Достоинства и недостатки тепловых двигателей кратко

Обновлено: 05.07.2024

ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ, машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые. См. также АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА; ТУРБИНА.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм.

В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа – либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях.

В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре.

Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.

ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.

Паровые машины.

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.)

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.

Двигатель Стирлинга.

Для применения на автомобилях рассматриваются и другие типы двигателей внешнего сгорания. В двигателе Стирлинга используется горячий воздух, гелий или водород, а не пар. Рабочий цикл двигателя осуществляется за 4 такта: сжатие, нагревание, рабочий ход, охлаждение. Рабочий газ нагревается внешним источником тепла, как в паровой машине, а охлаждается водой, постоянно циркулируя в двигателе. Этот двигатель был изобретен в 1816 шотландцем Р.Стирлингом.

Двигатель Стирлинга имеет определенные преимущества по сравнению с паровыми машинами, а именно, слабое воздействие на окружающую среду и довольно высокий КПД. Наиболее совершенные конструкции двигателей Стирлинга разработаны для судов и грузовых автомобилей.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.

Тепловые циклы.

Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).

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.

Двухтактный цикл.

В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.

Достоинства и недостатки.

Очевидным преимуществом двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что в нем вдвое чаще совершается рабочий ход, конструкция получается проще и легче (не требуется клапанный механизм, а маховик может иметь меньшую массу, поскольку он должен провернуть двигатель только на полоборота, а не на полтора, как в четырехтактном). Однако в двухтактный двигатель приходится подавать больше топливной смеси, чем в четырехтактный той же мощности, поскольку пространство его рабочего цилиндра не полностью освобождается от продуктов сгорания. Кроме того, укорачивается рабочий ход, в конце которого газы уже покидают рабочий цилиндр. Еще одним недостатком двухтактного двигателя являются проблемы со смазкой. В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленвала разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем; в двухтактном двигателе топливная смесь захватывает брызги масла, проходя в картер и далее в рабочий цилиндр, и они уносятся с отработанными газами, уменьшая смазку цилиндра. Эта проблема решается добавлением масла в топливную смесь, что приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара. Анализ достоинств и недостатков показывает, что сравнительно небольшие двигатели, для которых легкость, компактность и простота важнее проблем смазки и загрязненного выхлопа, предпочтительнее делать двухтактными. Такие двигатели применяются в газонокосилках, небольших мотоциклах и в моделях самолетов. Четырехтактные двигатели чаще делают в виде мощных установок с несколькими рабочими цилиндрами.

Топливовоздушная смесь.

Охлаждение.

Хотя основная задача теплового двигателя – преобразование тепловой энергии в механическую работу, двигатели внутреннего сгорания вырабатывают больше тепла, чем могут преобразовать. Чтобы не произошло разрушение двигателя из-за перегрева, необходимо предусмотреть охлаждение цилиндров. Цилиндры небольших, а также авиационных двигателей обычно охлаждаются потоком воздуха; для улучшения охлаждения они имеют развитую внешнюю поверхность – ребра охлаждения. В больших двигателях, особенно если они находятся в замкнутом пространстве (в автомобилях или на судах), цилиндры охлаждаются жидкостью. В качестве охлаждающей жидкости используется, как правило, вода или какая-либо другая плохо испаряющаяся жидкость (например, этиленгликоль), которая не замерзает при низких температурах и неработающем двигателе. Эта жидкость охлаждается в радиаторе потоком воздуха.

В полезную работу превращается лишь 20–30% всего тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Еще 30% поглощается системой охлаждения, а остальное теряется с выхлопными газами.

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.

Карбюраторные двигатели.

Важной проблемой двигателей внутреннего сгорания является создание топливовоздушной смеси.

В бензиновых двигателях смешение воздуха с топливом происходит в карбюраторе. Обычно состав смеси регулируется за счет изменения расхода топлива, но если требуется богатая смесь (например, при запуске двигателя), то уменьшают (дросселируют) подачу воздуха.

Смесь воспламеняется искрой между электродами свечи зажигания, установленной в головке блока цилиндров. Электрическое питание обеспечивается аккумулятором или небольшим электрическим генератором; высокое напряжение, требуемое для искры, получают с помощью катушки зажигания.

Клапаны четырехтактного двигателя открываются и закрываются кулачковым механизмом, который связан с коленчатым валом зубчатой передачей. Поскольку каждый клапан открывается и закрывается один раз за два оборота коленчатого вала, кулачковый (распределительный) вал вращается в два раза медленнее коленчатого.

Синхронизация операций во времени.

Для наиболее полного и эффективного использования энергии горячих газов воспламенение топлива в цилиндре, как и другие операции, должно происходить в строго определенные моменты времени. В большинстве двигателей воспламенение производится незадолго до окончания хода сжатия, поскольку сгорание топлива не происходит мгновенно. Время, требуемое для сгорания топлива, зависит от конструкции двигателя (главным образом от размеров цилиндра). В небольших двухтактных двигателях камера сгорания компактная, пламя быстро охватывает весь объем, и оптимальный момент зажигания лишь ненамного опережает момент конца хода сжатия. В больших двух- и в четырехтактных двигателях расстояние от искрового зазора свечи до концов камеры сгорания больше, и, соответственно, должно быть больше опережение зажигания. Однако для больших цилиндров повышается вероятность детонации – преждевременного, самопроизвольного и нерегулируемого горения или даже взрыва топлива, что может вызвать опасное увеличение температуры и давления в камере сгорания. Поэтому на практике выбирают меньшее опережение зажигания, чем определенное теоретически. Момент возникновения искры задается прерывателем-распределителем, который приводится во вращение от распределительного вала. Регулировка момента зажигания относительно положения поршня осуществляется за счет поворота корпуса распределителя. Величина опережения зажигания определяется в градусах поворота распределительного вала относительно положения, соответствующего нахождению поршня в верхней мертвой точке. Эта величина составляет от 2 до 10.

В четырехтактном двигателе необходимо синхронизировать моменты открытия впускных и выпускных клапанов. Эти клапаны открываются перед началом соответствующего хода и закрываются после его окончания. Так, если бы впускной клапан закрылся в момент достижения поршнем нижней точки, цилиндр не до конца заполнился бы топливовоздушной смесью. Поэтому клапан не закрывается, пока не начнется движение поршня вверх для сжатия смеси, и в цилиндр успевает поступить больше топлива (т.е. жертвуют некоторой степенью сжатия ради увеличения подачи топлива). Более раннее открытие и позднее закрытие клапанов приводит к нежелательным утечкам топлива с выхлопными газами и неполному расширению продуктов сгорания, однако эти потери перекрываются увеличением подачи топлива.

Степень сжатия.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем больше сила, толкающая поршень. Степень сжатия у автомобильных карбюраторных двигателей изменяется в диапазоне от 7:1 до 11:1.

Дизельные двигатели.

При сжатии газа его температура повышается. Это повышение температуры в двигателях Р.Дизеля (1858–1913) используется для воспламенения топливовоздушной смеси. В цилиндре такого двигателя происходит сжатие только воздуха, а топливо впрыскивается под высоким давлением в конце хода сжатия. Поэтому в дизельных двигателях не нужна система зажигания, нет сложностей с опережением зажигания и можно использовать сравнительно дешевое дизельное топливо вместо дорогого продукта высокой переработки нефти – бензина. Не требуется и карбюратор, поскольку нет предварительного смешивания топлива с воздухом. Однако из-за высокой степени сжатия конструкция должна быть прочнее (и тяжелее); необходимо также обеспечить впрыск топлива под большим давлением.

Высокая степень сжатия в дизельных двигателях (до 20:1) обусловливает и более высокий КПД. Поэтому дизельные двигатели применяют в тех случаях, когда важен не столько вес, сколько экономичность и высокая мощность: на кораблях, грузовиках и железнодорожных локомотивах.

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.

Казанджан П.К. Теория двигателей летательных аппаратов. Киев, 1975
Стечкин Б.С. Теория тепловых двигателей. М., 1977
Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1983
Ефимов С.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1985

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.

Разновидностей тепловых двигателей

Двигатели внешнего сгорания:

Двигатель Стерлинга. Основной принцип заключается в процессе нагревания и охлаждения вещества в замкнутом пространстве при помощи внешних источников тепла.
Паровые машины. Используется сила давления пара, образующегося при нагревании воды. При этом камера для сгорания топлива находится отдельно от рабочей камеры.

Двигатели внутреннего сгорания:

Поршневой. Способом получения механической энергии является процесс сгорания топлива внутри рабочей камеры. В результате этого приводятся в движение поршни. Основное место применения – современные автомобили.
Роторный. В отличие от поршневого двигателя воздействие оказывается на ротор. Применяется в конструкции электростанций, а также в некоторых автомобилях.
Реактивный двигатель. Используется принцип тяги, возникающий при выбросе отработанных газов в процессе сгорания топлива. Применяется в ракетостроении.

Тепловые двигатели имеют как преимущества, так и недостатки.

Преимущества использования тепловых двигателей

Простота. Работа тепловых механизмов основана на простых и понятных принципах. Используются физические явления, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни: процессы охлаждения и нагревания жидкостей, газов, что приводит к уменьшению или увеличению их объема. Как известно, чем проще механизм, тем он надежней, и, что немаловажно, его легче ремонтировать.
Автономность. Одним из наиважнейших преимуществ является автономность. При помощи транспортных средств человек может не ограничивать себя в передвижении. Это возможно благодаря тому, что двигатель может быть установлен на любой платформе. Он самодостаточен и не требует постоянной связи с какими-либо дополнительными источниками энергии.
Эффективность. На сегодняшний день это одна из самых эффективных разновидностей двигателей. Поэтому применение очень обширно: начиная с газонокосилки или бензопилы, и заканчивая современными автомобилями, электростанциями, космическими ракетами.
Источник энергии. Тепловые машины используются в качестве источника электроэнергии. Это могут быть как маленькие генераторы, обеспечивающие электричеством отдельно взятый дом, так и большие электростанции, которые снабжают целые города. Поэтому можно сказать, что другие типы двигателей, например электродвигатели, в какой-то степени зависят от тепловых.
Компактность. Благодаря высокой эффективности тепловые двигатели, при относительно небольших габаритах, обладают хорошими характеристиками. Это также послужило причиной их широкого распространения во всех сферах человеческой жизни.

Недостатки тепловых двигателей

Помимо плюсов тепловые машины имеют и недостатки.

Низкий КПД

Конструкция двигателей такого типа предполагает использование внутренней энергии топлива. Часть этой энергии переходит в механическое действие, то есть совершает полезную работу. Но большая часть расходуется впустую.

Отношение энергии потраченной в пустую к энергии совершающей полезную работу и называют коэффициентом полезного действия.

Постоянно ведущиеся разработки позволяют улучшать этот коэффициент. Однако до сих пор нет возможности преодолеть даже порог в 50%. Это значит, что более половины энергии, затраченной на функционирование двигателя, не совершает полезной работы.

Это приводит к тому, что топливо не может расходоваться максимально эффективно.

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.

Вывод

В наши дни огромные усилия тратятся на то, чтобы улучшить положительные моменты и уменьшить негативное влияние тепловых машин. Несмотря на несовершенство конструкции, они по сей день остаются незаменимыми для нас, и останутся такими еще на долгое время.

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Достоинство и недостатки тепловых двигателей. Презентация на заданную тему содержит 10 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Краткая история. Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVIIв. был изобретён 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, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается,а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

Двигатель внутреннего сгорания. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.

Паровая турбина. В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами. ПАРОВАЯ ТУРБИНА, турбина, преобразующая тепловую энергию водяного пара в механическую работу. Подразделяются на стационарные (напр., на теплоэлектростанции) и транспортные (судовые). Выполняются одно- и многокорпусными (обычно не более 4 корпусов), одновальными (валы всех корпусов на одной оси) и с параллельным расположением 2-3 валов. В Российской Федерации строят паровые турбины мощностью от нескольких кВт до 1200 МВт. В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а несколько дисков, насажанных на общий вал. Турбины применяют на тепловых электростанциях и на кораблях.

Ракетный двигатель РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, реактивный двигатель, не использующий для работы окружающую среду (воздух, воду). Распространены химические ракетные двигатели (разрабатывают и испытывают электрические, ядерные и другие ракетные двигатели). Простейший ракетный двигатель работает на сжатом газе. По назначению различают разгонные, тормозные, управляющие и др. Применяют на ракетах (отсюда название), самолетах и др. Основной двигатель в космонавтике.

Значение тепловых двигателей Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- 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.

Цикл Карно КАРНО ЦИКЛ, обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов; впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением кпд тепловых машин. Кпд Карно цикла n не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т. п.) и определяется температурами теплоотдатчика Т1 и теплоприемника Т2, n = (Т1-Т2)/Т1. Кпд любой тепловой машины не может быть больше кпд Карно цикла (при тех же Т1 и Т2).

Вред наносимый окружающей среде Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца. Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.

Уменьшение загрязнений окружающей среды. Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды- использование 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.

1. Достоинство и недостатки тепловых двигателей

2. Краткая история.

Ещё в давние времена люди старались
использовать энергию топлива для
превращения её в механическую. В XVIIв. был
изобретён 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, а газ (пар) расширяясь,
совершает работу и охлаждается,а часть его
внутренней энергии при этом превращается в
механическую энергию. К сожалению,
коэффициент полезного действия не высок.

3. Типы тепловых двигателей.

4. Двигатель внутреннего сгорания.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором
часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется
в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по
рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления
горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели)
смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные,
реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5.
Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.
В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который
работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком
топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре
такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя
состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.
Для усиления мощности и
лучшей системы обеспеченности
равномерности вращения вала,
используют 4,8 и более цилиндровых
двигателей. Особенно мощные
двигатели на теплоходах, тепловозах
и др.

5. Паровая турбина.

В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового
двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал
двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели
называют турбинами.
ПАРОВАЯ ТУРБИНА, турбина, преобразующая тепловую энергию
водяного пара в механическую работу. Подразделяются на стационарные (напр.,
на теплоэлектростанции) и транспортные (судовые). Выполняются одно- и
многокорпусными (обычно не более 4 корпусов), одновальными (валы всех
корпусов на одной оси) и с параллельным расположением 2-3 валов. В
Российской Федерации строят паровые турбины мощностью от нескольких кВт
до 1200 МВт.
В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а
несколько дисков, насажанных на общий вал. Турбины применяют на тепловых
электростанциях и на кораблях.

6. Ракетный двигатель

РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, реактивный двигатель, не использующий для
работы окружающую среду (воздух, воду). Распространены химические ракетные
двигатели (разрабатывают и испытывают электрические, ядерные и другие
ракетные двигатели). Простейший ракетный двигатель работает на сжатом газе.
По назначению различают разгонные, тормозные, управляющие и др. Применяют
на ракетах (отсюда название), самолетах и др. Основной двигатель в
космонавтике.

7. Значение тепловых двигателей

Наибольшее значение имеет использование тепловых
двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят
в движение роторы генераторов электрического тока.
Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают
также на всех АЭС для получения пара высокой
температуры. На всех основных видах современного
транспорта преимущественно используются тепловые
двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели
внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины;
на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиациипоршневые, 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.

8. Цикл Карно

КАРНО ЦИКЛ, обратимый
круговой процесс, состоящий
из двух изотермических и двух
адиабатных процессов;
впервые рассмотрен Н. Л. С.
Карно (1824) в связи с
определением кпд тепловых
машин. Кпд Карно цикла n не
зависит от свойств рабочего
тела (пара, газа и т. п.) и
определяется температурами
теплоотдатчика Т1 и
теплоприемника Т2, n = (Т1Т2)/Т1. Кпд любой тепловой
машины не может быть
больше кпд Карно цикла (при
тех же Т1 и Т2).

9. Вред наносимый окружающей среде

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду
связано с действием различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы,
вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно
уменьшается.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу
углекислого газа.
В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными
и серными соединениями, вредными для здоровья человека.
А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три
тонн свинца.
Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона
воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики
производство электрической и механической энергии в принципе не
может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных
количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному
повышению средней температуры на земле. Одно из направлений,
связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности
использования энергии, борьба за её экономию.

10. Уменьшение загрязнений окружающей среды.

Один из путей уменьшения загрязнения
окружающей среды- использование 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.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Работу выполнили
Учащиеся 10 а класса
МОУ СОШ №19
Пономарева Алена
Докучаев Денис
Залавский Сергей
Прокопенко Сергей

Тепловые двигатели.
За и против.

План.
Что такое тепловой двигатель?
История создания теплового двигателя.
Современные тепловые двигатели.
Современные экологически чистые двигатели.
Вредит ли тепловой двигатель нашему здоровью?
Решение проблем экологии.
Используемая литература.

Тепловой двигатель – это устройство, в котором внутренняя энергия преобразуется в механическую.

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных.

Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку.

Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.

История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Леонардо Да Винчи
Архимед
Дени Папен
Герон
Александрийский
Иван Иванович Ползунов
Джеймс Уатт

Современные тепловые двигатели
Внутреннего сгорания
Ракетные
Газотурбинные
Ядерный

Двигатель внутреннего сгорания

— это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Основными типами ДВС являются:
Бензиновые
Дизельные
Газовые
Газодизельные
Роторно-поршневые
Газотурбинные двигатели

Ракетный двигатель
Сила тяги в ракетном двигателе возникает в результате преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

В зависимости от вида энергии, преобразующейся в кинетическую энергию реактивной струи, различают химические ракетные двигатели, ядерные ракетные двигатели и электрические ракетные двигатели.

Газотурбинный двигатель
Тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Ядерный двигатель
Ядерный двигатель использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.
Традиционный ЯД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора и собственно двигателя. Рабочее тело (чаще - аммиак или водород) подаётся из бака в активную зону реактора где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Экологические проблемы использования тепловых машин.
Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода, хлор.
Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее- в различные части ландшафта.

Решение проблем экологии

Электродвигатель
Классификация электродвигателей
Двигатель постоянного тока
Двигатель переменного тока
Шаговые двигатели
Вентильные двигатели
Универсальный коллекторный двигатель (УКД)

Недостатки электромобиля:
аккумуляторы пока не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости. Имеющиеся высокоэнергоемкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения редкоземельных металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора >300° С). Впрочем, энергоемкость таких АБК увеличилась за XX век в 4 раза (до 40-45 Вт/ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы.
шум работающего электромотора довольно велик, в чем может лично убедиться каждый пассажир троллейбуса или поезда метро.

В интересах защиты окружающей среды считается целесообразным постепенный перевод автотранспорта на электротягу, особенно в крупных городах.
Предлагается: создать и передать в эксплуатацию электромобили , могущие экономически и технически конкурировать с обычными автомобилями..

Прогноз таков:
2000 год – 5%
2025- 15%

Читайте также: