому ее можно было использовать только для откачки воды на шахтах. Понадобилось более 50 лет, прежде чем появился первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766 году) - русский ученый, механик. В первом из двух проектов Ползунова была разработана (впервые в мире) универсальная двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия с рабочим ва­лом, во втором конструкция была переработана и несколько упро­шена применительно к конкретной задаче - приведению в движе­ние воздуходувных мехов плавильных печей. При этом вторая ма­шина была в 10 раз больше и в 15 раз мощнее первой.

По расчетам исследователей, ее мощность составляла от 32 до 40 л. с. Второй проект был воплощен самим Ползуновым, отдавшим этой работе все свои силы. Машина была выполнена це­ликом из металла (впервые в мире), проработала всего два месяца, но даже за этот короткий срок не только окупила все затраты, но и принесла немалый доход. Была пущена в Барнауле, с помощью нее было расплавлено 9000 пудов серебряной руды.

Создателем универсального парового двигателя, который по­лучил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он намеревался прежде всего исключить потерю те­пла за счет охлаждения цилиндра. В 1784 году ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий момент ци­линдр с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремлялся. Так был изобретен конденсатор. Также Уатт внес в свою машину такие усовершенствования, как центробежный регулятор ввода пара, зо­лотник, паровая рубашка вокруг цилиндра, индикатор давления. Машина была двойного действия, то есть пар поступал по обе сто­роны от поршня.

Для расширяющегося машинного производства нужен был и механический транспорт. И такой появился, в его основе лежал универсальный паровой двигатель. В 1803 году в Париже на реке Сене американец Р. Фультон впервые испытал судно, движимое силой пара. А через 4 года по реке Гудзон уже ходил первый в ми­ре колесный пароход «Клермонт» с двигателем мощностью 20 л. с.

В 1814 году англичанин Джордж Стеферсон создал паровоз, который двигал состав весом 30,5 т со скоростью 6 км/ч. В России отец и сын Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834 году). Он вез состав весом 32 т со скоростью 13-16 км/ч.

В конце XIX века коренным образом изменился паровой дви­гатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так была создана в 1884 году англичани­ном Парсоном первая многоступенчатая паровая машина.

История создания двигателя внутреннего сгорания

На определенном этапе развития техники стало очевид­ным, что пользоваться теплом огня непосредственно для производ­ства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Но с самых же первых опытов возникли большие препятствия. Достаточно упомянуть разработки Ж. Гот-фейля (1678-1682) и X. Гюйгенса (1681). Оба ученых предлагали такназываемый атмосферный двигатель, у которого поршень подни­мался взрывом пороха вверх и фиксировался. После охлаждения продуктов сгорания под поршнем создавалось разряжение. У дви­гателя Гюйгенса под действием атмосферного давления поршень опускался, совершая полезную работу. У двигателя Готфейля раз­ряжение в подпоршневой полости использовалось для всасыванияводы, а после того как поршень переставали удерживать, он, опус­каясь, вытеснял воду. Реализовать эти предложения в то время не представлялось возможным из-за низкого уровня развития техники.

Разработки Папена, Севери, Ползунова, Уатта и др. привели к тому, что к концу XVII столетия паровая машина стала универ­сальным двигателем, и казалось, замены пару нет.

Представить себе двигатель, работающий не так, как паровая машина, было трудно. Возникло представление, что любое рабочее тело должно обладать свойствами пара и попадать в цилиндр в виде однородной массы с одинаковыми температурой и давлением. Та­ким рабочим телом могли стать продукты сгорания.

Решение задачи использования продуктов сгорания заключа­лось в поиске соответствующего горючего. Очевидно, таких попыток заменить пар было немало, но история сохранила лишь некоторые из них, да и то в очень неполном объеме. Например, работы братьев Ньепсов.(Известны благодаря своему вкладу в развитие фотогра­фии.)

Идея замены дефицитного во Франции угля иным топливом витала в воздухе. Братья занимались поисками такого топлива, продукты сгорания которого можно было бы использовать в качестве рабочего тела, подобного пару. В качестве такового они применили ликоподий - семена спорового растения-плауна. Этот чрезвычайно сухой, легкий и легковоспламеняющийся порошок использовался для эффектных вспышек во время театральных представлений. Счи­тать его конкурентом угля было нельзя, урожай плауна был очень ог­раничен.

Можно считать, что первая официально зарегистрированная попытка создания ДВС (двигателя внутреннего сгорания) была сде­лана почти одновременно с началом работ Ньепсов. В 1794 г. изо­бретатель Роберт Стрит получил в Англии патент № 1983 на атмо­сферный двигатель, работающий на продуктах сгорания горючей жидкости (терпентин или спирт). Жидкость наливалась на дно вер­тикального цилиндра, при нагреве испарялась, и ее пары смешива­лись с воздухом. После воспламенения горючей смеси продукты ее сгорания поднимали поршень и совершали работу.

В 1833 г. Вельмант Райт получает в Англии патент № 6526, в котором оговорено охлаждение цилиндров с помощью водяной ру­башки (двигатель двойного действия).

В 1838 г. в Англии выдан патент № 7615, согласно которому газ и воздух предварительно сжимают в отдельных цилиндрах, а смесь перед воспламенением дожимают в рабочем цилиндре. Вос­пламенение должно было производиться в мертвой точке с помо­щью раскаленной губчатой пластины или же пламенем через зо­лотник.

Были предложения использовать водород (1820, англичанин Сесиль). В 1841 г. Дж. Джонстон получил патент № 8841 на двига­тель, работающий на смеси водорода с кислородом.

На всемирной выставке в Париже в 1867 г. немецкий ком­мерсант Отто представил новый газовый двигатель, созданный в содружестве с инженером Лангеном.

Успешные опыты по замене светильного газа другими про­дуктами газификации вызывали желание попробовать применить пары жидкого топлива. Еще в 1873 г. американец Брайтон пытался использовать керосин. Но керосин плохо испаряется, и Брайтон перешел на бензин. Он же изобрел для своего двигателя первый испарительный карбюратор. Важно, что горение у Брайтона про­исходило при постоянном давлении.

На всемирной выставке в 1893 г. в Чикаго был удостоен выс­шей награды образец двигателя первого русского завода керосино­вых и газовых двигателей, в котором керосин подтекал к испарите­лю самотеком и воспламенялся с помощью металлической тру­бочки.

Первый бензиновый двигатель был построен в России в 1884 г. моряком русского флота Костовичем для дирижабля.

Импульсом для развития бензиновых двигателей послужило стремление использовать их на автомобиле. Решающий вклад в создание этих двигателей приписывают немецким инженерам Даймлеру и Майбаху.

Совершенствование двигателей шло в тесном взаимодейст­вии с совершенствованием производства.

Автором одного из самых крупных изобретений является Ру­дольф Дизель. По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления не ниже 33-35 атм. и повысить вследствие этого его температуру до 500-700 °С, то топливо, вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим воздухом. Но Дизель предлагал не просто постепенное сгорание, он имел в виду регулируемое сгора­ние с обеспечением постоянства температуры и давления. В ре­зультате многолетней работы был создан новый высо­кокачественный двигатель, носящий его имя. Первый же двигатель с воспламенением впрыскиваемого топлива от сжатия воздуха, по­строенный на заводе Нобеля, получил название «дизель», прочно закрепившееся за двигателями такого типа.

Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х годах XX в. появляются мощные авиационные ДВС конструк­торов Микулина и Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.

Двигатели на легком топливе и дизели прочно занимают по­зиции практически единственного вида силовой установки для наземного транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок водного транспорта. Конечно, современные ДВС конст­руктивно отличаются