Тепловые двигатели и их применение

Реферат

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном — поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном — двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном — тепловозы с дизельными установками, в авиации — поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Паровые машины, Паросиловая станция.

паросиловой станции

Рис.1. Схема оборудования

паросиловой станции

Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конден­сатор).

Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел.

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке цир­кулирует практически одна и та же вода (утечка пара не­велика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют.

Паровая турбина

Турбина (см. рисунок 2) состоит из сталь­ного цилиндра, внутри которого находится вал с ук­репленными на нем рабочими колесами. На рабочих ко­лесах находятся особые изогнутые лопатки (b).

Ме­жду рабочими колесами помещаются сопла или направляю­щие лопатки (a).

Пар, вырываясь из промежутков между на­правляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя ра­боту. Причиной вращения колеса в паровой турбине яв­ляется реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе .

барабана,

В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активны е и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления . В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.

Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применение паро­вых турбин на транспорте, но очень удобно для враще­ния электрических генерато­ров.

Лопатки на рабо­чем колесе паровой турбины

Рис.2. Схема устройства паровой турбины

Весьма важной для элект­рических станций является возможность строить турби­ны на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности дру­гих типов тепловых двигате­лей. Это обусловлено равно­мерностью вращения вала турбины. При работе турби­ны отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.

Поршневая паровая машина.

В основу краткой классификации паровой машины могут быть положены признаки:

по назначению

по расположению и числу цилиндров

по числу оборотов

по давлению и способу использования отработавшего пара

по действию пара на поршень

по типу парораспределения


Рис.3. Принцип действия паровой машины

Коэффициент полезного действия теплового двига­теля

Рис.4. Примерный энергетический баланс

паросиловой станции с турбиной

разности температур

Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижать температуру в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым. При очень низ­ких давлениях плотность пара очень мала и при большом количестве пара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины и конденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.

Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по пути использования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающей конденсатор. Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей. Можно также производить расширение пара в турбинах только до давления 5—6 атм. Из турбины при этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промыш­ленных целей.

теплоэлектроцентралью

Рис.5. Примерный энергетический баланс ТЭЦ

Двигатели внутреннего сгорания, Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Рассмотрим устройство четырехтактного бензино­вого двигателя автомобильного типа (см. рисунок 6).

Устройство двига­телей, устанавливаемых на тракторах, танках и самоле­тах, в общих чертах сходно с устройством автомобильного двигателя.

Основной частью двигателя внутреннего сгорания яв­ляется один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и на­звание двигателя.

Устройство поршня двигателя внутреннего

сгорания. Справа показано присоединение

шатуна к поршню

Рис. 6. Устройство двигателя внутреннего сгорания

Внутри цилиндра передвигается поршень. Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружи­нящими кольцами 2, вложенными в канавки на поршне (поршневые кольца).

Назначение поршневых колец — не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (пока­заны штриховой линией).

Поршень снабжен металлическим стержнем 3 («пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою оче­редь служит для передачи дви­жения от поршня коленчатому валу 5.

Верхняя часть цилиндра со­общается с двумя каналами, за­крытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются про­дукты сгорания. Клапаны име­ют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Кла­паны открываются при по­мощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки подни­мают клапаны посредством стальных стержней (толка­телей).

Кроме клапанов, в верхней части цилиндра поме­щается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, полу­чаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

Рис.7. Схема устройства карбюратора


Рис.8. Такты работы двигателя

внутреннего сгорания

Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке 7. Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозь отверстие

1

за­сасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки

2,

соединенной с поплавковой камерой

3.

В камере

3

нахо­дится бензин, подцеживаемый при помощи поплавка

4

на таком уровне, что в трубочке

1

он как раз доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь при натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой

6

и тем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя с большой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его (по принципу пульверизатора).

Таким образом полу­чается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7.

Работа двигателя состоит из четырех тактов:

всасывание.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

сгорание.

IV такт — выпуск (выхлоп).

Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота ко­ленчатого вала) 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. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имею­щего место при нормальной работе).

Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно дей­ствует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры . Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В ра­диаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом пре­имуществ, являющихся причиной его широкого распро­странения (компактность, малая масса).

С другой стороны, недостатками двигателя являются:

б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например, не работает карбюратор).

Так как температура газов, получающихся при сго­рании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %.

Рис.9. Примерный энергетический баланс

автомобильного двигателя внутреннего сгорания

Двигатель Дизеля.

Это затруднение обойдено в двигателе, сконструирован­ном в конце XIX века Р. Ди­зелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически по­казано на рисунке 10. В дизеле подвергается сжатию не го­рючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500 — 600°С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр впрыски­вается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и впрыскивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобиль­ном двигателе, поршень движется вниз и производит ра­боту. Затем производится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %).

Он может иметь зна­чительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теп­лоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом ди­зеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.

Рис.10. Схема двигателя Дизеля

Реактивные двигатели

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи.

В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).

Для создания реактивной тяги, используемой реактивным двигателем, необходимы:

  • рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя;
  • сам реактивный двигатель — преобразователь энергии.

Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца).

Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскаленные газы — продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивным соплом.

воздушно-реактивные двигатели

Воздушно-реактивные двигатели.

бескомпрессорные

Бескомпрессорные

Прямоточные, Пульсирующий

Компрессорные

Турбокомпрессорные

Рис.11. Схема устройства турбореактивного двигателя

На рисунке 11 показана схема уст­ройства одного из типов реактивных двигателей, устанав­ливаемых на самолетах. Двигатель заключен в цилинд­рический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло).

Воздух входит в переднее отверстие (это показано стрелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая воспламе­няется, образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую ком­прессор, а затем вырываются через сопло из заднего от­верстия двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолет с силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.

Тяга турбореактивных двигателей с высотой и скоростью полета уменьшается, экономичность увеличивается. Для облегчения взлета самолета с таким двигателем иногда используют двигатели-ускорители. Также тяга турбореактивного двигателя может быть увеличена путем дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом.

турбовинтовые двигатели

Ракетные двигатели

РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных летательных аппаратах. Ракетный двигатель обладает многими примечательными особенностями, но главная из них заключается в следующем. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном пространстве.

жидкостные ракетные двигатели

В стадии исследования, разработки и частичного применения находятся ракетные двигатели:

  • ядерные (собственно ядерные, термоядерные, радиоизотопные).

    Тяга двигателей создается за счет энергии, выделяющейся в результате реакции деления ядер тяжелых элементов (собственно ядерный), реакции управляемого синтеза ядер легких элементов (термоядерный) или в результате радиоактивного распада изотопов (радиоизотопный);

электрические

газоаккумуляторные

фотонные.

комбинированные

По назначению и характеру использования в ракетно-космической технике ракетные двигатели подразделяются на основные (маршевые, стартовые) и вспомогательные (рулевые, корректирующие, микроракетные, тормозные и др.).

Жидкостные ракетные двигатели

ЖРД состоит из одной или нескольких камер сгорания с индивидуальным или общим реактивными соплами, системы подачи компонентов ракетного топлива, органов регулирования и вспомогательных агрегатов.

ЖРД подразделяются:

по типу используемого ракетного топлива

по системе подачи топлива

по схеме использования топлива

В качестве жидкого ракетного топлива используются:

  • в качестве горючего – легковоспламеняющиеся и, как правило, токсичные вещества углеводородного состава (спирты, типа керосин, жидкий водород) и азотоводородного состава (амины, гидразин, несимметричный диметилгидразин (так называемый, гептил), аммиак и др.);

окислителя

Твердотопливные ракетные двигатели

РДТТ состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором размещен весь запас ракетного топлива в виде заряда, реактивного сопла, воспламенительного устройства, а также может содержать устройство для регулирования тяги по величине и направлению и устройство «отсечки» тяги (выключения двигателя).

Твердое ракетное топливо содержит окислитель и горючее в твердой фазе. По сравнению с жидким ракетным топливом имеет преимущества: возможность длительного хранения ракеты в снаряженном состоянии и высокую плотность. Основные недостатки: трудность управления процессом сгорания и относительно невысокая теплота сгорания.

Термомагнитные двигатели и

тепловые двигатели с внешним подводом теплоты

термомагнитный двигатель

Термомагнитный двигатель

Используя горячие газы, полученные сжиганием жидкого или газообразного топлива, предложенный двигатель может заменять двигатели внутреннего сгорания. Однако новый двигатель гораздо проще по конструкции и работает без шума, что является его большим достоинством.

Новый двигатель может также работать, используя горячие газы, являющиеся отходами при работе различных высокотемпературных агрегатов: металлургических печей, котельных установок и т.п.

Двигатель с внешним подводом теплоты

Наиболее перспективным применением двигателя является использование его в частных домах в районах с холодным климатом (Север и Сибирь Российской Федерации, Аляска, Канадский Север, Скандинавия).

В этом случае тепло отходящих газов системы отопления будет использовано для обеспечения дома электроэнергией. Двигатель также может приводить в движение насос для подачи в дом воды из реки.

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду

Тепловые двигатели (в том числе и реактивный) – 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.

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличивая поглощение ИК – излучения, приводит к повышению ее температуры («парниковый эффект»).

Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05ºС. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана.

Продукты сгорания топлива существенно загрязняют окружающую среду.

Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека.

Потребление кислорода при горении топлива уменьшает его содержание в атмосфере.


(К. Маркс, Ф. Энгельс.